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1、 第四章第四章 物质结构简介物质结构简介 2022/7/131第一节第一节 微观粒子的运动特征微观粒子的运动特征十九世纪末的物理学三大发现十九世纪末的物理学三大发现 X射线（射线（1895，伦琴，德国物理学家），伦琴，德国物理学家）放射性（放射性（1896，贝克勒尔，法国物理学家），贝克勒尔，法国物理学家）电子（电子（1897，汤姆逊，英国物理学家），汤姆逊，英国物理学家）这些发现证明了原子具有复杂的结构，揭开了物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。理学革命乃至现代科学革命的序幕。2022/7/132卢瑟福卢瑟福(ERutherford)的原子核型结构。的
2、原子核型结构。1911年年Rutherford和助手和助手Hans Geiger通过通过粒子（粒子（He2+）散射散射实验证明了原子核的存在，提出了核型原子模型。实验证明了原子核的存在，提出了核型原子模型。2022/7/133 所有原子都有一个核即原子核所有原子都有一个核即原子核(nucleus)核的体积只占整个原子体积极小的一部分核的体积只占整个原子体积极小的一部分 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上 电子像行星绕着太阳那样绕核运动电子像行星绕着太阳那样绕核运动.核型原子模型的要点：核型原子模型的要点：根据经典力学得出的结论：根据经典力学得出的结论：原子
3、会毁灭；原子会毁灭；原子发射光的光谱应为连续光谱。原子发射光的光谱应为连续光谱。都与现实形成了很大的矛盾都与现实形成了很大的矛盾2022/7/134一、氢原子光谱和波尔理论一、氢原子光谱和波尔理论连续光谱：连续光谱：自然自然实验室实验室2022/7/135原子的光谱：原子的光谱：在抽成真空的放电管中充入少量气体（如氢气），通过在抽成真空的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。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。光现象。氢气氢气氦气氦气含锂化合物含锂化合物含钠化合
4、物含钠化合物含钾化合物含钾化合物2022/7/136氢原子光谱氢原子光谱不连续的、线状的，不连续的、线状的，很有规律性很有规律性.氢原子光谱特征氢原子光谱特征:2022/7/137氢原子光谱的规律性：氢原子光谱的规律性：1885年年 巴尔麦发现：巴尔麦发现：理德堡常数理德堡常数n:大于大于2的正整数的正整数赖曼线系（紫外）赖曼线系（紫外）n1=1理德堡理德堡(包括紫外区和红外区包括紫外区和红外区)：帕邢线系（红外）帕邢线系（红外）n1=32022/7/138玻尔理论玻尔理论理论基础：理论基础：普朗克的量子论普朗克的量子论 能量是一份一份能量是一份一份不连续不连续不连续不连续的的 能量最小的单位
5、是能量最小的单位是量子量子量子量子 物质吸收和发射的能量总是量子的整数倍物质吸收和发射的能量总是量子的整数倍 The Planck equation：电磁波的频率电磁波的频率 h：普普朗克常数朗克常数 h=6.62610-34 Js 2022/7/139 Einstein的光子学说的光子学说 光是电磁波的一种，具有波粒二相性光是电磁波的一种，具有波粒二相性 一束光是由具有粒子特征的光子所组成一束光是由具有粒子特征的光子所组成 每一个光子的能量与光的频率成正比每一个光子的能量与光的频率成正比2022/7/1310玻尔理论的三点假设：玻尔理论的三点假设：稳定轨道稳定轨道稳定轨道稳定轨道 原子中的电
6、子只能在符合一定原子中的电子只能在符合一定量子化量子化量子化量子化条件的轨道上运动，在这些轨道上运动时，处于稳定条件的轨道上运动，在这些轨道上运动时，处于稳定状态，不放出也不吸收能量。状态，不放出也不吸收能量。角动量：角动量：n:量子数量子数 n=1,2,32022/7/1311 定态定态定态定态 稳定轨道中运动的电子稳定轨道中运动的电子能量能量能量能量为一为一定值定值定值定值能量能量最低最低最低最低的定态称为的定态称为基态基态基态基态，能量，能量较高较高较高较高的定态称的定态称为为激发态。激发态。激发态。激发态。轨道能量轨道能量:轨道半径轨道半径:2022/7/1312 能量的吸收与辐射能量
7、的吸收与辐射能量的吸收与辐射能量的吸收与辐射电子在不同轨道之间跃迁时，电子在不同轨道之间跃迁时，原子会吸收或辐射出光子，吸原子会吸收或辐射出光子，吸收或辐射出光子能量的多少决收或辐射出光子能量的多少决定于跃迁前后的两个轨道之差定于跃迁前后的两个轨道之差基态基态激发态激发态吸收吸收E发射光发射光EE终态终态E始态始态h2022/7/1313波尔理论的成功之处波尔理论的成功之处 解释了解释了 H 及及 He+、Li2+、Be3+的原子光谱的原子光谱Wave type H H H HCalculated value/nm 656.2 486.1 434.0 410.1Experimental val
8、ue/nm 656.3 486.1 434.1 410.2 说明了原子的稳定性说明了原子的稳定性 对其他发光现象（如光的形成）也能解释对其他发光现象（如光的形成）也能解释 计算氢原子的电离能计算氢原子的电离能波尔理论的不足之处波尔理论的不足之处 不能解释氢原子光谱的精细结构不能解释氢原子光谱的精细结构 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂 不能解释多电子原子的光谱不能解释多电子原子的光谱2022/7/1314二、微观粒子的波粒二象性二、微观粒子的波粒二象性v 爱因斯坦的光子学说：爱因斯坦的光子学说：（光具有波粒二象性）（光具有波粒二象性）v 1924年德布罗依：电子
9、等微粒也具有波粒二象性年德布罗依：电子等微粒也具有波粒二象性:1927年，戴维逊年，戴维逊 (Davissa)和和革末革末 (Germer)电子衍射实验电子衍射实验证实了德布罗依的假设证实了德布罗依的假设。2022/7/1315三、测不准原理三、测不准原理Heisenberg W1926年，年，Heisenberg提出了著名的测不提出了著名的测不准原理：准原理：位置位置位置位置的不确定程度的不确定程度x x和和动量动量动量动量的的不确定程度不确定程度P P之间有：之间有：测不准关系示意图测不准关系示意图即具有波粒二相性的微观粒子即具有波粒二相性的微观粒子和宏观物体具有完全不同的运和宏观物体具有
10、完全不同的运动特点，动特点，不能同时确定它们的不能同时确定它们的不能同时确定它们的不能同时确定它们的坐标和动量。坐标和动量。坐标和动量。坐标和动量。2022/7/1316例例1 1：（1）电子质量）电子质量m=9.1110-31 kg，若原子半径的数若原子半径的数量级为量级为10-10 m ，它的位置测不准它的位置测不准x=10-11 m（至少此值才合理），那么其速率的测不准程度至少此值才合理），那么其速率的测不准程度为多大？为多大？（2）质量质量m=10 g的宏观物体子弹，若它的位置的宏观物体子弹，若它的位置测不准测不准x=0.01 cm （已相当准确），那么其速已相当准确），那么其速率的测
11、不准程度又多大？以上计算结果说明什么率的测不准程度又多大？以上计算结果说明什么问题？问题？解：解：2022/7/1317第二节第二节 原子核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态一、薛定谔一、薛定谔Schrdinger方程方程Schrodinger E1926年，奥地利物理学家年，奥地利物理学家Schrdinger提提出描述核外电子运动状态的波动方程，出描述核外电子运动状态的波动方程，即即Schrdinger方程方程m 粒子质量粒子质量 E 粒子总能量粒子总能量V 势能势能 x,y,z 粒子的空间坐标粒子的空间坐标 描述粒子运动状态的波函数描述粒子运动状态的波函数2022/7/1318的物理意
12、义：的物理意义：没有明确的物理意义，只没有明确的物理意义，只是是 说明电子的运动受它控制说明电子的运动受它控制 空间某一点电子出现的空间某一点电子出现的概率密度概率密度概率密度概率密度 空间单位微体积内出现的几率空间单位微体积内出现的几率2022/7/1319直角坐标与球极坐标的相互转换直角坐标与球极坐标的相互转换2022/7/1320Schrdinger方程的求解方程的求解 由波动方程可以解出一系列波函数由波动方程可以解出一系列波函数1,2,3，代表电子代表电子在原子中的各种运动状态，它们是三维在原子中的各种运动状态，它们是三维(r,，)空间坐标函数。空间坐标函数。一个确定的波函数对应电子一
13、个确定的能量和在空间某一位一个确定的波函数对应电子一个确定的能量和在空间某一位置的几率。置的几率。引入三常数引入三常数 n,l,mn,l,m，得到合理的解得到合理的解 主量子数（决定电子层数）主量子数（决定电子层数）角量子数（同一层中不同分层）角量子数（同一层中不同分层）的形状的形状 磁量子数（磁量子数（的伸展方向）的伸展方向）每一组合理的每一组合理的n,l,m对应一个合理的对应一个合理的2022/7/13211492022/7/1322 氢原子的一些波函数和能量（氢原子的一些波函数和能量（a0=53pm）n、l、m值值n,l,m(r,)能量能量/J1,0,02.17910182,0,05.4
14、4710192,1,02,1,12022/7/1323二、四个量子数二、四个量子数 主量子数（主量子数（n）n=1,2,3,K,L,M 描述电子出现几率最大区域描述电子出现几率最大区域离核的远近离核的远近离核的远近离核的远近，或代表，或代表电子层数电子层数电子层数电子层数。n是决定原子内电子是决定原子内电子能量高低能量高低能量高低能量高低的主要因素。的主要因素。单电子体系：单电子体系：n=4.不同的不同的n 值，对应于值，对应于不同的电子壳层不同的电子壳层2022/7/1324 角量子数角量子数l l=0,1,2 n-1 s,p,d 与与角动量有关角动量有关 l 决定了原子轨道的决定了原子轨道
15、的形状形状形状形状 多电子多电子多电子多电子原子中，和原子中，和n共同决定轨道共同决定轨道能量能量能量能量 n与与l 取值关系取值关系nl12340000s111p22d3f s 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形d轨轨道道的的两两种种形形状状单电子：单电子：E3s=E3p=E3d多电子：多电子：E3s E3p 95%)2022/7/1331波函数与电子云图形波函数与电子云图形R n,l(r)：波函数的波函数的径向部分径向部分径向部分径向部分，由，由n,l n,l 决定决定Y l,m(,)：波函数的波函数的角度部分角度部分角度部分角度部分，由，由l,ml,m 决定决定 R2 n,l(r)
16、：电子云电子云(2)径向密度分布径向密度分布径向密度分布径向密度分布r2R2 n,l(r)：电子云电子云(2)径向分布径向分布径向分布径向分布 （电子在离核半（电子在离核半 径为径为r r单位厚度的薄球壳内单位厚度的薄球壳内 出现的几率）出现的几率）Y2 l,m(,)：电子云电子云(2)角度分布角度分布角度分布角度分布 2022/7/1332氢原子一些波函数的径向部分和角度部分氢原子一些波函数的径向部分和角度部分轨轨 道道n,l,m(r,)Rn(r)Yl,m(,)1s2s2px2py2pz2022/7/1333波函数的角度分布图：波函数的角度分布图：是角度函数是角度函数Y l,m(,)随随,变化的图象。变化的图象。s轨道：轨道：l=0,m=0从坐标原点出发，引出方向为从坐标原点出发，引出方向为(,)的直线，取其长度为的直线，取其长度为Y，把各个端点把各个端点连接起来在空间构成曲面。连接起来在空间构成曲面。操作：操作：+2022/7/1334p轨道：轨道：l=1,m=0,1+-+-+30602022/7/1335d轨道：轨道：l=2m=0,1,2+-2022/7/1336电子云的角度分布
