第一章-原子结构和元素周期表.ppt

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1、第一章 原子结构与元素周期律,2009.9,教 学 内 容, 1了解原子论的简单发展史。 2. 进一步掌握分子、原子、元素、核素、相对原 子量等基本概念。 3掌握微观粒子的基本特征。 4了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌 握四个量子数的物理意义、取值范围。 5掌握原子核外电子排布三原则。 6掌握原子结构与元素周期表的关系，周期、族、 区的划分本质；掌握电离能、亲和能、电负性和 原子半径等概念。,1-1-1 原子论发展简史,古希腊哲学家德谟克利特臆想出原子是物质最小的，不可再分的，永存不变的微粒。 18世纪，波意耳第一次给出了化学元素的定义用物理方法不能再分解的最基本的物质组分。,1 道

2、尔顿的原子论,1732年，尤拉提出自然界存在多少种原子，就有多少种元素。 罗蒙诺索夫1756年提出、拉瓦锡1785年证明的质量守恒定律；,1797年，里希特发现了当量定律。,1799年，普鲁斯特提出了定比定律：每种化合物都有一定的组成。,1805年，Dalton提出了原子论.,每一种化学元素有一种原子; 同种原子质量相同，不同种原子质量不同； 原子是不可再分的。 一种原子不会转变为另一种原子，化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成了反应后的物质。,优点：合理解释了当时的各个化学基本定律。,缺点：不能正确给出许多元素的原子量。,总体：原子论极大地推动了化学的发展。,1-1-2 Da

3、lton原子论,2 相对原子质量（原子量）,2.1 元素、原子序数和元素符号； 2.2 核素、同位素和同位素丰度； 2.3 原子的质量； 2.4 元素的相对原子质量（原子量）； 2.5 国际单位制、摩尔质量。,2.1 元素、原子序数和元素符号,元素-具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子。 原子序数-按（化学）元素的核电荷数进行排序所得的序号； 每一种元素有一个用拉丁字母表示的元素符号。, 注意： 全部元素会读、会写； 不要把单质、元素、原子三者混淆。,元素和单质是宏观的概念。 单质是元素存在的一种形式。某些元素可以形成几种单质，元素只能存在于具体的物质中，脱离具体的物质，抽象的元素是不存在

4、的。,原子是微观的概念，元素是一定种类原子的总称。 元素符号既表示一种元素，也表示该元素的一个原子。在讨论物质的结构时，原子这个概念具有量的涵义。如氧原子可以论个数，也可以论质量。但元素没有这样的涵义，它指的是同一种类的原子。如水是由氢氧两种元素组成的，水分子中含有两个氢原子和一个氧原子，不能说成水分子中含有两个氢元素和一个氧元素。,2.2 核素、同位素和同位素丰度,113种元素大多具有放射性核素，其数量达1600多种，多数为人工制备，稳定核素300多种。,同位素丰度：某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）。 例如，自然界中，氧的三种同位素丰度为： f(16O)=99.76%， f(1

5、7O)=0.04%， f(18O)=0.20%。 氟只有一种核素: f(19F)=100%,2.3 原子的质量,一个原子的质量并不等于构成它的质子和中子质量的简单加和。 其差值称为质量亏损，等于核子结合成原子核释放的能量-结合能（单位是Mev）。 1 Mev结合能相当于1.78267610-27 g质量亏损,由于不同数量的核子结合成原子核释放出来的结合能与核子数量不成正比，因而产生了比结合能的概念。 比结合能是某原子核的结合能除以其核子数。比结合能越大，表明原子核越稳定。,某核素一个原子的质量称为该核素的原子质量，简称原子质量，以原子质量单位u为单位。 1u等于核素12C的原子质量的1/12。

6、 1u1.660566(9)10-24g 某核素的原子质量与核素12C的原子质量的1/12之比称为该核素的相对原子质量。它在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。,2.4 元素的相对原子质量（原子量）,元素的相对原子质量：一种元素的1摩尔质量对核素12C的 1摩尔质量的112之比。 1）元素的相对原子质量是纯数。 2）单核素元素的相对原子质量等于该元素的核素的相对原子质量。 3）多核素元素的相对原子质量等于该元素的各种天然同位素相对原子质量的加权平均值，可表示为 Ar fiMr,i Ar ：代表多核素元素的相对原子质量 fi：同位素丰度， Mr,i：同位素相对原子质量。,注 意 比 较：,相对分

7、子质量：组成分子的各原子的相对原子质量之和,摩尔质量：1mol物质的质量称为摩尔质量，用n表示，常用单位gmol-1。当单位为gmol-1时，任何原子、分子或离子的摩尔质量在数值上等于其相对原子质量、相对分子质量或相对离子质量。,思考题： 原子质量标准的发展说明了什么？,Question,1宇宙之初 2氢燃烧 3氦燃烧 4碳燃烧 5过程 6 e过程 7重元素的诞生 8大爆炸理论的是非,3 原子的起源和演化,（宇宙）,本节参考：徐光宪院士文集、 曹庭礼等译的格林伍德等元素化学。,由1054年爆发的一颗超新星抛出的气体构成的星云蟹状星云,银河,大气层, 1、光谱： 借助于棱镜的色散作用，把复色光分

8、解为单色光所形成的光带.,4-1 氢原子光谱,4 原子结构的玻尔行星模型, 2、连续光谱：由炽热的固体或液体所发出的光，通过棱镜而得到一条包含各种波长光的彩色充带叫连续光谱。如太阳、钢水、灯等所产生的光。,红 橙 黄 绿 青 蓝 紫, 3、线状光谱：由激发态原子气体所发出的光，通过棱镜而得到的由黑暗背景涌显的若干条彩色亮线叫线状光谱。由于线状光谱是从激发态原子内部发射出来的，故又叫做原子光谱。, 4、氢原子光谱,（1）不连续的线状光谱：从红外到紫外区呈现多条具有特征波长的谱线。H、H、H、H为可见光区的主要谱线, 5、氢光谱的特征,氢原子光谱其它区域谱线的频率也可以由类似上述公式表示：n1、n

9、2为正整数，且n2n1。,绕核运动的电子应不停地、连续地辐射电磁波，得到连续光谱；由于电磁波的辐射，电子的能量逐渐减小，半径会逐渐减小，最终被吸入原子核中。,因而，对于氢光谱这样明显的规律性，时隔几十年都未得到满意的解释，直到1913年，玻尔提出的原子模型假设才成功解释了上述氢原子线状光谱的成因和规律。,4-2 Bohr理论,基础,爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型,1. 理论要点,1）行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的。,2）定态假设 假定氢原子核外电子在轨道上运行时有一定的不变的能量，这种状态称为定态。,基态-能量最低的定态

10、； 激发态-能量高于基态的定态。,氢原子基态能量= -13.6eV= - 2.17910-18J,式中 m 和 v 分别代表电子的质量和线速度, r 为轨道半径, h 为普朗克常量, n 叫做量子数, n=1,2,3,4,5,3）量子化条件 假设氢原子核外电子的轨道是不连续的，在轨道运行的电子具有一定的角动量，只能按下式取值：,右图中的这些固定轨道, 从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于1,2,3,4,5,6,7。根据假定条件求得 n = 1 时轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径.,根据普朗克关系式, 该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：,E = E2 E1,E: 轨

11、道的能量 ：光的频率 h: Planck常量,4) 跃迁规则电子轨道角动量的量子化也意味着电子能量的量子化。电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反之，激发态的电子会放出光子，返回基态或者能量较低的激发态。光子的能量就是跃迁前后两个能级的能量之差。,n 的物理意义是表示电子的不同能级。电子从较高能级跳回到较低能级时，以光子的形式放出能量，就得到了具有一定特征波长的谱线。,玻尔理论冲破了经典物理中能量连续变化的束缚,用量子化解释了经典物理无法解释的原子结构和氢光谱的关系,指出原子结构量子化的特性；核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子跃迁时的能量变化，是玻尔理论正确的、合理的内容

12、。 它的缺陷恰恰又在于未能完全冲破经典物理的束缚，勉强加入了一些假定。由于没有考虑电子运动的另一重要特性波粒二象性，认为电子在核外的运动采取了宏观物体的固定轨道，致使玻尔理论在解释氢原子光谱的精细结构、多电子原子的光谱和光谱线在磁场中的分裂等实验结果时，遇到了难于解决的困难。,2. 优缺点,5-1 光的波粒二象性,5 氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型,1905年，Einstein.A运用Plank的量子学说成功地解释了光电效应, 提出了光子学说:光是由光子组成的粒子流。光电效应说明光不仅有波动性，而且有粒子性，具有波粒二象性。光的波动性是指光能发生衍射和干涉现象，有波的特征，可以用波长

13、或频率来描述。光的粒子性是指光的性质可以用动量来描述。,波粒二象性表达式,带电荷的 粒子流,在光的波粒二象性的启发下，1927 年法国科学家德布罗意提出一种假想： “过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；现在对微观粒子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”,德布罗意的预言,一个伟大思想的诞生,戴维森和革尔麦的电子衍射实验,P: 实物粒子的动量, m :实物粒子的质量, v:实物粒子的运动速度, h : Planck 常量, :实物粒子的波长,5-2 德布罗意关系式,德布罗意的“所有实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性”的假定及电子波动性的发现赋予了光的波粒二象性的关系式以新的内

14、涵，后人称之为德布罗意关系式：,微观粒 子电子：, = 6.6 10-23 pm,由于宏观物体的波长极短以致无法测量，也就难以察觉，主要表现为粒子性，服从经典力学的运动规律。而对高速运动着的质量极小的微粒,如核外电子,就不能不考察其波动性。,电子双缝衍射实验,图a是几个电子穿过后形成的图象，图b是几十个电子穿过后形成的图象。随着入射电子总数的增多，衍射图样依次如c、d 图所示 。,对电子波动性的统计学解释 电子波是概率波,一次只发射一个电子，屏上开始出现随机的光斑分布，长时间后出现衍射条纹。 光斑说明粒子性，但随机说明统计性，故电子不是经典粒子，而是统计意义上的粒子。 衍射条纹说明波动性，但只

15、有长时间才有统计性，故不是经典波动，而是统计意义上的波动；,电子在衍射时的去向是完全不确定的，一个电子到达何处完全是概率事件。在衍射时，成千上万的电子落点的分布是一种概率分布，电子衍射图像正是这种概率分布的体现。电子出现概率大的地方，出现亮的条纹，即衍射强度大的地方。反之，电子出现概率小的地方，出现暗的条纹，衍射强度就小。所以，电子波是概率波 ，只反映电子在空间各区域出现的概率大小。,5-3 海森堡不确定原理,因为微观粒子所具有的波动性，它们的运动无确定轨迹可言，即微观粒子在一确定的时间没有一确定的位置。,例：对于一个质量为1g的宏观物体，若位置不准确量不超过1微米（10-6m），求速度的不准确量为多少？,解：xP=xmvh /(4)=5.27310-35 kgm2s-1 v5.27310-26ms-1这个值已超出可测量范围。 测不准关系对宏观物体不起作用。,例：根据玻尔理论，氢原子核外电子基态的轨道半径是53 pm，电子的运动速度是2.18107 ms-1, 质量为910-31 kg，假设我们对电子速度的测量偏差小到1%, 电子的运动坐标的测量误差是多少？ 解: P=mv10-25 kgms-1 x= 5.27310-35kgm2s-1/(10-25kgms-1)=260 pm,这意味着这个电子在相当于Bohr半径约5倍的内外空间里都可以找到，玻尔半径和线性轨道就