第 1 节 原子结构模型目标与素养：1.了解玻尔原子结构的基本观点及如何用其解释氢原子光谱的特点微观探析)2.能应用量子力学对原子核外电子的运动状态进行描述，知道核外电子在一定条件下会发生跃迁变化观念)一、氢原子光谱和玻尔的原子结构模型1．不同时期的原子结构模型2．光谱和氢原子光谱(1)光谱①概念：利用仪器将物质吸收的光或发射的光的波长和强度分布记录下来的谱线②形成原因：电子在不同轨道间跃迁时，会辐射或吸收能量2)氢原子光谱：属于线状光谱氢原子外围只有 1 个电子，故氢原子光谱只有一条谱线，对吗？[提示] 不对3．玻尔原子结构模型(1)基本观点运动轨迹 原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，而且能量是量子化的轨道能量依 n(主能量 量子数)值(1,2,3，…)的增大而升高分布 对氢原子而言，电子处在 n＝1 的轨道时能量最低，称为基态；能量高于基态的状态，称为激发态电子 电子在能量不同的轨道之间跃迁时，辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记跃迁 录下来，就形成了光谱(2)贡献①成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。
②阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是量子化的二、量子力学对原子核外电子运动状态的描述1．原子轨道与量子数根据量子力学理论，人们将描述单电子运动状态的波函数称为原子轨道原子中的单个电子的空间运动状态用原子轨道来描述，其中每个原子轨道由 3 个只能取整数的量子数 n、l、m 共同描述1)主量子数 n：n 的取值为正整数 1,2,3,4,5,6，…，对应的符号为 K，L，M，N，O，P等一般而言，n 越大，电子离核的平均距离越远，能量越高，因此，也将n 值所表示的电子运动状态称为电子层引入主量子数 n 解决了什么问题？[提示] 引入主量子数 n 解决了氢原子光谱为线状光谱而不是连续光谱的问题2)角量子数 l：对于确定的 n 值，l 共有 n 个值：0,1,2,3，…，(n－1)，对应的符号分别为 s，p，d，f 等若两个电子所取的 n，l 值均相同，就表明这两个电子具有相同的能量我们用能级来表达具有相同 n，l 的电子运动状态，在一个电子层中，l 有多少个取值，就表示该电子层有多少个不同的能级可见，同一电子层内的电子根据能量的不同，可以分成不同的能级，第 n 电子层内有 n 个能级，如在 K 层中只有 1 个 s 能级；在 L 层中有 1 个 s 能级和 1 个 p 能级；在 M 层中有 1 个 s 能级、1 个 p 能级和 1 个 d 能级；等等。
引入角量子数 l 解决了什么问题？[提示] 引入角量子数 l 解决了多电子原子多条谱线的问题，例如钠原子，处于 n＝4 状态的电子跃迁到 n＝3 的状态时，会产生多条谱线的问题3)磁量子数 m：在没有外磁场时，量子数n，l 相同的状态的能量是相同的；在有外磁场时，这些状态的能量就不同，我们用磁量子数 m 来标记这些状态，对于每一个确定的 l，m 值可取 0，±1，±2，…±l，共(2l＋1)个值磁量子数用来描述核外电子的空间运动方向引入磁量子数 m 解决了什么问题？[提示] 引入磁量子数 m 解决了在外磁场的作用下，某一特定跃迁原来产生的一条谱线都可能分裂为多条的问题2．原子轨道的图形描述和电子云(1)原子轨道的图形描述①对象：原子中单电子的空间运动状态即原子轨道②方法：用直角坐标系标注③意义：表示原子轨道的空间分布④形状：s 轨道为球形；p 轨道在空间的分布特点是分别相对于 x、y、z 轴对称，呈纺锤形(哑铃形)2)电子云①概念：描述电子在空间单位体积内出现概率大小的图形②含义：用单位体积内小点的疏密程度来表示电子在原子核外单位体积内出现概率的大小1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)氢原子光谱属于线状光谱。
√)(2)基态氢原子转变成激发态氢原子时释放能量×)(3)焰色反应与电子跃迁有关，属于化学变化×)(4)电子云中的每一个小点就是一个电子×)2．以下能级符号不正确的是( )A．3sC．3dB．3pD．3f[答案] D3．写出下列各电子层的原子轨道数目K：1，L：4，M：9，N：16光谱与光谱分析1．基态与激发态原子(1)基态：最低能量状态处于最低能量状态的原子称为基态原子2)激发态：较高能量状态(相对基态而言)如基态原子的电子吸收能量后，电子跃迁至较高能级成为激发态原子3)基态、激发态相互转化与能量的关系：吸收能量基态原子激发态原子释放能量2．光谱与光谱分析光谱：不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光，可以用光谱仪摄取各种元素原子的电子的吸收光谱或发射光谱，总称原子光谱光谱分析：在现代化学中常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析发射光谱形成示意图 吸收光谱形成示意图3．基态、激发态与光谱的联系当基态原子的电子吸收能量，电子会跃迁到能量较高的轨道上，变成激发态原子例如，电子可以从 1s 跃迁到 2s、2p……相反，电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态，将释放能量。
光是电子释放能量的重要形式之一在日常生活中，我们看到的许多可见光，如灯光、霓虹灯光、激光，还包括燃放的焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关典例 1】 原子光谱是线状光谱，是由不连续的谱线组成的，这表明( )A．在原子中只有某些电子能够跃迁产生光谱B．原子中的电子可以处于某些特定的能量状态，即电子的能量是量子化的C．原子发射的光是单色光D．白光可以由多种单色光组成B [光谱分为连续光谱和线状光谱，无论是单色光还是白光，都是连续光谱原子光谱是线状光谱，也就是由具有特定频率的光形成的谱线原子光谱之所以产生这种特定的谱线，是由于电子的能量是量子化的，电子跃迁的始态和终态的能级差也是量子化的]原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁，而电子所处的轨道的能量是量子化的1．以下现象与核外电子的跃迁有关的是( )①霓虹灯发出有色光 ②棱镜分光 ③激光器产生激光 ④石油蒸馏 ⑤凸透镜聚光⑥燃放的焰火，在夜空中呈现五彩缤纷的礼花 ⑦日光灯通电发光 ⑧冷却结晶A．①③⑥⑦C．①③⑤⑥⑦B．②④⑤⑧D．①②③⑤⑥⑦[答案] A激发态原子不稳定，电子从能量较高的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态时，将释放能量。
光辐射是电子释放能量的重要形式之一灯光、霓虹灯光、激光、焰火等可见光都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关激发态的电子从能量较高的轨道跃迁至能量较低的轨道时，以一定波长(可见光区域)光的形式释放能量是大多数金属发生焰色反应的原因电子的跃迁是物理变化，金属(元素)的焰色反应是物理变化核外电子运动状态的描述1.电子层：在含有多个核外电子的原子中，电子的能量往往是不同的人们根据电子的能量差异和主要运动区域的不同，认为核外电子分别处于不同的电子层(或能层)上原子中由里向外的电子层数 n 可取 1,2,3,4,5 等正整数，对应的电子层符号分别为 K，L，M，N，O等，能量依次升高2．能级：处于同一电子层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级，并用 s，p，d，f 等符号表示每一电子层的能级数等于该层的层数(n)：第一层只有 1 个能级(1s)，第二层有 2 个能级(2s 和 2p)，第三层有 3 个能级(3s,3p,3d)，依次类推3．原子轨道：处于同一能级的电子可以在不同类型的原子轨道上运动不同的轨道有不同的形状和不同的伸展方向例如，s 能级是球形对称的，s 能级中只有 1 个原子轨道；p 能级呈纺锤形，有 3 个原子轨道，在空间分别向 x、y、z 三个方向伸展，每个 p 能级的 3 个原子轨道相互垂直，记作 px、py、pz；d 能级有 5 个伸展方向不同的轨道，f 能级有 7 个伸展方向不同的轨道。
4．电子的自旋：每一个原子同一轨道上的电子有不同的自旋状态，分别用向上和向下的箭头(↑和↓)表示以 s，p，d，f，…排序的各能级可容纳的最多电子数依次为1,3,5,7，…的 2 倍总之，核外电子可看作是在某一电子层的某一能级中的某一轨道上运动的，并有一定的自旋方向这也就决定了每一个电子层、能级中的原子轨道数，以及所容纳的电子总数主量子数电子层符号1K2L3M4N……n能级符号能级中轨道数1s12s12p33s13p33d54s14p34d54f7……电子层中轨道数电子运动状态种数1 4 9 16 … n22 8 18 32 … 2n25.不同原子轨道能量大小的关系【典例 2】 下列说法是否正确？如不正确，说出为什么，应如何改正？(1)s 电子绕核旋转，其轨道为一圆圈，而 p 电子是走“∞”字形2)主量子数为 1 时，有自旋相反的两条轨道3)主量子数为 3 时，有 3s、3p、3d、3f 四条轨道。
[答案] (1)不正确，因为电子运动并无固定轨道应改为 s 电子在核外运动电子云图形或概率分布呈球形对称，其剖面图是个圆而 p 电子云图形或概率分布呈纺锤形，其剖面图是“∞”形2)不正确，因为 n＝1，l＝0，只有一个 1s 原子轨道应改为主量子数为 1 时，在 1s 原子轨道中可能有两个自旋相反的电子3)不正确，因为 n＝3 时，l 只能取 0、1、2，所以没有 3f另外 3s、3p、3d 的电子云形状不同，3p 有三种空间取向不同的运动状态，有 3个原子轨道，3d 有五种空间取向，有 5 个原子轨道因此应改为主量子数为 3 时，有 9 个原子轨道要明确描述电子运动状态的电子层、电子层中的能级和能级中的原子轨道的递进关系和分别对应着的量子数2．比较下列多电子原子的原子轨道的能量高低1)2s________3s(3)3p________3s(5)3d________4s(2)2s________3d(4)4f________5d(6)3px________3pz[解析] 相同电子层上不同原子轨道能量的高低顺序：ns
[答案] (1)< (2)< (3)> (4)< (5)> (6)＝3．如图是 2pz 轨道电子云的示意图，请观察图，并判断下列说法中不正确的是( )A．2pz 轨道上的电子在空间出现的概率分布是 z 轴对称B．点密集的地方表明电子出现的机会多C．电子先沿 z 轴正半轴运动，然后在负半轴运动D．2pz 轨道形状为纺锤形C [电子云是电子在一定区域内出现概率大小的图形，它并不是电子运动的实际轨迹(或轨道)，故 C 错；电子云的疏密表示了电子在该区域出现机会的多少，越密集，说明出现机会越多，故 B 对；观察该图可知 A 对；该 p 轨道为纺锤形(或哑铃形)，D 对]由于电子在核外运动没有确定的轨道和速度，也不能预测某时刻的位置，人们只能用统计图示的方法来形象地描绘电子在原子核外空间出现的概率大小，并不是一种真实的图形1．下列说法正确的是( )A．氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱之一B．“量子化”就是不连续的意思，微观粒子运动均有此特点C．玻尔理论不但成功地解释了氢原子光谱，而且还能推广到其他原子光谱D．原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上像火车一样高速运转着B [A 项中氢原子光谱是元素的所有光谱中最简单的光谱；B 项正确；C 项中玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，但对于解释多电子原子的光谱却遇到了困难；D 项中电子运动没有确定的轨道，电子的运动特点决定了只能用统计的方法来描述电子在空间出现的概率，不能同时准确测定电子的位置和速度，D 项错误。
]2．当镁原子由 1s22s22p63s2→1s22s22p63p2 时，以下说法正确的是( )A．镁原子由基态转化成激发态，这一过程中吸收能量B．镁原子由激发态转化成基态，这一过程中释放能量C．转化后镁原子的性质更稳定D．转化后镁原子与硅原子电子层结构相同，化学性质相似A [镁原子 3s 能级上的电子被激发到 3p 能级上，要吸收能量变为激发态原子，其性质比基态更不稳定，所以 A 项正确，B、C 项错误；变成激发态后，Mg 与 Si 电子层结构不同，化学性质也不相似，所以 D 项错误]3．对充有氖气的霓虹灯管通电，灯管发出红色光，产生这一现象的主要原因是( )A．电子跃迁时发光B．氖气发光，发出红光C．氖原子获得电子后转变成发出红光的物质D．在电流的作用下，氖原子与构成灯管的物质发生反应A [原子发光的根本原因是由于电子跃迁释放或者吸收能量]4．下列有关认识正确的是( )A．各能级的原子轨道数按 s、p、d、f 顺序依次为 1、3、5、7B．各电子层的能级都是从 s 能级开始至 f 能级结束C．各电子层含有的能级数为 n－1D．各电子层含有的电子数为 2n2 个A [各电子层的能级数等于其所处的电子层数，即当 n＝1 时，它只有一个 s 能级，当 n＝2 时，它有两个能级：s 能级和 p 能级，所以 B、C 均错误；而每个电子层最多容纳的电子数为 2n2 个。
]5．比较下列能级的能量大小(填“＞”“＝”或“＜”)：(1)2s________4s；(2)3p________3d；(3)3d________4s；(4)4d________5d；(5)2p________3s；(6)4d________5f[解析] 由构造原理可知，①能级相同时，能层数越高，电子能量越高；②同一能层的能级能量高低顺序为 ns＜np＜nd＜nf；③不同能层之间，能量会产生能级交错现象，即能层序数大，其能级的能量不一定高，如 3d 具有的能量介于 4s 和 4p 具有的能量之间根据构造原理不难比较各能级能量的大小[答案] (1)＜ (2)＜ (3)＞ (4)＜ (5)＜ (6)＜。