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1、第第4章章物质结构基础物质结构基础4.1 原子结构的近代理论原子结构的近代理论4.2 核外电子运动状态核外电子运动状态4.3 原子电子层结构和元素周期系原子电子层结构和元素周期系4.4 离子键离子键4.5 价键理论价键理论4.6 杂化轨道理论杂化轨道理论4.7 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键4.8 晶体结构晶体结构本章重、难点本章重、难点o1.重点内容：重点内容：四个量子数四个量子数，核外电子排布核外电子排布，周期性，共价键。周期性，共价键。o2.难点内容：波函数、原子轨道与电子云难点内容：波函数、原子轨道与电子云角度分布图形，原子轨道与核外电子运动角度分布图形，原子轨道与核外电子运动状
2、态的量子数，原子核外电子排布式，状态的量子数，原子核外电子排布式，杂杂化轨道理论化轨道理论。 4.1原子结构的近代理论原子结构的近代理论4.1.1微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性原子结构理论的发展简史原子结构理论的发展简史一、古代希腊原子理论一、古代希腊原子理论 德谟克利特德谟克利特(公元前公元前) ：一切物质都由微粒组成，：一切物质都由微粒组成，这种微粒无限小，世上没有比它再小的东西，因这种微粒无限小，世上没有比它再小的东西，因此它是不可再分。无数的原子在无限的空间或此它是不可再分。无数的原子在无限的空间或“虚空虚空”中运行；原子是永恒存在的，没有起因中运行；原子是永恒存在的，没有起
3、因,“不可分不可分”，也看不见，相互间只有形状、排列、，也看不见，相互间只有形状、排列、位置和大小之区别。位置和大小之区别。o每一种化学元素有一种原子；每一种化学元素有一种原子；o同种原子质量相同，不同种同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子质量不同；o原子不可再分原子不可再分;o一种原子不会转变为另一种一种原子不会转变为另一种原子原子;o化学反应只是改变了原子的化学反应只是改变了原子的结结合方式合方式,使反应前的物质变使反应前的物质变成反应后的物质成反应后的物质二、道尔顿二、道尔顿(J. Dolton) 的原子理论：的原子理论： Rutherford “太阳太阳-行星模型行星模型”的要点
4、：的要点：1.所所有有原原子子都都有有一一个个核核即即原原子子核核；2.核核的的体体积积只只占占整整个个原原子子体体积积极极小小的的一一部部分分；3.原原子子的的正正电电荷荷和和绝绝大大部部分分质质量量集集中中在在核核上上；4.电子像行星绕着太阳那样电子像行星绕着太阳那样绕核运动绕核运动。三、卢瑟福三、卢瑟福(E.Rutherford 的行星式原子模型的行星式原子模型在在对对粒粒子子散散射射实实验验结结果果的的解解释释上上,新新模模型型的的成成功功是显而易见的是显而易见的,至少要点中的前三点是如此至少要点中的前三点是如此。根根据据当当时时的的物物理理学学概概念念,带带电电微微粒粒在在力力场场中
5、中运运动动时时总总要要产产生生电电磁磁辐辐射射并并逐逐渐渐失失去去能能量量,运运动动着着的的电电子子轨轨道道会会越越来来越越小小,最最终终将将与与原原子子核核相相撞撞并并导导致致原原子子毁毁灭灭。由由于于原原子子毁毁灭灭的的事事实实从从未未发发生生,将将经经典典物物理理学学概概念推到前所未有的尴尬境地。念推到前所未有的尴尬境地。 行星式原子模型面临的窘境行星式原子模型面临的窘境 波的微粒性波的微粒性 导导致致了了人人们们对对波波的的深深层层次次认认识识，产产生生了了讨讨论论波波的的微微粒粒性性概概念念为为基基础础的的学学科科 量量子子力力学学( (quantum mechanics）。）。Ei
6、nstein的光子学说的光子学说电子微粒性的实验电子微粒性的实验Plank的量子论的量子论四、近代原子结构理论四、近代原子结构理论氢原子光谱氢原子光谱电磁波的微粒性电磁波的微粒性电磁波是通过空间传播的能量电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电可见光只不过是电磁波的一种磁波的一种。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。则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。 1900年年,普朗克普朗克(Plank M)提出著名的普朗克方程：提出著名的普朗克方程：E= hv式式中中的的h
7、叫叫普普朗朗克克常常量量(Planck constant), 其其值值为为6.62610-34Js。Plank公式公式普朗克认为普朗克认为, , 物体只能按物体只能按hv的整数倍的整数倍( (例如例如1hv,2hv,3hv等等) )一份一份地吸收或释出光能一份一份地吸收或释出光能, , 而不可而不可能是能是0.5hv,1.6hv,2.3hv等任何非整数倍。即所等任何非整数倍。即所谓的能量量子化概念。量子化是微观领域的重要谓的能量量子化概念。量子化是微观领域的重要特征。特征。普朗克提出了当时物理学界一种普朗克提出了当时物理学界一种全新全新的概念的概念, , 但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程
8、但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程( (即即吸收或释出吸收或释出) )。光电效应光电效应1905年年,爱因斯坦爱因斯坦(Einstein A)成功地将能量量子化概成功地将能量量子化概念扩展到光本身念扩展到光本身,解释了光电效应解释了光电效应(photoelectric effect)。爱爱因因斯斯坦坦认认为为,入入射射光光本本身身的的能能量量也也按按普普朗朗克克方方程程量量子子化化,并并将将这这一一份份份份数数值值为为1hv的的能能量量叫叫光光子子( (photons), ), 一一束束光光线线就就是是一一束束光光子子流流. . 频频率率一一定定的的光光子子其其能能量量都都相相同同, ,
9、光光的的强强弱弱只只表表明明光光子子的的多多少少, , 而与每个光子的能量无关。而与每个光子的能量无关。 爱爱因因斯斯坦坦对对光光电电效效应应的的成成功功解解释释最最终终使使光光的的微微粒性为人们所接受。粒性为人们所接受。微粒的波动性微粒的波动性波动性的直接证据波动性的直接证据光的衍射和绕射光的衍射和绕射灯光源灯光源德布罗依德布罗依1924 1924 年说：年说： “ “ 过过去去，对对光光过过分分强强调调波波性性而而忽忽视视它它的的粒粒性性；现现在在对对电电子子是是否否存存在在另另一一种种倾倾向向，即即过过分分强强调调它它的的粒粒性而忽视它的波性。性而忽视它的波性。”著名的德布罗依关系式著名
10、的德布罗依关系式1927年年,德布罗意（德布罗意（deBroglie1892-1987）在他的博）在他的博士论文中大胆地假定：士论文中大胆地假定：所有的实物粒子都具有跟光所有的实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性，一样的波粒二象性，引起科学界的轰动。引起科学界的轰动。1927年，年，Davissson 和和Germer 应用应用Ni晶体晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。进行电子衍射实验，证实电子具有波动性。(a)(b)微粒波动性的近代证据微粒波动性的近代证据电子的波粒二象性电子的波粒二象性KVDMP 实验原理实验原理灯光源灯光源X X射线管射线管电子源电子源波粒二象性是否只有微观物体才具
11、有？波粒二象性是否只有微观物体才具有？微观粒子电子：微观粒子电子：宏观物体子弹：宏观物体子弹：m = 1.010-2kg,=1.0103ms-1, = 6.6 10-35m实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物实物质量质量m/kg速度速度v/(m.s-1)波长波长/pm1V电压加速的电子电压加速的电子9.110-315.91051200100V电压加速的电子电压加速的电子9.110-315.91061201000V电压加速的电电压加速的电子子9.110-311.91073710000V电压加速的电电压加速的电子子9.110-315.910712He原子（原子（30
12、0K）6.610-271.410372Xe原子（原子（300K）2.310-252.410212垒球垒球2.010-1301.110-22枪弹枪弹1.010-21.01036.610-23 由由于于宏宏观观物物体体的的波波长长极极短短以以致致无无法法测测量量，所所以以宏宏观观物物体体的的波波长长就就难难以以察察觉觉，主主要要表表现现为为粒粒性性，服服从从经经典典力力学学的的运运动动规规律律。只只有有像像电电子子等等质质量量极极小小的的微微粒粒才才具具有有与与X射射线线数数量量级级相相近近的的波波长长, ,才才符符合合德布罗依公式。德布罗依公式。对高速运动着的质量很小的微观物体，如核外电对高速运
13、动着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。子，就要考察其波动性。电子波的应用电子波的应用扫描电子显微镜扫描电子显微镜ScanningElectronMicroscope扫描电镜扫描电镜硅胶整体柱硅胶整体柱四钼酸胺四钼酸胺氧化铝结晶氧化铝结晶分子筛分子筛碳纤维碳纤维光谱与原子光谱光谱与原子光谱连续光谱（连续光谱（continuousspectrum)：波长从：波长从370-650nm的连续光混合起来就是可的连续光混合起来就是可见光。见光。原子光谱谱线的分立原子光谱谱线的分立揭示电子运动能量的量子揭示电子运动能量的量子化。化。产生连续光谱的实验装置产生连续光谱的实验装置电磁波连续光谱
14、电磁波连续光谱线状光谱（原子光谱）（线状光谱（原子光谱）（linespectrum）氢原子光谱（原子发射光谱）：氢原子光谱（原子发射光谱）：真空管中含少量氢气，高压放电，真空管中含少量氢气，高压放电，发出紫外光和可见光发出紫外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连续光谱和原子发射光谱（线状光谱）比较连续光谱和原子发射光谱（线状光谱）比较原子发射光谱法，是利原子发射光谱法，是利用物质在热激发或电激用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来或离子发射特征光谱来判断物质的组成，而进判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分行元素的定性与定量分析的
15、方法。析的方法。o光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。光谱就像摄各种光谱图。光谱就像“指纹指纹”辨人一样，可以辨人一样，可以辨别形成光谱的元素。辨别形成光谱的元素。o然而，直到上世纪初，人们只知道物质在高温或然而，直到上世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。素有不同光谱。几种原子的发射光谱几种原子的发射光谱氢氢氦氦锂锂钠钠钡钡汞汞氖氖氢原子光谱和玻尔理论氢原子光
16、谱和玻尔理论氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。在可氢光谱是所有元素的光谱中最简单的光谱。在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成，见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成，其波长和代号如下所示：其波长和代号如下所示：谱线谱线HHHHH编号编号(n)12345波长波长/(nm)656.279410.175486.133434.048经典电磁场理论不能解释氢原子光谱经典电磁场理论不能解释氢原子光谱经典电磁理论认为：经典电磁理论认为：电子绕核作高速圆周运动；电子绕核作高速圆周运动；发出连续电磁波发出连续电磁波连续光谱；连续光谱；电子能量电子能量坠入原子核坠入原子核原子湮灭。原子湮灭。事实：事实：氢原子光谱是线状的（而不是连续光谱）；氢原子光谱是线状的（而不是连续光谱）；原子没有湮灭。原子没有湮灭。如何解释氢原如何解释氢原子线状光谱的子线状光谱的实验事实呢？实验事实呢？1913年丹麦青年物理学家年丹麦青年物理学家NielsBohr根据：根据：M.Plack量子论量子论(1900年年)A.Einstein光子学说光子学说(1905年年)D.Rutherford有核原子模型有核原子模型
