原子的结构和性质
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原子是进行化学反应的基本粒子,要掌握化学运动的规律,就要从研究原子的结构及其运动规律入手。本章内容就是运用量子力学基本原理研究原子的结构和性质。
本章主要内容:
单电子原子的SchrÖdinger 方程及其解
量子数的物理意义
多电子原子的结构
原子光谱
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原子是由一个原子核和若干个核外电子组成的体系。在量子力学建立之前,Bohr提出氢原子结构模型,他假定电子绕核作圆周运动,处于一系列稳定状态上,这些状态的角动量应为h/2π的整数倍,电子由一个状态跃迁到另一个状态就会吸收或发射光子。
n=1时,半径r==a0,a0称为Bohr半径,现在常用作原子单位制中的长度单位。
Rydberg常数为:
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第二节 单电子原子的SchrÖdinger方程及其解
一、单电子原子的SchrÖdinger方程
1、玻恩-奥本海默近似(1927年提出)
H、He+、Li2+等都是单电子原子体系,电子绕原子的质心运动,因此要用折合质量来表示。 =memN/(me+mN)
因为mN=,所以me。
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另一方面,电子的运动速度约为106-108cm/s,远大于核的运动速度(约105cm/ s),因此在研究电子的运动状态时,可以认为核固定不动,并且位于原点,称为核固定近似。
这样,玻恩-奥本海默近似就包含两个方面的内容:
(1)折合质量约等于电子质量;
(2)核固定不动,且位于原点。
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2、单电子原子的SchrÖdinger方程
单电子原子的薛定鄂方程为:
通过坐标变换,将Laplace算符从直角坐标系(x, y, z)换成球极坐标系(r, θ, ф):
利用变数分离法使ψ(r, θ, ф)变成只含一个变数的函数R(r),Θ(θ)和Φ(ф)的乘积:
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在R(r),Θ(θ)和Φ(ф)各个方程中,最简单的是Φ(ф)方程:
利用边界条件、波函数的品优条件和正交归一的要求,可得复函数解:
m称为磁量子数,其取值是解方程时所得的必要条件。
解出Φ(ф)方程后,再解出R(r)和Θ(θ)方程,就可以得到单电子原子的波函数ψ(r, θ, ф)了。
下面各图是解方程时所需要用到的坐标系图。
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第三节 量子数的物理意义
主量子数n
角量子数l
磁量子数m
自旋量子数S和自旋磁量子数ms
总量子数j和总磁量子数mj
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