本章核心观点：电子的本质属性是粒子性，电子存在若干个不连续的结合能极大值――“质量幻数”，电子质量时刻处于动态变化之中，处于原子核束缚状态的电子可以吸收或者放出特定质量的光子，由此形成不同原子的特定吸收光谱（暗线光谱）和发射光谱（明线光谱）。

第一节　原子结构模型的演变
人们对原子结构的认识是逐渐深入的。1808年，英国科学家道尔顿提出了原子是物质最小单元的概念，认为物质都是由原子直接构成的；原子是一个微小的不可分割的实心球体；同一类原子性质相同。

1897年，英国物理学家汤姆逊在低压气体放电现象中发现了电子，并确定电子是原子的组成部分，电子的发现使人们认识到原子内部物质并不是均匀分布的而是由更小的粒子构成的，也打开了认识原子结构的大门。1904年汤姆逊提出原子结构的“蛋糕模型”（“西瓜模型”），认为原子中的正电荷象蛋糕一样均匀分布，而电子则象枣一样镶嵌其中并按一定的几何规律排列（或者象“西瓜子”一样镶嵌在带正电的“西瓜瓤”中），当电子受到外界扰动时就会在平衡位置附近振动并发出特定波长的光子，由此解释各种不同元素的原子能够发出不同的光谱。

1909年卢瑟福用a粒子轰击金属箔时发现：大部分a粒子都可以穿透金属箔而不改变方向，少数a粒子穿过金属箔时其运动轨迹发生了一定角度的偏转，个别的a粒子则完全反弹回来。卢瑟福由此推测原子中大部分是空的，内部一定有一个带正电的坚硬的核集中了原子绝大部分质量，a粒子碰到核上就会被反弹回来，碰偏了就会改变方向，发生一定角度的偏转，因为原子核占据的空间很小，所以大部分a粒子能穿透过去。他根据这一假定计算出原子核半径约为3×10米，而原子的半径为1.6×l0米。1920年，卢瑟福提出了中子的概念，认为原子核是由质子和中子组成的，并于1931年得到证实。

α粒子散射实验奠定了现代原子结构理论基础：原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子组成的，原子核是由质子和中子组成的；原子核里质子数量等于原子核所带正电荷数并等于核外电子数；中子不带电，中子数量等于原子质量数与原子序数之差。

经典物理学理论认为：电子围绕原子核旋转这一过程是电荷做加速运动的过程，必然会放出电磁波（即向外发出光子），随着电子不断放出光子其能量不断减小，电子必将沿着螺旋线落入原子核中，而事实上原子系统是相当稳定的；同时，由于电子沿着螺旋线落入原子核中，所以电子的轨道也应该是连续变化的，所发出的光子的频率也应该是连续变化的，但人们在观测原子光谱时却发现原子光谱往往是几条独立的谱线（明线或者暗线），这说明电子在原子中的稳定轨道不是连续的。基于上述原因，原子的行星模型遭到了否定。

1913年丹麦物理学家玻尔在行星模型的基础上引入了量子概念，提出分层原子结构模型，认为电子只能在原子内特定的稳定轨道上运动，当电子在这些可能的轨道上运动时既不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时才发射或吸收能量，而且发射或吸收的能量是特定的。此后玻尔提出电子在一些特定的可能轨道上绕原子核作圆周运动，离核愈远能量愈高，电子可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定，玻尔提出了定态和跃迁的概念，较为成功地解释了氢原子光谱的实验规律，但对于稍复杂一点的原子如氦原子就无法解释其光谱规律，表明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子运动的规律。

1927年，奥地利物理学家薛定谔在德布罗意关系式的基础上提出原子的电子云模型（几率说）。认为电子有波粒二象性，在某一瞬间不可能做到既准确测定出电子在原子中的具体位置又准确测定出电子的运动速度（测不准原理）。电子不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，电子在原子核外很小的空间内作高速运动并没有确定的轨道，我们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度，也不能准确描绘出它的运动轨迹；只能够表示电子在一定时间内在核外空间各处出现的几率。电子云模型完全抛弃了电子轨道的概念，并由测不准关系进而发展到物质波理论，指出一切物质实体都存在波粒二象性，甚至认为即使一切宏观物体包括行星、太阳也有波动性，成为量子力学的一部分。

（一）原子核存在“质量幻数”。当代物理学指出：物质是由原子组成的，原子是由原子核和核外高速运动的电子组成，而原子核是由质子和中子组成的，不同质量数的原子核稳定性是不同的，总有特定质量数的原子核比其它质量数的原子核稳定得多，如质量数为2、8、20、28、50、82、114、126、184等数量的原子核比较稳定（内部核子之间结合力较大），我们把这些数称为原子核“质量幻数”，而具有双幻数的如He、Ni、Sn、Pb等原子核则特别稳定。原子核“质量幻数”的存在，表明原子核内部各部分之间存在着复杂的作用力，同时也表明原子核组成结构有其特定的规律。

特定质量的原子核只能吸收特定数量的中子。排在92号的元素铀有三种同位素，分别是铀-234、铀-235和铀-238，其中铀-234原子核中有92个质子和142个中子，理论上铀-234只要吸收１个中子就能够变成铀-235、只要吸收４个中子就能够变成铀-238。如果我们用中子流连续撞击铀-234原子核，理想状态下它可能吸收１个中子和４个中子，但不会吸收２个、３个、５个、６个、７个……中子，这是由铀-234原子核内部结构决定的，当它吸收了１个中子就能够形成新的稳定原子核铀-235、吸收４个中子就能够形成新的稳定原子核铀-238，而吸收了其他数量的中子时并不能够形成稳定的原子核（铀-234即使吸收了２个、３个、５个、６个、７个……中子也会在极短时间内“裂变”，放出中子并重新形成能够稳定存在的铀-234），所以我们可以认为铀-234只能吸收特定数量的中子（１个或者４个）。对于其他元素同样如此，它们吸收的中子数也不是任意的。一般可以认为：特定质量的原子核只能吸收特定数量的中子。
（二）电子内部结构特征。与原子核具有特定内部结构类似，电子也具有特定的内部结构，我们将其主要特征归纳如下：
第一，电子存在“质量幻数”，其质量具有“量子化”特征。电子的本质属性是粒子，处于原子核静电引力束缚作用下的电子质量是随时变化的：它可以吸收光子增大质量也可以“裂变”放出光子减小质量－－并且这一过程可以无限次重复，通常情况下电子质量并非一成不变的而是时刻处于变化之中的。与原子核存在“质量幻数”类似，电子也存在若干个不连续的结合能极大值――“质量幻数”，每个“质量幻数”对应于电子在原子中的一条稳定轨道；电子在原子中不同稳定轨道上的质量是不同的，电子离核越近质量越小、离核越远质量越大。
第二，电子吸收光子具有“选择性”特征。电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、“饥饿程度”越高因而其结合光子的能力越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、“饥饿程度”越低、其结合光子的能力就越弱；当然了处于游离态的电子内部结合力是最小的，几乎不会吸收光子。电子“质量幻数”的存在导致处于原子核静电引力束缚作用下的电子通常只能吸收或者放出特定质量的光子，当电子与原子核之间的距离缩小时，由于原子核静电引力撕扯作用迅速增强，电子将通过“裂变”放出光子获得反冲从而增大绕核速度，保证其不落入原子核中；电子远离原子核静电引力撕扯作用减小时又会迅速吸收光子增加质量为下一次“裂变”做好物质储备，当然处于原子核束缚状态的电子只能吸收特定能量的光子，因为只有特定能量的光子和电子结合后才会处于“质量幻数”--其内部结合力足够大能够抵御原子核静电引力撕扯作用。
第三，电子存在“极限质量”（或者叫“临界质量”）。电子不能无限吸收光子增大质量，电子有最大质量或者叫“临界质量”，大于“临界质量”的电子都是极不稳定的，并将在极短时间内“裂变”放出光子并重新生成能够稳定存在的质量较小的电子。一般而言，微观粒子都存在“临界质量”而不会无限增大质量，相对论认为微观粒子的质量将随着运动速度的增大而增加，从粒子内部结构的角度来看这是极其错误的，毕竟我们谁也没有见过拳头大的电子或者头一样大的质子。

如果用横坐标表示电子的质量，用纵坐标表示电子内部的结合力，则我们可以大致画出电子质量－－结合力草图。从图中可以看出，电子离原子核越近质量越小、“饥饿程度”越高、内部结合力越大、吸收光子的能力越强；电子离原子核越远质量越大、“饥饿程度”越低、内部结合力越小、吸收光子的能力越弱；当电子吸收了质量足够大的光子后会处于“临界质量”或者“超临界质量”，此时电子不能继续吸收光子增大质量了，在外界微小扰动作用下电子又会“裂变”放出光子减小质量。电子在离原子核较近的“质量幻数”位置可以吸收一个特定能量的光子达到离原子核较远的另一个“质量幻数”位置；也可以从离原子核较远的“质量幻数”位置回到离原子核较近处“裂变”放出一个特定能量的光子从而到达离原子核较近的“质量幻数”位置。通常情况下，电子从远离原子核的稳定轨道运动到靠近原子核的稳定轨道上必然会“裂变”放出光子，而电子在离原子核较近的稳定轨道上只有吸收特定质量的光子才能够跃迁到离原子核较远的稳定轨道上。

（三）原子中的电子吸收特定能量光子的几率较大，或者说原子中的电子和特定能量的光子结合力较强、结合时间较长。与特定质量的原子核只能吸收特定数量的中子类似，处于原子核静电引力束缚作用下的电子通常情况下吸收或者放出特定质量的光子的几率较大，原子吸收光谱（暗线光谱）和发射光谱（明线光谱）就很好地证明了这一点。有人指出，既然处于原子核静电引力束缚作用下的电子是处于“饥饿状态”的，则它就应该吸收任意质量的光子而不是仅吸收特定质量的光子，处于原子核静电引力束缚作用下的电子虽然处于“饥饿状态”，理论上能够吸收任意质量的光子，但是电子吸收光子后形成的新电子质量数如果处于“质量幻数”位置则其内部结合力才是足够大、并且足以抵御原子核静电引力对其撕扯作用从而稳定存活下来；反之如果新形成的电子并非处于“质量幻数”位置则其内部结合力必然不够大、不足以抵御原子核静电引力撕扯作用、从而在原子核静电引力撕扯作用下在极短时间内“裂变”放出光子并重新生成能够稳定存在的电子（“裂变”后的电子质量必然处于“质量幻数”位置，因为只有这样的电子才是稳定的），由于这个时间极短，通常情况下我们认为处于原子核静电引力束缚作用下的电子只能吸收特定质量的光子。但是，如果某一光子能量大于电子电离所需要的能量，则电子就会吸收这个光子摆脱原子核静电引力束缚成为游离态的自由电子，此时由于电子离原子核足够远不会受到原子核静电引力撕扯作用，则电子就不会继续“裂变”了，从而表现为电子完全吸收了光子电离，这一点也是光电效应和原子光谱问题的不同之处。
（四）电子存在“质量幻数”的实验证据－－弗兰克赫兹实验。1914年弗兰克和赫兹在实验中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的，弗兰克赫兹实验装置主要是一只充气三极管，电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。电子穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。当电子管中充以汞蒸气时，实验发现每隔4.9伏电势差，板极电流都要突降一次。

弗兰克赫兹实验测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持在4.9电子伏，即汞原子只接收4.9电子伏的能量。如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，但其临界电势差约为21伏。弗兰克赫兹实验至少表明三点：第一是原子内部能级是不连续的；第二就是自由电子在与其他原子作用时很容易损失能量（很显然自由电子损失了能量当然会减少质量）；第三就是处于原子核束缚作用下的电子可以吸收能量。从微观角度来讲，自由电子质量较大、内部各部分之间的结合力较小，它既可以吸收光子也可以放出光子，当它遇到一个在原子核静电引力束缚作用下“饥饿程度”高的电子时，当然会被“掠夺”一部分质量；如果在原子核静电引力束缚作用下电子的“饥饿程度”继续增大，它就会从自由电子那里“掠夺”更多的质量，这也就是实验中表现出来的不同原子的临界电势差不同的根本原因。这个实验在一定程度上证实了电子“质量幻数”的存在。

（五）原子核的静电引力是影响电子“裂变”的主要因素。原子核中质子和中子之间存在着非常强大的核力作用，这个核力作用使原子核之间各部分凝聚成一个整体。同样电子内部各部分之间也存在相互作用力，由于电子内部各部分之间的结合力不是很大（相对于原子核的核力而言），所以在原子核强大的静电引力撕扯作用下，电子有“裂变”放出光子的可能。
决定电子是否“裂变”放出光子有内因和外因两种因素：内因是电子内部各部分之间的凝聚力（结合力），而外因则主要是原子核的静电引力：原子核的静电引力总是试图撕扯并使电子发生形变--进而使电子产生“裂变”放出光子，其作用结果是使电子离原子核更近、并使电子质量减小、体积减小，从而导致电子内部各部分结合得更加紧密，“饥饿程度”更高；而电子内部的凝聚力则总是力图使电子凝聚成一个整体--并尽可能地再吸收一个或多个光子，其作用结果是使电子的质量增加、体积增大，从而导致电子内部结合得更加松散，“饥饿程度”降低。也可以简单地认为，原子核的静电引力总是使电子质量减小，而电子自身的凝聚力总是使其质量增大。
(六)电子对光子的吸收是有选择性的。既然处于原子核束缚状态的电子是处于“饥饿状态”的，那么是不是此时电子可以吸收任意质量的电子呢？事实表明电子对光子的吸收是有选择性的。处于“饥饿状态”的电子可以吸收光子，对不同质量的光子而言，光子质量越小则其进入电子内部后引起的电子质量变化也越小，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越小，因而和电子之间的结合力也较大；反之，光子质量越大其进入电子内部后引起的电子质量变化也越大，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越大，因而和电子的结合力也越小；由于电子“质量幻数”的存在，只有少数特定质量的电子和特定质量的光子之间结合力是极大的。
我们可以举一个例子来更好地理解这一点。假设电子内部结合能极大的“质量幻数”分别为10000、10010、10030、10080等等，这就是说，只有质量数为10000、10010、10030、10080的电子在原子内部才是足够稳定的（此时电子正好处于曲线的峰值位置，内部结合力极大、能够较好地抵御原子核的静电引力作用而不至于立即发生“裂变”），相对而言质量数为其它数值的电子内部的结合能较小，也是极不稳定的（因为这样的电子内部结合力较小不足以抵御原子核的静电引力撕扯作用，在原子核的静电引力撕扯作用下会很快发生形变甚至“裂变”放出光子并生成能够稳定存在的电子）。当质量数连续的光子（假设这些光子的质量从1到100连续变化）与电子作用时，则只有质量为10、30、80的少数几种光子和电子的结合才是较稳定的，其它质量的光子与电子的结合都是极不稳定的（它们在与电子结合后极短的时间就会裂变放出光子，所以可以认为这些光子几乎不被电子吸收）。最终我们看到，当质量数连续的光子照到大量原子上时，只有质量数为10、30、50和80的光子才会被吸收，而质量数为其他整数的光子几乎不被吸收，也就是说原子中的电子对光子的吸收是有选择性的。
那么吸收了其它质量光子的电子为什么是不稳定的呢？我们知道，原子中的电子时刻受到原子核静电引力撕裂作用，因为质量数为10000、10010、10030、10080的电子远远比其它质量的电子内部结合力大得多，所以它们足以抵御原子核的静电引力撕扯作用。假设当电子吸收了一个质量数为5的光子，此时形成的新电子的质量数是10005，在电子的质量━━结合能曲线上，质量数为10005的电子内部各部分之间的结合力远远小于质量数为10000和质量数为10010的电子，所以当这个新电子形成以后，在原子核强大的静电引力撕扯作用下它会立即裂变放出质量数为5的光子，并重新生成质量数为10000的、能够稳定存在的电子。正是因为质量数为10005电子会在极短的时间内裂变，所以我们可以认为质量数为10000的电子从吸收到放出质量数为5的光子的时间几乎为零，因为它们之间的作用时间极短、作用效果非常不明显，从另一个角度来讲，我们也可以认为质量数为10000的电子几乎不会吸收质量数为5的光子。这样看来一定质量的电子只有与少数、特定质量的光子的作用效果明显，也就是说：在原子核强大的静电引力作用下，一定质量的电子只会吸收少数特定质量的光子，电子对光子的吸收是有“选择”的，只有特定质量的光子才可能被原子中的电子吸收，而大部分光子都不会被原子中的电子吸收。

n = 1，2，3，…， n n>l l= 0，1，2，3，…， n-1 l ≥ m m = 0, ±1, ± 2, … ±l， ms= ±1/2 原子轨道和电子云的等值面图 氢原子3pz电子云界面图 迭代举例： 例如方程x=10+lgx，先知x才能求出x;为此人们采用迭代法求解这类方程。既先假设一个x0（一个合理值）代入方程求得x1， 能量最低的谱项或支谱项叫做基谱项,可用Hund规则确定: Hund第一规则: S最大的谱项能级最低; 在S最大的谱项中又以L最大者能级最低. Hund第二规则: 若谱项来自少于半充满的组态，J小的支谱项能级低；若谱项来自多于半充满的组态，J大的支谱项能级低 (半充满只有一个J=S的支项，不必用Hund第二规则). Hund规则适用的范围是：(1) 由基组态而不是激发组态求出的谱项；(2) 只用于挑选出基谱项，而不为其余谱项排序！ 只求基谱项的快速方法: (1) 在不违反Pauli原理前提下，将电子填入轨道，首先使每个电子ms尽可能大，其次使ml也尽可能大； (2) 求出所有电子的ms之和作为S，ml之和作为L； (3) 对少于半充满者，取J=L-S；对多于半充满者，取J=L+S. 无外加磁场 外加强磁场 低分辨率 高分辨率 高分辨率 mJ 2p 1s 82259 钠原子的基态为[Ne](3s)1,激发态的价电子可为(np)1、(nd)1(n=3,4,5,…)或者为(ns)1、(nf)1 (n=4,5,6,…)。 钠的黄色谱线(D线)为3p→3s跃迁所得谱线。(3p)1组态有两个光谱支项：2p3/2和2p1/2，所以D线为双线，它们对应的跃迁及波数如下： 3.碱金属原子光谱 2 .6 .4 多电子原子光谱项 1.多电子原子光谱项的推求 (Ⅰ)非等价电子组态 ①先由各电子的m和ms求原子的mL和mS： ②mL的最大值即L的最大值；L还可能有较小的值，但必须相隔1（L的最小值不一定为0）；共有多少个L值，L的最小值是多少，需用矢量加和规则判断。一个L之下可有0，±1，±2，…，±L共（2L+1）个不同的mL值。

物质的结构是高中化学基础知识中的一块重要内容，是在学习原子结构和卤素及其化合物知识的基础上，通过一些具体的事例，进一步认识物质的结构。从原子能通过不同的途径或方式构成性能各异的物质引入化学键。又从原子趋向稳定的途径或方式引入离子键、共价键的形成过程。整个教学内容安排符合学生的认知规律。也为学生以后学习元素及其化合物、能量和有机化合物打下必要的基础。

学生已经掌握了原子结构、卤素及其化合物的相关知识，为学习本章的内容打下了基础。上节课又刚刚学习了化学键，也为本节课的内容做好了铺垫。从原子趋向稳定的途径或方式引入离子键、共价键的形成过程。整个教学内容安排符合学生的认知规律。

1.通过探究活动、分组讨论理解离子键、共价键概念，以及元素之间形成化学键的规律性，并学会用化学用语表达。

2.通过参与离子键形成和共价键形成的探究，感受科学探究的一般方法，以及认识结构决定性质、性质反映结构的规律。

3. 通过课堂探究、讨论，感触科学方法在化学研究中的重要性，养成实事求是的科学态度和勇于创新的科学精神。

难点：离子键的形成、共价键的形成

相信大家在生活中都有这样的经验：在一些红白喜事的场合，吃饭时经常会遇到这样的情况：一张桌子做了7个人，另一张桌子坐了1个人。因为在这种场合，大家基本上都是认识的，所以那7个人肯定会叫那个人，快点过来吧。然后那个人在他们的召唤下就坐过去了，然后就可以开吃了。这种情况在化学反应中也会出现：

我们一起回顾一下之前学习过的一条化学方程式：

我们先来看一下钠原子和氯原子的结构

我们知道：最外层排8个电子时是稳定结构。（当然，K层为最外层时排2个电子。）

所以，当钠原子遇上氯原子时，氯原子的七个电子肯定会叫钠原子上的这1个电子。“你快点过来呀，你一过来我们就稳定了。于是，钠原子上的这个电子经不起诱惑，跑到了氯原子上。

钠原子失去电子之后变成什么？（钠离子）氯原子失去电子之后会变成什么？（氯离子）（写钠离子与氯离子的离子结构示意图。）