师：同学们好，今天我们来学习高二化学选择性必修二物质结构与性质第一章第一节原子结构第三课时。本节课的学习目标是通过原子轨道、核外电子云模型的学习，了解核外电子的运动特点及核外电子运动状态的描述方法。
上节课我们学习了核外电子在能层中依据构造原理排布规律进行排布，知道电子排布式可表示基态或激发态原子以及离子的核外电子在能层中的填充情况，并且能够熟练书写1 - 36号元素的电子排布式、简化电子排布式以及价层电子排布式。
在上节课结尾，老师留下了两个问题：原子核外电子的运动状态是怎样的呢？1913年，玻尔提出了氢原子模型，类似于日地系统，电子在线性轨道上绕核高速运动。然而到了1926年，玻尔建立的线性轨道模型被量子力学推翻。量子力学提出电子云模型，其形状多种多样。为何两种模型的差别如此之大？要解决这个问题，首先要了解电子运动状态的特点。核外电子有什么运动特点呢？
量子力学对原子核外电子运动状态的描述，有以下科学家及其发现的理论：德布罗意的微观粒子波粒二象性、海森堡的测不准原理、薛定谔的薛定谔方程。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出可以用一个数学方程式描述核外电子的运动状态，为近代量子力学奠定了理论基础。
具体来说，宏观物体和微观粒子的运动特点是有区别的。宏观物体质量很大，位置和速度可以准确测量，从而能准确描述其运动轨迹。而对于微观的核外电子来说，质量很小，位置和速度不可同时测定，所以不能准确描述其运动轨迹。打个比方，将原子核比作地球，把活泼好动的同学们比作核外电子，同学们受到地球的万有引力，但并非按照确定的轨迹运动，而是可以随机地出现在地球上的任意地方。
量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假设的线性轨道上运动，而是在核外空间各处都可能出现，只是出现的概率不同。那我们应该如何表示核外电子的运动状态呢？请同学们观看视频。
人们将氢原子核外电子在运动时出现的位置进行标记，因电子高速运动产生视觉残留，会看到多个点。将电子变换位置的速度加快，会看到像雾一样多的点，实际上氢原子核外只有一个电子。右图为氢原子的1s电子在原子核外出现的概率密度分布图。人们用电子云表示核外电子的运动状态，处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象描述，看起来像一片云雾，被形象地称为电子云。氢原子只有一个电子，而图1 - 7中有许许多多的小点，是1s电子在原子核外出现的概率密度的形象描述。
量子力学指出，一定空间运动状态的电子并不在玻尔假定的线性轨道上运行，而在核外空间各处都可能出现，但出现的概率不同，可以算出它们的概率密度分布。用p表示电子在某处出现的概率，V表示该处的体积，则p除以V为概率密度，用ρ表示。小点越密表示概率密度越大。
电子云图很难绘制，使用不便。我们常使用电子云轮廓图，将电子出现概率90%的空间圈起来，就绘制出电子云轮廓图，如图1 - 8所示。绘制电子云轮廓图的目的是表示电子云轮廓的形状，对核外电子的空间运动状态有一个形象化的简便描述。图1 - 9是1s、2s、3s、4s能级的电子云轮廓图，请看视频。
所有原子的任意能层的s电子，其电子云轮廓图都是一个球形，只是球的半径不同，能层越高，s电子的电子云半径越大。量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道。s电子的原子轨道呈球形，能层序数越大，原子轨道的半径就越大。这是由于电子的能量依次增高，电子在离核更远的区域出现的概率逐渐增大，电子云越来越向更大的空间扩展。就好像宇宙飞船必须提供能量推动才能克服地球引力上天，2s能级的电子比1s电子能量要高，克服原子核的吸引，在离核更远的空间出现的概率就比1s大，因而2s电子云必然比1s电子云更弥散，不同能层、相同能级具有相同的规律。请看视频。
电子绕着原子核运动，按波函数呈现一定的概率分布，可形象地用电子云来表现，在外界的干扰下，它的状态也可以发生变化。比如刚开始那团球形对称分布的s波的电子云可以吸收一个光子激发到p波对称的葫芦形的分布状态上，相应的它也可以释放一个光子退激发到原来的状态。注意，这些过程中电子的偶极矩和角动量都发生了变化。
视频是模拟2s能级上的电子跃迁至2p能级，再重新跃迁回2s能级的电子云形状的变化。中间颜色较深的球形是1s电子云。量子力学计算表明，电子在s、p、d、f等能级的空间运动状态，即原子轨道都有特定形状的电子云，s能级的电子云没有方向性，p、d、f等能级都有方向性，只有特定方向分布。除s电子云外，其他电子云都不是球形的。
在视频中可以看到，p能级的原子轨道的电子云是纺锤形的，也叫哑铃型。氢原子的光谱在无磁场的影响下，谱线只有一条，在磁场的影响下，该谱线分裂为三条。电子在无磁场影响时，2p能级中的原子轨道能量相同，所以核外电子从1s能级跃迁到2p能级，任意方向的原子轨道能量差相同，只有一条谱线。能量相同的原子轨道称为简并轨道。当施加了磁场的影响后，简并轨道产生了细微的能量差别。核外电子从1s能级跃迁至2p能级，任意方向的原子轨道能量差不同，因此出现了三条谱线。出现三条谱线说明p能级的原子轨道有三条。