课件第七章-原子结构.ppt
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1、第七章 原子结构,7-1 道尔顿原子论 7-2 相对原子质量(原子量) 7-3 原子的起源和演化 7-4 原子结构的波尔行星模型 7-5 氢原子结构(核外电子运动)的量子力学模型 7-6 基态原子电子组态(电子排布) 7-7 元素周期系 7-8 元素周期性 习题,1741年 罗蒙诺索夫(俄国17111763)提出:物质构造粒子学说,但限于实验基础不够,没有引起重视。,化学原子论的创立,1756年罗蒙诺索夫提出:质量守恒定律,1785年拉瓦锡(法国化学家)明确指出:化 学反应发生了物质组成的变化,但反应前后 物质的总质量不变。,定比定律和倍比定律,1799年 普鲁斯特(法国化学家)提出定比定律:
2、 两种或两种以上的元素相互化合成某一化合物时,其重量之比例是天然一定的,人力不能增减。,1803年 道尔顿提出倍比定律: 相同的两种元素生成两种或两种以上的化合物时,若其中一种元素的质量不变,另一种元素在化合物中的相对重量成简单的整数比。,7-1 道尔顿原子论,1803年9月6日,道尔顿在他笔记中写下了原子论的要点: 1. 原子是组成化学元素的、非常微小的、不可在分割的物质微粒。在化学反应中原子保持其本来的性质。,2. 同一种元素的所有原子的质量以及其他性质完全相同。 不同元素的原子具有不同的质量以及其他性质。 原子的质量是每一种元素的原子的最根本特征。,3. 有简单数值比的元素的原子结合时,
3、原子之间就发生化学反应而生成化合物。化合物的原子称为复杂原子。 4. 一种元素的原子与另一种元素的原子化合时,他们之间成简单的数值比。 实验证实 :碳和氧有2种化合物: 一氧化碳和二氧化碳, 其中碳与氧的质量比是4:3和8:3。 道尔顿原子论十分圆满地解释了当时已知的化学反应的定量关系。,道尔顿 从“思维经济原则”出发,不能正确给出许多元素的 原子量。 例如:设氢的原子量为1,作为相对原子质量的标准,已知水中氢和氧的质量比是1:8: 若水分子是由1个氢原子和1个氧原子构成的,氧的原子量是8, 若水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的,氧的原子量便是16。 道尔顿武断地认为,可以从“思维经济原则
4、”出发,认定水分子由1个氢原子和1个氧原子构成,因而就定错了氧的原子量。,道尔顿原子论的不足,1. 道尔顿用来表示原子的符号,是最早的元素符号。 2. 图中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训要揭示科学的真理不能光凭想象, 3.客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。,贝采里乌斯的原子量,在1818和1826年,瑞典化学家贝采里乌斯(C-L. Berzelius 1779-1848)通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的原子量,纠正了道尔顿原子量的误值,为化学发展奠定了坚实的实验基础(如表)。 同时,贝采里乌斯还创造性地发展了一套表达物质化学组成和反应的符号
5、体系,他用拉丁字母表达元素符号,一直沿用至今。,贝采里乌斯原子量(1818和1826),7-2 相对原子质量(原子量),7-2-1 元素 原子序数和元素符号 7-2-2 核素、同位素和同位素丰度 7-2-3 原子的质量 7-2-4 元素的相对原子质量(原子量),基本概念 元素、原子序数和元素符号,元素: 具有一定核电荷数(等于核内质子数)的原子称为一种(化学)元素。 原子序数: 按(化学)元素的核电荷数进行排序,所得序号叫做原子序数。 元素符号: 每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号。 元素符号表达的含义:在不同场合,元素符号可以代表一种元素,或者该元素的一个原子,也可代表该元素的1摩尔原
6、子。,核素、同位素和同位素丰度,核素 具有一定质子数和一定中子数的原子(的总称)。核素品种超过2000种, 分两类 : 1.稳定核素:它们的原子核是稳定的; 2.放射性核素:它们的原子核不稳定,会自发释放出某写亚原子微粒(、等)而转变为另一种核素。,核素的表示方式,元素符号,质量数,质子数,例如: 168O、 178O、 188O,126C、 136C,即核内质子数与中子数之和。,同位素、,同位素质子数相同中子数不同的原子的总称。既多核元素中的不同核素互称同位素。 稳定同位素 3517Cl 3715Cl;126C 136C; 放射性同位素: 146C,同量异位素、同中素,同量异位素核子数(质量
7、数)相同而质子 数和中子数不同的原子(的 总称)。,例如: 6529Cu 6530Zn,同中素具有一定中子数的原子(的总称),核素 具有一定质子数和一定中子数的原 子(的总称) 元素 具有一定核电荷数(等于核内质子 数)的原子称为一种(化学)元素。 同位素质子数相同中子数不同的原子(的 总称)。既多核元素中的不同核素 互称同位素。 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)。 同中素具有一定中子数的原子(的总称),核素、同位素和同位素丰度,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。 例如,氧的同位素丰度为: f(16O)= 99.76%,
8、f(17O)= 0.04% f(18O)= 0.20%, 而单核素元素,如氟,同位素丰度为 f(19F)= 100%。,有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落。 通常所说的同位素丰度是指从地壳(包括岩石、水和大气)为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大,需特别注明。,7-3 原子的起源和演化,1 宇宙之初 2 氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧 3 过程、e过程 4 重元素的诞生 5 宇宙大爆炸理论的是非,原子结构理论的发展简史,一、古代希腊的原子理论 二、道尔顿(J. Dolton) 的原子理论-19世纪初 三、卢瑟福(E.Rutherford)的行星式原子模型 -19世纪末 四、近代原子结构理论-
9、氢原子光谱,7-4 原子结构的玻尔行星模型,7-4-1 氢原子光谱 7-4-2 玻尔理论,一 、氢原子光谱 1. 连续光谱(continuous spectrum) 2. 线状光谱(原子光谱)(line spectrum) 3. 氢原子可见光谱,氢原子光谱,一、氢原子光谱 热致发光焰火是热致发光 电致发光把气体装进真空管,真空管两端 施以高压电,气体也会发光,叫 做电致发光。,如:霓虹灯、高压汞灯、高压钠灯就是气 体的电致发光现象。 如:氢、氖发红光,氩、汞发蓝光。,光谱仪,1859年,德国海德堡大学的基尔霍夫和本生发明了光谱仪,奠定了光谱学的基础,使光谱分析成为认识物质和鉴定元素的重要手段,
10、氢原子光谱,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。 光谱图就像“指纹”辨人一样,可以辨别形成光谱的元素。 人们用光谱分析发现了许多元素,如铯、铷、氦、镓、铟等十几种。,氢原子的线状光谱,氢原子光谱,然而,直到本世纪初,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。,(从上到下)氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱,氢原子光谱,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,其波长和代号如下所示: 谱线 H H H H H 编号(n) 波长/nm 656.279 48
11、6.133 434.048 410.175 397.009 ,不难发现,从红到紫,谱线的波长间隔越来越小。 5的谱线密得用肉眼几乎难以区分。,1883年,瑞士的巴尔麦(J.J.Balmer 1825-1898)发现,谱线波长()与编号(n)之间存在如下经验方程:,n:大于2的正整数,后来,里德堡(J.R.Rydberg 1854-1919)把巴尔麦的经验方程改写成如下的形式:,上式中的常数后人称为里德堡常数,其数值为1.09677107m-1。,氢的红外光谱和紫外光谱的谱线也符合里德堡方程, 只需将1/22改为1/n12,n1=1,2,3,4;而把后一个n改写成n2=n1+1,n1+2,即可。
12、 当1=2时,所得到的是可见光谱的谱线,称为巴尔麦 当 n1=3,得到氢的红外光谱,称为帕逊系, 当 n1=1,得到的是氢的紫外光谱,称为来曼系。,氢原子光谱,巴尔麦的经验方程引发了一股研究各种元素的光谱的热潮,但人们发现,只有氢光谱(以及类氢原子光谱)有这种简单的数学关系。 类氢原子是指He+、Li2+等原子核外只有一个电子的离子。 里德堡把巴尔麦的方程作了改写大大促进了揭示隐藏在这一规律后面的本质,这是科学史上形式与内容的关系的一个典型例子。寻找表达客观规律的恰当形式是一种重要的科学思维方法。,玻尔理论的建立,1913年,年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现: 普朗克黑体辐射和
13、量子概念、 爱因斯坦光子论、 卢瑟福原子带核模型 上述三者的基础上建立了氢原子核外电子运动模型,解释了氢原子光谱,后人称为玻尔理论。,普朗克量子概念,普朗克量子概念假定: 对于一定频率的辐射,物体只能以h为单位吸收或发射它,h是一个普适常数(称为Planck常数)。h6.6255910-34JS 换言之,物体吸收或发射电磁辐射,只能以“量子”(Quantum)的方式进行,每个“量子”的能量为 (粒子性) (波动性),从经典力学来看,这种能量不连续的概念是完全不容许的,爱因斯坦的光量子论,A.Einstein:首先注意到量子假设有可能解决经典物理学所碰到的其它困难的是年轻的。 1905年,他试图
14、用量子假设去说明光电效应中碰到的疑难,提出了光量子(light quantum)概念。 他认为:辐射场就是由光量子组成,每个光量子(光子)的能量E与辐射的频率的关系是: (粒子性) (波动性) (2),他还根据他同年提出的相对论中给出的光动量和能量关系: (3) 提出光子的动量与辐射的波长有下列关系: (粒子性) (波动性) (4),采用光量子概念后,光电效应中出现的困难立 即迎刃而解,卢瑟福原子带核模型,Figure 1-1: In classical theory: 1.atoms constructed are not stable; 2.the electron would quick
15、ly spiral into the nucleus. 3. Not is the line spectra of atoms,据经典力学,电子在原子核的正电场里运行,应不断地释放能量,最后掉入原子核。如果这样,原子就会毁灭,客观世界就不复存在。,玻尔理论的要点1:,1、行星模型 假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的,正如太阳系的行星绕太阳运行一样。 这是一种“类比”的科学思维方法。因此,玻尔的氢原子模型形象地称为行星模型。后来的新量子论根据新的实验基础完全抛弃了玻尔行星模型的“外壳”,而玻尔行星模型的合理“内核”却被保留了,并被赋予新的内容。,玻尔理论的要点2:,2、定态假设
16、假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量,不会释放能量,这种状态被称为定态。 能量最低的定态叫做基态;能量高于基态的定态叫做激发态。 因此,定态假设为解释原子能够稳定存在所必需。玻尔从核外电子的能量的角度提出的定态、基态、激发态的概念至今仍然是说明核外电子运动状态的基础。,玻尔理论的要点3:,3、量子化条件 玻尔假定,氢原子核外电子的轨道不是连续的,而是分立的,在轨道上运行的电子具有一定的角动量(L=mvr,其中m电子质量,v电子线速度,r电子线性轨道的半径),只能按下式取值:,这一要点称为量子化条件。这是玻尔为了解释氢原子光谱提出它的模型所作的突破性假设。,上式中的正整数n称
17、为量子数。,如果氢原子核外电子不具有这样的量子化条件,就不可能有一定的能量。 量子化条件是违背经典力学的,是他受到普朗克量子论和爱因斯坦光子论的启发提出来的。,玻尔理论的要点4:,4、跃迁规则 电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态; 反过来,激发态的电子会放出光子,返回基态或 能量较低的激发态; 光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差,这就是跃迁规则,可以用下式来计算任一能级的能量及从一个能级跃迁到另一个能级时放出光子的能量:,由公式:,及E=E2-E1=h,当n=1时能量最低,此时能量为2.17910-18J,此时对应的半径为52.9pm,称为玻尔半径。,通过理论计算得到的波长与实验值惊人
18、的吻合,误差小于千分之一。,玻尔理论的不足与合理,新量子力学证明了电子在核外的所谓“行星轨道”是根本不存在的。 用玻尔的方法计算比氢原子稍复杂的氦原子的光谱便有非常大的误差。 玻尔理论合理的是: 核外电子处于定态时有确定的能量;原子光谱源自核外电子的能量变化。这一真理为后来的量子力学所继承。,玻尔理论的基本科学思想方法,玻尔理论的基本科学思想方法是,承认原子体系能够稳定而长期存在的客观事实,大胆地假定光谱的来源是核外电子的能量变化,用类比的科学方法,形成核外电子的行星模型,提出量子化条件和跃迁规则等革命性的概念。,玻尔及早把握了最新的科学成就信息是他获得成功的基本条件。单单这一点也值得我们学习
19、 。,Bohrs theory,Successful 1.established the concept of atomic energy levels (atomic orbit) 2. explaining the spectrum of hydrogen,Unsuccessful 1. atomic orbit is fastness 2. cant explain minuteness the spectrum of hydrogen atom,玻尔理论,尽管玻尔理论已被新量子论所代替,玻尔的科学思想却永远值得我们学习,而且,玻尔理论中的核心概念定态、激发态、跃迁、能级等并没有被完全抛
20、弃,而被新量子力学继承发展,甚至“轨道”的概念,量子力学赋予了新的内涵。,7-5 氢原子结构(核外电子运动)的量子力学模型,7-5-1 波粒二象性 7-5-2 德布罗意关系式 7-5-3 海森堡不确定原理 7-5-4 氢原子的量子力学模型,在20世纪初,有些物理学家认为: 光具有粒子性,光是粒子流,光的粒子称为光子 光的强度I =光子的密度和光子的能量 的乘积 (=h,其中是光的频率) : 光的强度:I=h,光的粒子性和光的波动性,另外物理学家认为: 光具有波动性,光是电磁波,光 的强度I和光的电磁波的振幅的平方成正比: 光的强度:I=2/4,光的波粒二象性,后来,物理学家们把光的粒子说和光的
21、波动说统一起来,提出光的波粒二象性,认为: 光兼具粒子性和波动性两重性。 因此有光的强度: I=h=2/4 (1-11),(1) 在光的频率 一定时,光子的密度()与光的振幅 的平方(Y 2)成正比: Y 2 (1-12) 即光的强度大,则光子的密度大,光波的振幅也大。 (2)光子的动量P与光的波长(l)成反比: (P=mc,E=mc2其中m是光子的质量,c是光速) P =h/ (1-13) 或 =h/P (1-13)式光的波粒二象性的数学表达式。 这表明,光既是连续的波又是不连续的粒子流。,I=h=2/4 ( 1-11)式的意义:,德布罗意关系式,1927年,年轻的法国博士生德布罗意(de
22、Broglie 1892-1987)在他的博士论文中大胆地假定:所有的实物粒子都具有跟光一样的波粒二象性,引起科学界的轰动。 这就是说,表明光的波粒二象性的关系式不仅是光的特性,而且是所有像电子、质子、中子、原子等实物粒子的特性。这就赋予这个关系式以新的内涵,后来称为德布罗意关系式: =h/P=h/mv 按德布罗意关系式计算的各种实物粒子的质量、速度和波长。,德布罗意关系式,实物颗粒的质量、速度与波长的关系,计算表明,宏观物体的波长太短,根本无法测量,也无法察觉,因此我们对宏观物体不必考察其波动性, 对高速运动着的质量很小的微观物体,如核外电子,不能忽视其波动性。 这一关系式被戴维森和革尔麦的
23、电子衍射实验所证实。,电子衍射实验表明,电子的运动并不服从经典力学(即牛顿力学)规律,因为符合经典力学的质点运动时有确定的轨道,在任一瞬间有确定的坐标和动量。,戴维森和革尔麦的电子衍射实验,Fig. X-diffracted electron diffracted,海森堡不确定原理,微观粒子不同于宏观物体,它们的运动是无轨 迹的,即在一确定的时间没有一确定的位置。 这一点可以用海森堡不确定原理来说明:,海森堡不确定原理: 对于一个物体的动量(mv)的测量的偏差(mv) 和对该物体的位置(x)的测量偏差(x)的乘积处 于普朗克常数的数量级, 即: (x)(mv)h/45.27310-35kgm2
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