大学教材《无机及分析化学》PPT之04-原子结构.ppt
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1、 原 子 结 构 原子核(质子中子) 质子:单位正电,决定元素种类 (原子序数) 中子:不带电,影响原子相对质量 (原子量= 质子数+ 中子数) 核外电子 核外电子绕核运动,是如何运动的? 核外电子是如何排列的? 目前,对原子结构已很清楚: 第1节 原子结构理论发展简史 1、古希腊的原子论 2、道尔顿的原子论 3、汤姆逊的“葡萄干布丁”原子模型 4、卢瑟福的有核原子模型(行星原子模型) 5、玻尔原子模型 6、电子云模型 公元前四百年,哲学家对万物之源作了种种推测。 得莫克利特(希腊最卓越的唯物论者):万物由原 子产生的思想。 1、古希腊的原子论 2、道尔顿的原子论 19 世纪初,英国化学家 D
2、olton 创立原子学说,基 本观点如下: (2) 同种类的原子具有相同的性质,不同种类的原子 具有不同的性质。 (1) 一切物质由不可见的,不可再分的原子组成,原 子不能自生自灭。 (3) 每一种物质由特定的原子组成。 道尔顿原子论虽不完善,但它成为 19 世纪初化学理论 的基础,推动了化学的迅速发展。 3、汤姆逊的“葡萄干布丁”原子模型 1897年,汤姆逊发现了电子: 打破了原子不可再分的观点,人们对物质结构的 认识进入了一个新的阶段。 那么,呈电中性的原子中包含带负电的电子说明什么? 原子中必定还包含带正电的部分,那么这些正电 荷的载体是什么? 它们在原子中又如何分布? 1903 年,
3、汤姆逊提出了著名的原子结构模型“葡萄干 布丁”模型。 【汤姆逊认为】原子里面带正电的部分均匀地分 布在整个原子球体(直径约为10-10米)中, 而带负电 的电子在这个球体中游动。 电子浸于“均匀分布的正电性球体”的原子模型。 不超过某一数目的电子组成一个“壳层”;超过某一 数值时则超出部分组成新的壳层。 而且,汤姆逊计算指出: 电子壳层的排列与元素在元素周期表中的位置相对应。 汤姆逊原子模型的贡献: 可以解释光的色散、吸收现象; 元素的物理、化学性质的周期性变化; 首次提出了电子壳层的概念。 但是,汤姆逊的一位研究生卢瑟夫在几年之后 却用实验否定了汤姆逊的模型。 4、卢瑟福的有核原子模型(行星
4、原子模型) 1911年,英国物理学家卢瑟福通过“粒子散射实验 ”提出此模型。 【 粒子散射】以粒子(He核)去轰击原子。 绝大多数粒子通过金箔时并没有偏转, 极少数粒子发生激烈偏转; 有更极少的粒子被反弹回来, 【 粒子散射实验发现】 实验现象说明什么呢? 粒子在行进中遇到了原子中体积非常小,质量与正电荷都 很集中的部分,在相互排斥情况下,引起了粒子的散射。 由此推断,原子几乎是空的,每个原子一定含有一 个非常小、坚实的带正电荷的核心,卢瑟福把它称为 原子核,从而提出原子含核模型,有力地否定了汤姆 逊的原子模型。 【 粒子散射实验说明】 【卢瑟福有核原子模型的内容】 (1) 原子由带正电荷的原
5、子核及带负电荷的电子组成。 (2) 原子核的体积非常小,约为原子直径的万分之一,但 集中了全部正电荷、几乎全部的原子质量。 (3) 电子在核的外围空间运动,象行星绕太阳运转一样,行 星式原子模型。 (4) 原子核上的正电荷数目该元素在周期表上的原子序数 核外电子数,整个原子呈电中性。 成功解释了粒子散射实验, 为人类认识原子 结构增添了光辉的一页。 正确回答了原子的组成问题; 【卢瑟福有核原子模型的优越性】 【但是】人们很快意识到卢瑟夫的有核模型同经典力 学有很大的矛盾: (1) 按照经典力学,核外电子绕核运转,应辐射电磁波, 因此电子会丧失能量逐渐落向原子核,因此原子不稳定。 (2) 按经典
6、力学,电子绕核运转,应辐射连续的电磁波, 因此 原子光谱是连续的。 这些矛盾导致了玻尔原子模型的提出。 实际上原子很稳定 实际上原子光谱是线状的(不连续) 5、玻尔原子模型:已踏在量子力学的门坎 1913 年, 玻尔对核外电子大胆地提出了具有历史意义的 三点假设: (1)电子绕核圆周运动,但不辐射电磁波。 (2) 电子只在一些特定的轨道上运动。 (3) 只有当电子从一个稳定轨道跃迁到另 一个稳定轨道上时,才释放或吸收光子。 获1922 年诺贝尔物理学奖对原子结构、原子辐射的研究 但是,玻尔理论毕竟只是经典力学与量子物理的混 合物,其理论本身存在固有的内在矛盾,这种矛盾在 日新月异的实验物理和理
7、论物理中暴露无遗, 终于在 十几年之后让位于新的量子论量子力学。 1914年, 佛兰克和赫兹用实验测定了电子从原 子中电离出来所需的能量,从而直截了当地证实了 玻尔的基本设想。 6、电子云模型:量子力学来描述核外电子运动 法国物理学家德布罗意把爱因斯坦的波粒二象性推 广到实物粒子,提出实物粒子的波粒二象性,认为电 子也具有波粒二象性。 对具有波动性和粒子性的电子,显然不能用经典力 学来描述,而必须用量子力学来描述。 1926 年,薛定格用波函数来描述微观粒子的运动状态, 建 立了波函数所遵从的微分方程。 根据波函数理论,量子力学不能断言电子一定会在 核外的某一轨道上出现,而只能给出电子在某处出
8、现 的几率。 因此,我们必须放弃玻尔 的简单原子模型,以“电子云 ”的模型代替它。 Flash s4-1 电子的发现; Flash s4-2 汤姆逊实验(测定q/m); Flash s4-3 密立根油滴实验(电子质量); Flash s4-4 汤姆逊原子模型; Flash s4-5 卢瑟福有核模型 第2节 微观粒子的波粒二象性 一、氢光谱 氢光谱是不连续的,即线状光谱; 在可见光区,四条明显的谱线,H,H,H,H,其波 长分别为656.3 nm,486.1 nm,434.0 nm,410.2 nm。 1885年,巴尔麦研究发现,谱线的波长服从如下公式: R:里得堡常数,1.097373107
9、m-1; n为大于2的正整数。 当n=3 = 656.2 10-9 m = 656.3 nmH 当n=4= 686.1 10-9 m = 486.1 nmH 当n=5= 434.0 10-9 m = 434.0 nmH 当n=6 = 410.210-9 m = 410.2 nmH 后来,在紫外、红外区也发现了氢光谱的若干谱线 ,1913年里得堡提出了适用所有氢光谱的通式: R:里得堡常数,1.097373107 m-1; n1和n2为正整数,且n2 n1。 【由此可见,H光谱具有如下特征】 (1) 不连续光谱,即线状光谱。 (2) 其波长(或频率)具有一定的规律。 氢光谱的实验事实,用经典力学
10、能否解释呢? 按照麦克斯威的电磁理论,电子绕核作圆周运动, 具有加速度,因此电子要发射电磁波,因此能量不断 降低,会逐渐向原子核靠拢,最后坠入原子核,即原 子不稳定。 而且,电子能量逐渐降低,发射的光谱应该是连续的。 显然,氢光谱的实验事实,用经典力学无法解释 ,那又该如何解释呢? 二、玻尔理论 为了解释氢光谱,玻尔在普朗克的量子论和爱 因斯坦的光子学说基础之上,于1913年初,提出 了著名的玻尔原子理论(三点假设)。 1、定态假设 原子中,电子不能任意运动,只能在有确定半 径和能量的特定轨道上运动。 电子在这样的轨道上运动时,不辐射电磁波, 处于一种稳定状态。 2、跃迁假设 电子从一个定态跃
11、迁到另一定态,会放出或吸 收辐射能,辐射能的频率满足如下关系: E:轨道能量 h:Planck常数(6.626210-34 J s) 3、角动量量子化假设 电子只能在特定的轨道上运动,这些轨道上电子 的角动量M必须是h/2的整数倍。 r:轨道半径。 由于库仑力给电子提供向心力 轨道半径是量子化的 h=6.62610-34 J s,3.14159,k=9109 Nm2/C2, e=1.610-19C,m=9.110-31 kg 代入 B = 0.529 10-10 m = 52.9 pm 玻尔半径,电子离核距离的基本单位 rn = n2* 52.9 pm 此外,玻尔还指出 En = - A /
12、n2 A= 2.17910-18 J13.6 eV n为量子数,n=1,能量最低,称为基态 。其它称为激发态。 能成功解释氢光谱; 不能解释多电子原子的光谱,甚至不能解释氢 光谱的精细结构(氢光谱的每条谱线实际上是由 若干条靠近的谱线组成)。 Bohr虽然引进了经典力学中没有的量子化概念, 但它的基础仍然是经典力学。 4、玻尔理论的优点及不足 三、微观粒子的波粒二象性 爱因斯坦研究光子时认为光具有波动性和粒子 性(爱因斯坦光子学说)。 波动性表现为:光的衍射、干涉等 粒子性表现为:光电效应 对于光的本质研究,长期以来人们只注重其波动性 而忽略其粒子性。 于是,在光的波粒二象性启发下,他大胆预言
13、电子 等微观粒子也具有波粒二象性。 1924 年,德布罗意指出: 与其相反,对于实物粒子的研究,人们过分重视其 粒子性,而忽略了其波动性。 而且,德布罗意将 Einstein 的质能方程( E = m c 2) 和光子的能量公式(E = h )联立: P :粒子性物理量 :波动性物理量 此公式将二者联系起来! P:动量 同样,德布罗意认为具有动量 P 的微观粒子,其物 质波的波长为 : 1927年,得到电子衍射实验的证实 电子枪发射的高速电子流通过薄晶体片,经晶格的 狭缝射到感光荧屏,得到明暗相间的环纹,类似于光 波的衍射环纹。 说明:电子具有波动性 【例】利用德布罗意关系式计算 (1)质量为
14、9.110-31 kg,速度为6.0106 m/s的电子,其波长为多少? (2)质量为1.010-2 kg,速度为1.0103 m/s的子弹,其波长为多少? 【说明什么?】 粒子越小,波长越大,波粒二象性越明显。反之,宏观物 体质量大,波长很小,波动性不明显,通常情况下可忽略, 可用经典力学讨论其运动规律。而微观粒子必需用量子力学 来处理。 四、海森保的测不准原理 对宏观物体(如飞机),根据经典力学可以准 确地指出它在某一瞬间的速度和位置。 那么,具有波粒二象性的电子,能否也像经典力学 描述宏观物体运动状态一样,同时用位置、速度来准 确描述其运动状态呢? 1927年,德国物理学家海森保指出:
15、具有波粒二象性的微观粒子,不可能同时准确测定其 速度和位置。 h:普朗克常数(6.626 10-3 4 Js), x 表示位置的测不准量; P 表示动量的测不准量。 【表明】若运动微粒的位置测得越准确,其速度 就测得越不准确,反之亦然。 测不准原理到底说明什么呢? 核外电子不可能沿着一条玻尔理论所指的固定轨 道运动。 因此,核外电子的运动规律,只能用统计方法指 出它在核外某处出现的可能性,即概率大小。 测不准原理是不是意味着微观粒子的运动规律“不 可知”? 【请判断】 此观点极为错误。测不准原理反映了微观粒子 具有波动性,表明微观粒子的运动不服从宏观物 体运动规律所总结出来的经典力学而已。 【
16、总之】 电子是微观粒子,有其特征: 量子化、 波粒二象性、 不可能同时准确测定电子的运动速度和位置。 因此,不能用经典力学或旧量子论来解释电子 的运动规律,而要用近代量子力学理论薛定谔方 程来描述。 电子的波动性与机械波的区别? 机械波(如水波)可由机械波方程准确预测其轨迹; 虽然电子也具有波动性,但它太小,属于微观粒子, 经典力学不实用,任何人无法预测下一时刻电子的具体 轨迹。 即电子波是一种几率波,具有统计性,遵循测不准原理。 第3节 氢核外电子的运动状态 经典波(如水波): 可用波动方程来准确描述其运动轨迹。 具有波粒二象性的电子是否也有相应的波 动方程呢? 1926年,奥地利物理学家薛
17、定谔,提出了著名的薛定谔方程 描述微观粒子运动状态的方程式( 二阶偏微分方程) 势能,表示原子 核对电子的吸引 总能量 普郎克常数 电子质量 波函数 原则上讲,只要找出体系势能(V)的表达式,带入 薛定谔方程,便可得到波函数(),即求出电子的运 动状态。 但是,解薛定谔方程并非易事,至今只能求解单电 子体系(H, He+, Li2+)的薛定谔方程。在此,我们只用 其结论。 一、波函数、原子轨道 就是薛定谔方程的解。 可见,波函数就是描述核外电子运动状态的数学函数式。 (x,y,z) 量子力学中,要使所得 的解有特定物理意义, 中的n,l,m三个量子数必 须符合一定条件 n,l,m(x,y,z)
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