第 1 章 原 子 结 构

一、教学基本要求

1. 初步了解原子核外电子运动状态的近代概念、原子能级、波粒二象性、波函数和电子云；

2. 熟悉四个量子数对核外电子运动状态的描述； 3. 熟悉s、p、d原子轨道的形状和方向；

4. 掌握原子核外电子排布的一般规律及s、p、d、f区元素的电子结构特征；

5. 会从原子的电子层结构说明元素性质，并熟悉原子半径、电离能、电子亲合能、电

负性的概念和周期性变化。

二、要点

1. 原子序数

即为元素原子核内的质子数。 1． 原子质量单位

用来表示单个原子的质量的单位。一个原子质量单位(u)为碳原子(12C)质量的1/12。 2． 质量数

原子核内质子数与中子数之和，称作该原子的质量数。 3． 光电效应

用一定频率的电磁辐射轰击物质的表面，释放出电子的现象。 4． 波粒二象性

微观粒子（如光子、电子等）在不同条件下能分别显示出波动性和微粒性的特征称为波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。光在衍射中显示出波动性，而在光电效应中则又显示出微粒性。 5． 测不准原理

指不可能同时测得电子的动量及其在空间的确切位置。 6． 波动力学模型

基于波粒二象性、海森堡的测不准原理可将电子可视作物质波等理论的量子理论模型。

7． 波函数

波动力学方程的数学解就是波函数或原子轨道。是量子力学中表征微观粒子或其体系运动状态的函数。在原子中核外电子的运动状态就是用波函数Ψ来描述的, 是量子力学的基本方程（薛定谔方程）的解，它不是一个数值，而是一个函数式。微观粒子的各种物理量，都可通过波函数来确定。在空间某点，微观粒子（如电子等）

2

出现的几率密度，跟波函数绝对值的平方|Ψ|成正比。 8． 有效核电荷(Zeff)

原子内作用于电子的核的正电荷，其值为去掉其它电子对该电子的屏蔽(或排斥)作用的实际核电荷。 9． 能量最低原理

电子首先占据低能量的轨道，只有低能级的轨道被占据后电子才有可能进入高能级的轨道。

10． 泡利不相容原理

不存在四个量子数都相同的两个电子，即运动状态完全相同的电子是不存在的。 11． 洪特规则

只要轨道的能量相同，较成对而言电子更希望独自占据轨道。 12． 电子自旋

是电子自身运动的一个特点，可引起原子磁性的变化。电子自旋的两种可能为+1/2和-1/2。成对的两电子自旋方向相反，而分占轨道的电子自旋平行。 13． 电子构型

原子的电子构型是指原子内的所有电子对占据轨道的指派。 14． 周期律

元素的物理性质及化学性质是原子序数的周期性函数。 15． 共价半径

以共价力键合的两个成键原子中心连线距离的一半。 16． 金属半径

在固体金属内相邻原子中心距离的一半。 17． 镧系收缩

随f亚层电子的填充，元素的原子半径逐步缩小的现象。 18． 电离能

第一电离能是指气态原子失去一个电子所需要的能量。 19． 电子亲合能

中性气态原子获得一个电子所发生的能量变化。 20． 电负性

元素的电负性是指作为化合物一方的某元素的原子吸引电子的能力。

三、学生自测练习题

1． 是非题（判断下列各项叙述是否正确，对的在括号中填“√”，错的填“×”） 1．1 氢原子2s轨道和2p轨道能量相同，但氟原子的2s轨道能量低于2p轨道能

量。 （1．2 氧原子的2s轨道的能量与碳原子的2s轨道的能量相同。 （1．3 主量子数n为3时有3s，3p，3d，3f四条轨道。 （1．4 所有微粒都既有粒子性又有波动性。 （1．5 几率经向分布图中出现电子几率最大的球壳处，电子出现的几率密度也最

大。 （1．6 原子轨道图是ψ的图形，故所有原子轨道都有正、负部分。 （ 1．7多电子原子中，若几个电子处在同一能级组，则它们的能量也相同。 （1．8 多电子原子的能级图是一个近似能级关系。 （1．9 假如锂原子中，电子产生的屏蔽效应比实际情况大，则锂原子中电子的能

量比实际大。 （1．10 Be的核电荷大于Li，但电子亲合能却较小。 （1．11 元素所处的族数与其原子最外层的电子数相同。 （1．12 所有元素原子的有效核电荷总小于核电荷。 （1．13 通常所谓的原子半径，并不是指单独存在的自由原子本身的半径。 （1．14 任何元素的第一电离能总是吸热的。 （1．15 电负性是综合考虑电子亲合能和电离能的量，后两者都是能量单位，所以

）

） ） ） ）

） ）

） ）

） ） ） ） ） 前者也用能量作单位。 （ ） 2． 选择题（选择正确答案的题号填入）

2．1 玻尔的氢原子理论主要成功之处是 （ ）

a. 证明了原子核外电子是在球形轨道上运动。

b. 说明了原子中电子的能量只具有某些特定数值。 c. 解释了氢原子的光谱线。

d. 证明了氢原子中，电子距核越远，电子的运动速度越大。

2．2 证明电子具有波粒二象性的方法是 （ ） a. 玻尔理论不能解释多电子原子的光谱。

b. 用照像机直接对电子照相，可得到类似于机械波的波形。

c. 使用德布罗依关系式计算。

d. 使一束加速的电子通过Al的晶体薄片得到的衍射图。

2．3 使用能级图时，不该出现的错误是 （ a. 能级图表示的能级关系是绝对的。

b. 每种元素中，多电子能级之间的能量差不同。

c. 能级图中，每一个表示轨道的圆圈中，最多只能容纳自旋方向相反的两

个电子。

d. 能级图综合地体现了同一原子中不同电子的屏蔽效应。

2． 4 元素原子的电子分布，有的出现“例外”，主要是由于 （ a. 电子分布的三个原则不适用于该元素的原子。 b. 泡利原理有不足之处。

c. 通常使用的能级图有近似性。

d. 该元素原子的电子分布必须服从四个量子数的规定。

2．5 同一原子中，可能存在下列量子数的两个电子 （ a. （1，1，0，+12）和（1，0，0，-12） b. （2，0，1，+12）和（2，0，0，-12） c. （3，2，0，-12）和（3，2，1，-12） d. （1，0，0，-12）和（1，0，0，-12） 2．6 下列状态中不是基态的是 （ a. 通常条件的气体H。

b. 氟原子中有 5个3p电子。

c. 氧原子的电子结构为1s22s22p4。 d. 氢原子中电子处在n = 1的状态。

2．7 在一个多电子原子中，具有下列各套量子数的电子，能量大的电子具有的

量子数（n，l，m，ms）是 （ a. （3，2，+1，+12） b. （2，1，+1，-12） c. （3，1，0， -12） d. （3，1，-1，+12） 2．8 在氢原子中，对r = 53 pm处的正确描述是 （）

）

）

）

）

）

a. 该处1s电子云最大。

b. r是1s径向分布函数的平均值。 c. 该处为氢原子Bohr半径。 d. 该处是1s电子云界面。

2．9 下列各组量子数中，合理的一组是 （ ）

a. n = 3，l = 1，m = +1，ms = +

12 b. n = 4，l = 25，m = -1，m1s = +2

c. n = 3，l = 3，m = +1，m1s = -2

d. n = 4，l = 2，m = +3，m1s = -

2 2．10 按类氢原子轨道能量计算公式，Li2+电子在n = 1轨道上的能量与H原子在

n = 1轨道上能量之比值为 （ a. 3 : 1 b. 6 : 1 c. 9 : 1 d. 1 : 3

2．11 下列哪一个轨道上的电子，在xy平面上的电子云密度为零 （ a. 3pz b. 3dz2 c. 3s d. 3px

2．12 ψ（3，2，1）代表简并轨道中的一条轨道是 （ a. 2p轨道 b. 3d轨道 c.3p轨道 d. 4p轨道

2．13 原子轨道角度分布图中，从原点到曲面的距离表示 （ a. ψ值的大小 b. r值的大小 c. Y值的大小 d. 4πr2值的大小

2．14 下列离子中外层d轨道达半满状态的是 （ a. Cr3+ b. Fe3+ c. Co3+ d. Cu+

2．15 基态原子的第五电子层只有2个电子，则原子的第四电子层中的电子数 （ a. 肯定为8个 b. 肯定为18个 c. 肯定为8 ~ 18个 d. 肯定为8 ~ 32个

2．16 下述离子中半径最小的是 （ a. Rb+ b. Sc3+ c. Ti4+ d. Ti3+ 2．17 若知下列三式的电离能分为E1，E2，E3： Li (g) → Li+ (g) + e E1 Li+ (g → Li2+ (g) + e E2

Li2+ (g) → Li3+

(g) + e E3

则这些电离能的正确关系是 （ a. E1 = E2 = E3 b. E1最大 c. E2最大 d. E3 > E2 > E1

2．18 性质最相似的两个元素是 （ a. Zr和Hf b. Ru和Rh c. Mn和Mg d. Cu和Cr

2．19 下列原子中，第一电离能最小的是 （ a. B b. C c. Al d. Si

2．20 下列原子中，第一电子亲合能最大的是 （ a. N b. O c. P d. S

2．21 下列各组元素中，电负性依次减小的是 （ a. K > Na > Li b. O > Cl > H c. As > P > H d. 三组都对 3． 填空题

）

） ） ） ）

） ） ） ） ） ） ） 3．1 波函数ψ是描述， 数学函数式，它和 是 同义词，|ψ|2的物理意义是 ，电子云是 的形象表 示。

3．2 氢原子的基态1s电子在距核53 pm附近的 中出现的 最大，是 因为距核更近时， 虽大， 却较小，因而 较

小，距核更远时， 虽较大， 却很小，因而 也较小。

3．3 M3+离子3d轨道上有3个电子，表示电子可能的运动状态的四个量子数是： ，该原子的核外电子 排布是 ，M属 周期，第 列的元素，它的名称是 ，符号是 。

3．4 Au是第六周期第11列元素，它的价电子层结构是 ；Ti的 原子序数是22，Ti3+离子的价电子层结构为 。

3．5 元素的性质随着 的递增而呈现周期性的变化，这是原子的 变化的反映；用原子轨道光谱符号来表示，第四、六周 期分别是 能级组和 能级组。

3．6 下列气态原子或离子在基态时各有几个不成对电子？ 5B（ ），8O（ ），21Sc3+（ ），24Cr3+（ ），77Ir3+（ ）

3．7 如果发现了第121号元素M时，则其所在周期数为 ，所在列为 ； 其金属活泼性较同列其他元素要 ；其特征氧化态的氧化物化学式 为 。

3．8 原子序数为24的原子，其价电子层结构是 ，3d原子轨道的符号分 别为 。

3．9 周期表中的元素可以分为 个区，各区元素的电子构型特点为 。

3．10 原子参数是指 ，重要的原子参数有 、 、 、 、 和 等。 计算题

4．1 分别计算一个氢原子和1 mol 氢原子的电离能。

4．2 通过查表计算1.00g气态Cl原子完全转化为气态Cl-离子所释放出的能量。 4．3 试计算He+, Li2+的电离能。

4．4 按斯莱脱规则计算K，Cu，I的最外层电子感受到的有效核电荷及相应能级 的能量。

4．5 通过近似计算说明，12号、16号、25号元素的原子中，4s和3d哪一个能 级的能量高？

自测练习题答案

1．是非题

1．1（√） 1．2（×） 1．3（×） 1．4（√） 1．5（×） 1．6（×） 1．7（×） 1．8（√） 1．9（√） 1．10（√） 1．11（×） 1．12（×） 1．13（√） 1．14（√） 1．15（×） 2．选择题

2．1（b） 2．2（d） 2．3（a） 2．4（c） 2．5（c）