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1、第一章 原子结构和元素周期性Date11. 了解微观粒子的运动特征：能量量子化、波粒二象性、测不准关系；2. 了解波函数与原子轨道、几率密度与电子云、原子轨道和电子云角度分布图等基本概念；3. 掌握四个量子数的物理意义、相互关系及合理组合；本章学习要求4. 掌握单电子原子、多电子原子的轨道能级和核外电子排布规律，熟练写出第四周期以内元素原子的核外电子排布式；5. 掌握原子结构与周期系的关系，了解元素基本性质的变化规律。Date3经典核原子模型的建立Date4德谟克利特(古希腊)原子学说：世界万物都是由微小的、不可再分割的微粒世界万物都是由微小的、不可再分割的微粒原子组成。原子组成。原子永恒存在
2、，永不毁灭。原子永恒存在，永不毁灭。无限多的原子在虚空中不断运动，并相互猛烈碰撞，于是发无限多的原子在虚空中不断运动，并相互猛烈碰撞，于是发生旋转而形成天地间各种物质，产生各种自然现象。生旋转而形成天地间各种物质，产生各种自然现象。原子和虚空构成了整个茫茫宇宙。原子和虚空构成了整个茫茫宇宙。是一种哲学思辨，并无科学实验依据。是一种哲学思辨，并无科学实验依据。原子的概念及原子论原子的概念及原子论1. 1. 元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；组成；2. 2. 原子既不能创造，不能毁灭原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一，也不
3、能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；切化学反应中都保持自己原有的性质；3. 3. 同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同， 不同元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同，不同元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同， 原子的质量原子的质量( (而不是形状而不是形状) )是元素最基本的特征；是元素最基本的特征；4. 4. 不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合 物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量等于其组物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量等于其组 合原子质量的和。合原子质
4、量的和。道尔顿原子学说(1803年) ：1) X射线-伦琴射线(1895，伦琴，德国)2) 放射性(1896，贝克勒尔，法国)3) 电子(1897，汤姆逊，英国)证明了原子具有复杂的结构，揭开了原子物理学革命乃至现代科学革命的序幕，构成了整个现代自然科学的新的理论支柱。19世纪末的物理学三大发现在研究低气压下气体的放电现象时发现的，最初 称为阴极射线。电子的发现(19世纪)Date8原子中含有带负电的电子，意味着必然还有带正原子中含有带负电的电子，意味着必然还有带正电的部分。电的部分。1911年，Rutherford和助手Hans Geiger通过粒子(He2+)散射实验证明了原子核的存在，提
5、出了核型原子模型。Rutherford的粒子散射实验及其核型原子模型散射：原子吸收光子后辐射出另一光子的过程。 粒子穿过金箔后，打到荧光屏上产生一个个的闪光。粒子穿过金箔后，打到荧光屏上产生一个个的闪光。绝大多数绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数 粒子却发生粒子却发生 了较大的偏转，并且有极少数了较大的偏转，并且有极少数 粒子偏转角超过了粒子偏转角超过了9090 ，有的甚至被弹，有的甚至被弹 回，偏转角几乎达到回，偏转角几乎达到 180 180 - 粒子的散射粒子的散射。 电子的质量很小，不到电子的质量很小，不到 粒子的七千分之一，粒子的七千
6、分之一， 粒于碰到它，运动方粒于碰到它，运动方向不会发生明显的改变。向不会发生明显的改变。Date10Rutherford还根据不同散射角的粒子，近似计算出金原子核的荷电核数(Z)及核的大小。Rutherford的核型原子模型原子中心有一个原子核，它集中了原子全部正电原子中心有一个原子核，它集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，而带负电的电子在核外空间荷和几乎全部质量，而带负电的电子在核外空间绕核高速运动。绕核高速运动。Date11实验证明：一般原子核半径范围在110pm，只有原子半径的万分之一到十万分之一。pm (皮米，1012米)。Date12核原子结构示意图(He)核的结构：质子(P，带正
7、电)和中子(n，不带电)。Date13 带正电原子核和电子静电吸引。 形成化学键时，电子运动发生改变，原子核不变。原 子原子核电 子质 子中 子氢原子光谱和Bohr模型Date15原子光谱：原子受高温火焰、电弧等激发后，发出特定波长的明线光谱。原子的光谱每种元素的原子都有特定的线状光谱，是发射光谱法对这些元素进行定性、定量分析的基础。最简单的原子光谱为氢原子光谱。氢原子光谱氢原子光谱( (原子发射光谱原子发射光谱) )真空管中含少量高纯真空管中含少量高纯H H2 2(g)(g)，高压放电，发出紫外光高压放电，发出紫外光 和可见光和可见光 三棱镜三棱镜 不连续的线状光谱。不连续的线状光谱。经典电
8、磁理论不能解释氢原子光谱！经典电磁理论不能解释氢原子光谱！经典电磁理论：电子绕核作高速圆周运动，发出连续电磁波 连续光谱；电子能量 坠入原子核原子湮灭。事实： 氢原子光谱是线状(而不是连续光谱)； 原子没有湮灭。Bohr(物理学家，丹麦)在 Rutherford 核原子模型础上，根据当时刚刚萌芽的 Planck 量子论和 Einstein 光子学说，提出了自己的原子结构理论，从理论上解释了氢原子光谱的规律。Bohr氢原子理论 (1913)假设假设1 1：量子化和：量子化和定态假设定态假设原子中的电子不能沿着任意轨道绕核旋转，只能 在有确定半径和能量的特定轨道上旋转，电子在 这些轨道上旋转时并不
9、释放能量，是处于一种稳 定状态。每一个稳定的轨道的角动量(L)是量子化的，它等 于 h/2 的整数倍。 Bohr理论的两个基本假设： 量子化和量子化和定态假设；定态假设； 跃迁假设跃迁假设M：电子质量；：电子速度；r：轨道半径；n n：量子数量子数(正整数正整数)，h：Planck常数，h = 6.626 1034 J.s。(n = 1, 2, 3, )根据这个轨道角动量量子化条件，结合物体运动的经典力学公式，可计算氢原子中电子运动的速度和轨道半径。Date21在一定轨道上运动的电子其能量也是量子化的在一定轨道上运动的电子其能量也是量子化的此式说明：核外电子运动的轨道能量是不连续的，能量取决于
10、 量子数 n。(只适用于氢原子或类氢离子：He+，Li2+， Be3+) ，Z：核电荷数( = 质子数)；n = 1, 2, 3, 4Z2 E = 13.6 eVn2基态(ground state)：能量最低(n = 1)的定态，激发态(excited state)：其它能量较高的定态(n 1)。原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的状态基态。电子离核无穷远时，就完全脱离原子核的引力，其能量增大到0。 对于H原子，电子处于基态时，能量为：相应的轨道半径： r = 52.9 pm = a0(玻尔半径)12 E1s = 13.6 eV = 13.6 eV 12Date24假设假设2 2：
11、跃迁假设：跃迁假设正常情况下，原子中的电子尽可能处于能量最低的轨道，当电子吸收能量时，将跃迁到能量较高的定 态(轨道)，放出能量时，则跃迁到能量较低的另一个 定态(轨道)。电子在不同轨道之间跃迁时，吸收和释放能量的多 少决定于跃迁前后的两个轨道能量之差，即：是对应谱线的频率。hc 1 1E = E2 E1 = h = = 2.18 1018 Z2 ( ) n12 n22应用Bohr原子模型，可以定量解释氢原子光谱的不连续性。当氢原子从外界获得能量，电子将由基态跃迁到激发态。原子中两个能级间的能量差一定的，当处于激发态的不稳定的电子自发地回到较低能级时，就放出有确定频率的光能。这种能级的不连续性
12、，使每一个跃迁过程产生一条分立的谱线。Bohr模型的局限性 只能解释氢原子及一些单电子离子(或称类氢离子，如 He+、Li2+、Be3+ 等)的光谱； 对于这些光谱的精细结构根本无能为力； 对于多电子原子，哪怕只有两个电子的He原子，其光谱的计算值与实验结果也有很大出入。玻尔理论虽然引入了量子化条件，但没有摆脱经典力学的束缚，仍将电子看作是有固定轨道运动的宏观粒子，而没有认识到电子的波动性，不能全面反映微观粒子的运动规律。因此，Bohr理论属于旧量子论。必须彻底抛弃经典理论体系，建立新的理论量子力学。Date28核外电子运动的波粒二象性Date29微观粒子包括：粒子、电子、质子、中子、原子(分
13、子)等实物微粒。微观粒子和宏观物体的性质和运动规律不同。不同尺度的研究对象，表现出的个性也会不同。电子等微观粒子的运动不遵守经典力学的规律， 而具有微观粒子的特性波粒二象性(waveparticle duality)。 Date30光的微粒说(corpuscular theory)17世纪牛顿提出，光是一股粒子流。差不多统治了17和18两个世纪。黑体辐射、光电效应、光的发射、吸收等反映光 的粒子性。光的波粒二象性Date31惠更斯(16291695)认为：光是机械振动在“以太”这种特殊介质中的传播。光的干涉、衍射和偏振等实验现象表明，光具有波动性，并且光是横波。光不是机械波，而是电磁波。光的波
14、动说(undulatory theory)Date32一般地： 与光的传播有关的现象，如干涉和衍射，表现 出光的波性； 涉及光与实物相互作用有关的现象，如发射、 吸收、光电效应等表现出光的粒子性。光的波粒二象性光同时具有波动性和粒子性。光同时具有波动性和粒子性。Date33根据 Einstein 相对论的质能关系式，可得光子动量(P)与波长()的关系：m：光子质量，：光子速度。表明：光的粒子性(m)和波动性()是紧密相联的。h h = =P mDate34实物微观粒子的波粒二象性1924年，德布罗意(物理学家，法国)在光的波粒二象性的启发下，在他的博士学位论文研究中，大胆提出了电子等实物微粒也
15、具有波粒二象性。德布罗意波Date35德布罗意德布罗意认为，正像波能伴随光子一样，波也以某种方式伴随具有一定能量和一定动量的电子等微观粒子。de Broglie关系式： = h/P = h/mm：粒子的质量，：粒子的运动速度，P：粒子的动量。由Planck常数h将微粒的波动性和粒子性定量地联系起来，预言了电子的波长。电子衍射实验完全证实了电子具有波动性。电子衍射实验完全证实了电子具有波动性。一束电子流经加速并通过金属单晶体(相当于光栅)，可以清楚地观察到电子的衍射图样，与计算得到的电子射线波 长与de Broglie预期的长完全一致。用其它实物粒子流做类似实验，都可以观察到衍射现象，完全证实了实物微粒(质子、中子、原子、分子等)具有波动性。电子衍射电子衍射：电子在运动过程中绕过障碍物，产生偏离直线 传播的现象。Date37感光屏幕薄晶体片衍射图案电子枪电子束电子衍射实验示意图电子通过石墨的衍射图从 = h/P = h/m 可知：物质的质量越大，物质波物质的质量越大，物质波的波长越短的波长越短。宏观物体也具有波性宏观物体也具有波性，只是难以察觉，因为宏观物体的质量很大，其物质波的波长短到无法测量波长短到无法测
