第四章 物质结构ZHOU

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1、下页退出上页 第四章 物质结构 下页退出上页 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 离子 分子 微观 宇观 宇宙 单质 化合物 星体 宏观 纳 米 材料 介观 化学研究的对象 下页退出上页 哪些是关键性的问题呢 化学反应的性能问题 化学催化的问题 生命 过程中的化学问题 当今化学发展的趋势大致是 由宏观到微观 由定性到定量 由稳定态向 亚稳态 由经验上升到理论并用理论指导实践 进而开创新的研究 总之 化学已成为中心学科 与 21 世纪的四 个重大课题 能源 材料 环境和生命科学 都 有关 下页退出上页 亚原子粒子 原子是化学上最重要 使用最频繁的术语之一 原是希腊语中意为 不可再分 意思 随着

2、科学的 发展 道尔顿 Dalton J 于1803年提出了第一个现 代原子论 但他接受了 不可再分 的概念 随着 电子的发现 接着发现了 粒子 质子和中子 如 果将电子看作原子上掉下的 碎屑 粒子就算 得上原子分裂的 碎块 了 人们将组成原子的微 粒叫亚原子粒子 亚原子粒子曾经也叫基本粒子 近些年越来越多的文献就将其叫粒子 迄今科学上 发现的粒子已达数百种之多 第一部分原子结构 下页退出上页 Properties of some subatomic particles 下页退出上页 夸克 根据 1961 年由盖尔 曼 Gell M Mann 建立的新模型 质子和中子都是由更小的粒子 夸克组成的

3、 但现有的理论还不能预言 当然 更不用说从实验上证明 电子是可分的 下页退出上页 夸克 名称 下夸克 上夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克 符号 d u s c b t 电荷 1 3 2 3 1 3 2 3 1 3 2 3 质量 均为质子的1 100或1 200 质子的 200倍 发现年代 1974 1977 1995 Some primary particles 下页退出上页 4 1 原子核外电子运动特征 波粒二象性 波粒二象性 赖以建立现代模型的量子力学概念 wave particle duality a fundamental concept of quantum mechanics

4、4 1 1 原子结构的发展史 下页退出上页 1 经典物理学概念面临的窘境 an emba rrassment of the concepts of the classical physics 2 波的微粒性 particle like wave 3 微粒的波动性 wave like particle 下页退出上页 1 经典物理学概念面临的窘境 Rutherford s experiment on particle bombardment of metal foil 下页退出上页 1 经典物理学概念面临的窘境 Rutherford 根据 粒子散射实验 创立了关 于原子结构的 太阳 行星模型 其要

5、点是 1 所有原子都有一个核即原子核 nucleus 2 核的体积只占整个原子体积极小的一部分 3 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上 4 电子像行星绕着太阳那样绕核运动 下页退出上页 卢瑟福原子模型 12 下页退出上页 在对粒子散射实验结果的解释上 新模型的成功是显而易见的 至少 要点中的前三点是如此 问题出在第4点 尽管卢瑟夫正确地认识到核外电 子必须处于运动状态 但将电子与核的关系比作行星与太阳的关系 却是 一幅令人生疑的图像 is the embarrassment of the concepts of the classical physics 根据当时的物理学概念 带电微粒 在力

6、场中运动时总要产生电磁辐射并 逐渐失去能量 运动着的电子轨道会越 来越小 最终将与原子核相撞并导致原 子毁灭 由于原子毁灭的事实从未发生 将经典物理学概念推到前所未有的尴 尬境地 An unsatisfactory atomic model 下页退出上页 描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学 新概念的诞生 人们对物质和能量的认识是否只看到 了硬币的一面 波粒二象性是解决原子结构 问题的 总开关 下页退出上页 2 波的微粒性 电磁波是通过空间传播的能量 可见 光只不过是电磁波的一种 电磁波在有些情况下表现出连续波的性 质 另一些情况下则更像单个微粒的集合 体 后一种性质叫作波的微粒性 下页退出上

7、页 The electromagnetic spectrum 下页退出上页 1900年 普朗克 Plank M 提出了表达光的能量 E 与 频率 关系的方程 即著名的普朗克方程 E h 式中的h叫 普朗克常量 Planck constant 其值为 6 626 10 34 J s 普朗克认为 物体只能按h 的整数倍 例如1 2 3 等 一份一份地吸收或释出光能 而不可能是0 5 1 6 2 3等任何非整数倍 这就是所谓的能量量子化概 念 Plank 公式 下页退出上页 普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念 但它 只涉及光作用于物体时能量的传递过程 即吸收或释出 Plank 公式 地面吸收太阳

8、能地面接收降水 以一个个 光量子 h 不能是半个 h 完成 可见光由不同频率的光组成 h 值有大有小 黄光的 值相对较大 h 较大 光量子的能量大 红光的 值相对较小 h 较小 光量子的能量较小 以一个个雨滴 不能是半个雨滴 完成 雨滴 有大有小 相当于较大的 雨滴 落至地面时的动能较大 相当于较小的 雨滴 落至地面时的动能较小 比 拟 下页退出上页 光电效应 1905年 爱因斯坦 Einstein A 成功地解释了光 电效应 photoelectric effect 将能量量子化 概念扩展到光本身 对某一特定金属而言 不是 任何频率的光都能使其发射光电子 每种金属都 有一个特征的最小频率 叫

9、临界频率 低于这一 频率的光线不论其强度多大和照射时间多长 都 不能导致光电效应 下页退出上页 The photoelectric effect 下页退出上页 爱因斯坦认为 入射光本身的能量也按普朗克 方程量子化 并将这一份份数值为1的能量叫光子 photons 一束光线就是一束光子流 频率一定的 光子其能量都相同 光的强弱只表明光子的多少 而与每个光子的能量无关 爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微 粒性为人们所接受 以波的微粒性概念为基础的一 门学科叫量子力学 quantum mechanics 光电效应 下页退出上页 Question 1 钾的临界频率 5 0 1014 s 1 试计

10、算具有这种频率的一个光子的能量 对 红光和黄光进行类似的 计算 解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红 光作用下却不能 将相关频率值代入普朗克公式 E 具有临界频率的一个光子 6 626 10 34 J s 5 0 1014 s 1 3 3 10 19 J E 黄光一个光子 h 6 626 10 34 J s 5 1 1014 s 1 3 4 10 19 J E 红光一个光子 h 6 626 10 34 J s 4 6 1014 s 1 3 0 10 19 J 黄光光子的能量大于与临界频率对应的光子能量 从而引发光电 效应 红光光子的能量小于与临界频率对应的光子能量 不能引发光 电效应 下页

11、退出上页 另一面谁来翻开 波的微粒性 导致了人们对波的深层次认 识 产生了讨论波的微粒性 概念为基础的学科 量子力 学 quantum mechanics 钱币的一面已被翻开 Einstein 的光子学说 The photoelectric effect 电子微粒性的实验 The experiments of particle of electrons Plank 的 量子论 The Planck equation 下页退出上页 3 微粒的波动性 微粒波动性的直接证据 光的衍射和绕射 灯光源 下页退出上页 3 微粒的波动性 在光的波粒二象性的启发下 德布罗 依提出一种假想 他于1924 年说

12、德布罗依关系式 一个伟大思想的诞生 过去 对光过分强调波性而忽视它的粒 性 现在对电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 下页退出上页 4 1 2 核外电子运动的特性 波粒二象性 h 为Planck 常量 这就是著名的 德布罗依关系式 下页退出上页 1927年 Davissson 和 Germer 应用 Ni 晶 体进行电子衍射实验 证实电子具有波动性 微粒波动性的近代证据 电子的波粒二象性 K V D M P 实验原理 下页退出上页 a b 电子通过A1箔 a 和石墨 b 的衍射图 Schematic drawings of diffraction patterns by

13、 light X rays and electrons 灯光源 X射线管 电子源 下页退出上页 微观粒子电子 宏观物体子弹 让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算 显然 包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗依公式计算 它们的波长 由于宏观物体的波长极短以致无法测量 所以宏观物体的波 长就难以察觉 主要表现为粒性 服从经典力学的运动规律 只有象电子 原子等质量极小的微粒才具有与 x射线数量级相近的波长才符合德布罗 依公式 然而 如此短的波长在一般条件下仍不易显现出来 m 1 0 10 2 kg 1 0 103 m s 1 6 6 10 35 m Question 2 波粒

14、二象性是否只有微观物体才具有 下页退出上页 波尔以波的微粒性 即能 量量子化概念 为基础建立了 他的氢原子模型 波粒二象性对化学的重要性在于 波粒二象性对化学的重要性在于 H H H D He 薛定鳄等则以微粒波动性 为基础建立起原子的波动力学 模型 下页退出上页 与日光经过棱镜后得到的七色连续光谱不同 原子受 高温火焰 电弧等激发时 发射出来的是不连续的线状光 谱 每种元素的原子都有其特征波长的光谱线 它们是现代 光谱分析的基础 氢原子的发射光谱是所有原子发射光谱 中最简单的 4 1 3 氢原子光谱 不连续的 线状的 是很有有规律的 氢原子光谱特征 下页退出上页 下页退出上页 氢原子光谱由五

15、组线系组成 即紫外区 的莱曼 Lyman 系 可见区的巴尔麦 Balmer 系 红外区的帕邢 Paschen 系 布莱克特 Brackett 系和芬得 Pfund 系 任何一条谱 线的波数 wave number 都满足简单的经验 关系式 式中 为波数的符号 它定义为波长的倒数 单位常用cm 1 R 为里德伯常 量 实验确定为1 097 37 105 cm 1 n2大于n1 二者都是不大的正整数 各线 系 n 的允许值见下表 下页退出上页 The allowed values for n in above equation Name n1n2 Lyman series Balmer serie

16、s Paschen series Brackett series Pfund series 1 2 3 4 5 2 3 4 3 4 5 4 5 6 5 6 7 6 7 8 下页退出上页 例如 对于Balmer线系的处理 n 3 红 H n 4 青 H n 5 蓝紫 H n 6 紫 H 下页退出上页 下页退出上页 氢原子核内只有一个质子 核外只有 一个电子 它是最简单的原子 在氢原子 内 这个电子核外是怎样运动的 这个问 题表面看来似乎不太复杂 但却长期使许 多科学家既神往又困扰 经历了一个生动 而又曲折的探索过程 下页退出上页 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 4 1 4 Bohr 理论 的基础上 建立了Bohr理论 波粒二象性 下页退出上页 Bohr 理论的主要内容 玻尔 Bohr N 于1913年提出的氢原子结构 的量子力学模型是基于下述3条假定 关于固定轨道的概念 玻尔模型认为 电子只能在若 干圆形的固定轨道上绕核运动 固定轨道是指符合一 定条件的轨道 这个条件是 电子的轨道角动量L只 能等于h 2 的整数倍 下页退出上页 Bohr 理论