原子的电子结构

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1、 第第 九九 章章 原子的电子结构原子的电子结构古希腊德谟克利特提出原子学说：世界万物都是由微小 的、不可再分割的微粒原子组成。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。古代朴素的原子学说实际 上只不过是一种哲学思辨，并无科学实验依据。q 原子的概念及原子论1803年，道尔顿提出了原子学说：元素是由非常微小的、 看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁 灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性 质；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

2、的原子的形状、质量及各种性质则不相同，原子的质量(而 不是形状)是元素最基本的特征；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 质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表化学哲学 新体系，全面阐述了化学原子论的思想。 英国化学家道尔顿道尔顿(1766-1844)(1766-1844)Democritus (Greece) 460 BC-370 BC460 BC-370 BC 1800年 尼科尔森 (W. Nicholson) 、卡莱色尔（Carlisle)用直流电把水分解为氢气和氧气 1815年英国化学家普劳特（W Prout）:元素的相对原子质量

3、都是氢的原子质量的整数倍 1833年 法拉第（Faraday）的电解定律 1874年 斯通尼 (G. J. Stoney)率先把在导线内流动的电的基本单元称为 电子oo 1919世纪末的物理学三大发现世纪末的物理学三大发现1) X射线，又称伦琴射线 (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)这些发现证明了原子具有复杂的结构，揭开了物理学革命乃至现代科学革命的序幕，继而创立了原子物理学、基本粒子物理学、量子力学、量子化学、核化学、同位素化学、放射化学等许多新学科，构成了整个现代自然科学的新的理论支柱。Antoine Henri Be

4、cquerel (1852-1908) cole Polytechnique, FranceThe Nobel Prize in Physics 1903“in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity“Joseph John Thomson (1856-1940) Univ. of Cambridge, U.K.The Nobel Prize in Physics 1906“in recognition of the great

5、 merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases“Wilhelm Conrad Rntgen (1845-1923) Munich Univ., GermanyThe Nobel Prize in Physics 1901“in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequentl

6、y named after him“q 电子的发现及电子荷质比的测量电子是19世纪人们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。法拉第（1791-1867）利用他所制作的第一个阴极射线管（CRT）发现了这种射线。阴极射线管及阴极射线的发现Thomson的电子荷质比测量方法1897年，J. J. Thomson (18561940) 利用电场及磁场对带 电质点运动的影响测定了阴极射线的荷质比(e/m)，并得出该射线是带负电荷并存在于所有原子之中的基本粒子，即为后来人 们所知的电子。在电场E和磁场H的相反作用下，可调节E和H参数使阴极射线正好回到水平方向，这时电子所受 的磁力 (He

7、v) 和电力 (Ee) 相等，即有：e/m = 1.76 1011 Ckg1H e v = E e 由此得电子的速度： v = E/H所以， H e v = E e = m v2/r由经典力学可知， 离心力 = m v2/r即有， e/m = v/Hr最后可得，H2 re/m =EJoseph John Thomson (1856 -1940), with the apparatus he used to discover the electron. 1906 Nobel Prize in Physics.Thomsons model of the atom, sometimes descri

8、bed as the “plum-pudding” model, after a traditional English dessert containing raisins. The electrons are embedded in a uniform, positively charged sphere.在1906-1914期间，Robert Millikan 设计了油滴实验装置(1923年诺贝尔 物理学奖)。当少量油滴经小孔坠入两电极板之间后，用X射线使电极板间的气 体电离，电离出的电子将以不等的数目附着在小油滴上，使它们分别带有1个 、2个或更多个电荷。这时施加电场于电极，则带电的油

9、滴就会受到上方正电 板的吸引向上运动。上升的速度与油滴所带电荷成正比。假设上升速度最小的 油滴只带一个电子，计算表明其它油滴所带电量总是一个最小电量的整数倍， 这个最小电量就应是一个电子所具有的基本电量(1.6010-19 C)。q Millikan的油滴实验法测定电子电荷 (1909)e e = 1.6 = 1.6 10 10 1919 CC mm = 9.11 = 9.11 1010 3131kgkgRobert Andrews Millikan (1868-1953) Caltech, USAqq RutherfordRutherford的的 粒子散射实验及其核型原子模型粒子散射实验及其

10、核型原子模型 ( (1911)1911) particle velocity 1.4 particle velocity 1.4 10 107 7m/s m/s (5% speed of light)(5% speed of light)原子中含有带负电的电子，意味着必然还有带正电的部分。1911年Rutherford 和Geiger通过 粒子(He2+)散射实验发现（1）原子中存在带正电的基本粒子 ，而且质量比较大，但体积很小（个别折回）；（2）大部分空间是空的（大部 分直线通过）。证明了原子核的存在，提出了核型原子模型。Rutherford的核型原子模型 原子中心有一个原子核，它集中了原子

11、的全部 正电荷及几乎全部的质量，而带负电的电 子在核外空间绕核高速运动。他还根据不 同散射角的粒子比例近似计算出金原子核 的荷电核数(Z)及核的大小。 Ernest Rutherford (1871-1937) New Zealand Physicist Victoria Univ., U.K.The Nobel Prize in Chemistry 1908“for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances“实验证明一般原子核半

12、径范围在1 10 pm，只有原子半径的万分之一到十万分之一。q 核电荷数的实验测量 (Moseley, 1912)Rutherford的学生Moseley用高速电子轰击放电管中金属靶子，使金属原子内层电子 被激发，外层电子受原子核的吸引，从外层跳入内层，放出X射线(Roentgen射线，波长 约10 2000 pm)。X射线包括一系列波长不同的射线，如K层电子被激发，L、M、N等外 层电子跳入K层，就分别称为K、K 、K的X射线，如外层电子跳入L层相应得L 、L 、L射线。其中K射线能量最大，是各元素原子的特征X射线。他将周期表中各个金属依 次作为靶子材料，比较各元素的K射线波长，发现Mose

13、ley定律：1/2 = a(Z-b)。X射线管及X射线的产生示意图Moseley定律:1/2 = a(Z b)Z: 原子序数a, b: 常数Moseley分析上述实验结果指出，从一个元素到次一个元素，原子中有一个基本数量在规则地增加，这个数量只能 是原子核内的正电荷数，也就是周期表中的原子序数。KZ1/2 1083025201510520 40 60 80 100Rutherford protons 1919James Chadwick neutrons 1932 核原子结构示意图 (He)氢原子和3种基本粒子的性质电子 (e)1.60221019 19.10961031 0.00055质子

14、(p)+1.60221019 +11.67261027 1.0073中子 (n)0 01.67491027 1.0087氢原子(H)电中性1.6731027 1.008* 原子电荷单位是以一个电子电荷量作为1个电荷单位.* 原子质量单位(atomic mass unit, 缩写为au)是以12C=12.000000作为基准的相对质量。电 荷SI制 (C) 原子电荷单位*质 量SI制 (kg) 原子质量单位(au)*电电 磁磁 波波 谱谱 1. 氢原子光谱与玻尔理论可见光区： 400 nm700 nm紫外区： 10 nm 400 nm红外区： 700 nm1000 mq 原子的光谱 在抽成真空的

15、放电管中充入少量气体（如氢气），通过高压放电，可观测到原子的发光现象。将碱金属化合物在火 焰上加热，也会观测到碱金属的发光现象。氢气氦气含锂化合物含钠化合物含钾化合物原子光谱的测量方法氢氢 原原 子子 光光 谱谱 紫外区 可见区 红外区397.007 410.120 434.010 486.074 656.210 氢原子光谱是线光谱（可见区有5条谱线），而不是连续的带光谱，这一实验结果不符合经典电磁学理论。按照经典电磁学理论，电子绕核作圆周运动，原子不断发射连续的电磁波（即原子光谱），故原子光谱应该是连续的；而且电子的能量逐渐降低，最后坠入到原子核里去，使原子不复存在。实际上原子既没有湮灭，其谱线也不是连续的而是线状的。1885年 巴尔默(J. J. Balmer，瑞士的中学老师) 上述五条谱线的波长可以用一个简单公式表示： = B = 364.6 nmn =