第1章 原子结构与元素周期系 §1－1. 道尔顿原子论 §1－2．相对原子质量(原子量) §1－3．原子的起源和演化 §1－4．原子结构的玻尔行星模型 §1－5．氢原子结构的量子力学模型 §1－6. 基态原子电子组态（电子排布） §1－7. 元素周期系 §1－8. 元素周期性 §1－1 道尔顿原子论1．最早的原子概念公元前五世纪，古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）提出：“万物都是由极小的、硬的、不可穿透的、不可分割的微粒结合起来的”这种微粒叫“原子”——意为不可再分的原始粒子 2．基本定律（18世纪末） ⑴.质量守恒定律（1756年俄·化·罗蒙诺索夫）反应前后物质的总质量不变或“参加化学反应的全部 物质的质量，等于反应后的全部产物的质量注意：E=mc2）⑵.定比（组成）定律：（1779年·法·化·普鲁斯特）一种纯净的化合物不论来源如何，各组份元素的质量都 有一定的比例如H2O，氢和氧的质量比总是1:8⑶.倍比定律：（1803年·英·道尔顿）当甲、乙两种元素相互化合生成两种或两种以上化合物 时，则在这些化合物中，与同一质量甲元素相化合的乙元 素的质量互成简单整数比 3．道尔顿原子论要点：（1803 Dalton） ⑴.一切物质由称为原子的不可再 分割，不可毁灭的最小微粒构成 ；⑵.同种原子完全相同（质量、形 状、性质），不同种原子则不同 ；⑶.每一种物质都由它自己的原子 组成，单质由简单原子组成，化 合物由复杂原子（由不同元素的 原子结合而成，今天称“分子” ）组成。
该理论应用了近一个世纪 4．汤姆逊原子模型（浸入模型 1898 1903） 当人们由阴极射线发现电子带电荷后，汤姆逊发现：用 什么金属做阴极，电子的荷质比[（1.759×1011库/千克） e/m]是不变的因此，他确认，所有电子都是相同的微粒 ，所有的物质均含有电子根据所有原子都有电子的认识 ，1898年汤提出一原子模型，把当时已知的原子的组份都 显示出来几年后，经反复推敲，他提出，电子浸于“均 匀分布的正电性球体”的原子模型进而，他又提出电子 以同心壳层排布以及各种原子的电子排布不同 汤姆逊的原子模型还没有 来得及仔细加工，就被卢瑟 夫（E·Rutherford. 英）及 其学生的一系列实验所推翻 5．带核的原子模型（卢瑟夫E·Rutherford. 1911） 电子是原子的一个组成部分，且电子带负电荷已很清楚 而整个原子是中性的，这说明还存在带正电的部分这部 分结构如何呢？发展原子结构的又一个重大的突破来自 1911年卢瑟夫的实验室他让从钋发出的α粒子经过 一个狭缝射向一张非常薄的金 属片，如金箔α粒子打其会 有何现象？实验者们从前后左 右每一个侧面各个角度进行？ 用荧光屏探测α粒子方向改变 （散射）的程度。
他们发现：绝大多数α粒子通过金箔时，方向不变，即 直线前进，只有少数发生轻微偏折（约万分之一），不 可思议的是，更有个别α粒子以90度或更大的角度偏折 回来用手枪向一片薄纸片开火，子弹竟然反射回来 击中了自己！”解释：大多数α粒子穿过原子本身，至于少数激烈偏转 的α粒子，必定是α粒子与原子中带电部分相互作用而 引起的，但这带电部分未必是电子，因为α粒子的质量 比电子约大7400倍，故α粒子与电子碰撞时，不能使α 粒子运动的方向明显改变，即不可能引起很大的偏转结论：每一个原子都含有一个非常小的、密实的、带有 全部正电荷的核上述个别α粒子的较大偏折，就是由 一个金属原子的带正电荷的很小核引起的且算出了核 的半径小于3×10－12厘米 卢瑟夫原子模型 ⑴．正电荷密集在一个很小的、坚实的叫做原子核的区 域内，核外有若干电子围绕核作变速轨迹运动实验测得原子核很小，直径数量级约为10-13cm约为原 子直径（10-8cm）的万分之一核与电子间十分敞空 并存电场把核与电子束缚在一起，形成相对稳定的原子 ⑵．原子核所带的正电量与核外电子所带的负电总量相 等，整个原子呈电中性⑶．由于电子质量很小，所以原子的质量几乎全部集中 在核上。
这个带核的原子模型也称为行星式模型或“小太阳系 ”原子模型——人类认识微观世界的一个重要里程碑 §1－2．相对原子质量(原子量) 2－1 元素、原子序素和元素符号 1. 元素 英国化学家波义耳于1661年提出：一切物质由元素组成， 元素是不能再分的最简单的物质，它的种类比较多元素是原子核里质子数（核电荷数）相同的一类原子的总 称——本质：质子数！同种原子的原子核中，所含的质子数目是一样的，但中子 数可以不同由同种元素组成的物质称单质：O2、Fe、C由不同种元素组成的物质叫化合物：H2O、NaOH O16、O17、O18为同一元素，但却是不同的原子 2.原子序数 按元素的核电荷数进行排序，所得的序号叫原子序数 3.元素符号 2－2 核素、同位素和同位素丰度 1．核素：具有一定数目的质子数和一定数目的中子的一种原子称 为核素如：12C：碳—12核素；13C：碳—13核素多核素元素： 具有多种核素的元素称多核素元素 单一核素元素：具有一种核素的元素称单一核素元素 2311Na2．同位素——质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称同位素 稳定性同位素，约3000多种；放射性同位素，约3000种左右；人工放射性同位素，约1000多种。
同量异位素：核子数相同而质子数和中子数不同的原 子（的总称）同量素：质量数相同质子数不同， 分属于不同元素的几种原子互称同量素3616S与 36 18Ar，65 29Cu与65 30Zn 同中素：具有一定中子数的原子（的总称）3. 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 ）称为同位素丰度 2－3 原子的质量m 原子质量——某核素的一个原子的质量称为该核素的原子质量，简称原子质量由于构成原子的质子、中子和电子质量均很小，因而一 个原子的质量很小：质子的静止质量为1.672649×10-24g中子的静止质量为1.674954×10-24g电子的静止质量为9.109537×10-28g一个原子的质量不等于构成它的质子和中子的质量的简 单加和（电子的质量太小可忽略不计）差值被称为质量 亏损，等于核子结合成原子释放出来的能量—结合能原子质量的单位μ 1973年国际计量局规定一个12C核素原子质量的1/12为“ 统一的原子质量单位”用“μ”表示μ＝1.6605655×10- 27Kg则12C的原子质量等于12μ(12×1.6605655×10-27Kg)平均原子质量可以通过质谱仪所测定的各核素的原子质量 及其在自然界的丰度而计算出来。
如氧元素有三种同位素：核素 原子质量 丰度16O 15.994915u 99.759％17O 16.999133u 0.037％18O 17.99916 u 0.204％故氧的平均原子质量为： ＝15.994915u×99.759％＋16.999133u×0.037％+17.99916 u×0.204％＝ 15.9994 u §1－3．原子的起源和演化(自学) §1－4．原子结构的玻尔行星模型 4－1 氢原子光谱 连续光谱(continuous spectrum)连续光谱(continuous spectrum)-彩虹电磁波连续光谱氢原子光谱（原子发射光谱） (line spectrum)在高能条件下，原子受到激发，也可发光高能量：火焰 、电弧、高压电等原子发射的光只具有某些特定的波长 ，用棱镜分开后，得到了不连续的线状光谱是由原子本 身产生的，故叫原子光谱 装有低压氢H2(g)的放电管，高压放电 发出紫外光和可见光 → 三棱镜 → 不连续的线状光谱连续光谱和原子发射光谱（从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱氢原子光谱 谱线 Hα Hβ Hγ Hδ Hε 编号（n） 1 2 3 4 5 波长／nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.0091883年，巴耳末经过研究得出经验方程： …………（1-1） 从紫外区到红外区有多条分立的具有特征频率的谱线， 这些谱线均可用里德堡（Rydberg）公式表示： 里德堡常数：ＲH＝1.09677×107m－1 且：n2＞n1ＲHｃ＝３.289×1015S－1 光速：c＝2.9988×108m·S－1 巴耳末系：n1＝2 n2＝3、4、5……可见光区的五条谱线赖 曼 系: n1＝1 n2＝2、3、4……派 兴 系：n1＝3 n2＝4、5、6…………（1-2） ……（1-2’ ） 经典电磁理论不能解释氢原子光谱对于n1、n2 的意义，里德堡无法给予解释。
至此，经典理论在原子结构问题上遇到了不可克服的困难⑴．首先，经典理论不能建立一个稳定的原子模型如果一个电子的力学行为象行星的话，根据经典电动力学， 电子环绕原子核的运动是加速运动，因而不断以辐射的方式 发射出能量，电子运动轨道的曲率半径也就不断减小，电子 最后将螺旋式地坠入原子核⑵．此外，加速电子所产生的辐射，其频率是连续分布的， 这与原子光谱是分立的谱线的事实不符⑶．不能解释里德堡公式反映的光谱的规律性事实说不能依据经典理论来建立原子模型 4－2．玻尔理论（丹麦物理学家Beall 1913）理论基础：光子学说（A.Einstein 1908）带核的原子模型（卢 瑟夫 E·Rutherford. 1911）量子论（M.Plack 1990）4－2．玻尔理论（Beall 1913） 普朗克（Plank）“量子论”：为了解决“黑体辐射”问题 Plank在1900年首先引进了“量子”概念任何一辐射物体（原子）不能连续吸收或发射能量，而是 以一不连续的量一份一份地吸收或者发射辐射能每一份不 连续的量称为量子某物理量态数倍变化，则说它不连续、“量子化”在微观世界中：核电荷、电子数、是量子化变化的。
Plank的假设动摇了经典理论的基础，遭到经典论者的 猛烈攻击此关键时刻，爱因斯坦站出来支持了他，提出：E＝ｈνＥ—光子能量 ν—频频率 ｈ—普朗克常数：6.625×10－34J·S-1玻尔理论要点： 玻尔在Plank量子力学的基础上，提出了玻尔理论要点如 下：⑴．行星模型：玻尔假定，氢原子核外的电子是处在一定 的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系中的行星绕太阳运 行一样⑵．定态假设：电子取一定稳定轨道绕核运动在此轨道 上运动的电子即不放出能量也不吸收能量处于一定轨道上的电子，能量一定，“定态”；电子处于 最低能量的轨迹上叫“基态”，处于能量校高的轨道上称 “激发态”⑶．量子化条件 电子所处轨道不是任意的，是不连续的，而是满足电子化条件，角动量（L＝mvr）等于 整数倍 )n＝1，2，3，4，5，…圆形轨道时： m—电子质量 v—电子速度 r—轨道半径 h—普朗克常数 加上其它条件，可求出氢原子核外轨道的能量公式： (ev)或： （J）r＝52.9 pm n＝1、2、3…正整数当氢原子处于基态时：n＝1 ： E1＝－2.179×10－18 J －13.6 ev r＝52.9 pm 称玻尔半径。
n＝2 : E2＝－2.179×10－18/22＝－5.488×10－19 J －3.4 evn＝3 : E3＝－2.179×10－18/32＝－2.421×10－19 J －1.51 ev⑷．频率规则 当一个电子从一个轨道跳到另一个轨道中去时，该跃迁 就伴随着吸收或放出一定的能量，这个能量数值等于两 个轨道之间的能量差基 态 激发态 激发态 基 态 E2－E1＝ΔE＝ｈν如由激发态回到基态时发射的光子频率为： ∴ 。