化学原理3原子结构1

化学原理,Chemical Principles,3,宏观现象的微观本质：微观决定了宏观物质的性质，宏观物质的性质归咎于微观。,第三章 原子构造,化学反响中，原子核不变，起变化的只是核外电子。要了解物质的性质及其变化规律，有必要先了解原子构造，特别是核外电子的运动状态。,化学的特点：既研究物质宏观上的性质及其变化，也研究物质微观上的组成和构造，宏观与微观的联系是化学学科最特征的思维方式。,主要内容：,微观粒子的运动特性及其规律：核型原子模型、氢原子光谱和 Bohr 理论、波粒二象性、测不准原理。,量子力学对氢原子的处理：波函数与原子轨道、几率密度和电子云、四个量子数、波函数的图形表示等。,核外电子的排布：多电子原子的能级、电子排布规律。,元素性质的周期性：掌握周期表中元素的分区，构造特征，熟悉原子半径、电离能、电子亲合能、电负性等的变化规律。,3.1,经典核原子模型的建立,公元前400年，希腊哲学家德谟克利特提出，世界由不可再分的原子组成。,atom: 不可再分的局部。,1805年，Dalton提出了化学原子论。,19世纪末到20世纪初，相继发现电子、质子、原子放射性，原子可以再分。,1879,年，英国物理学家克鲁克斯发现了阴极射线；,1897,年，汤姆森通过实验确定了电子的荷质比；,1909,年，美国物理学家密立根通过油滴实验测出了电子的电量和质量。,汤姆森的原子模型,原子是具有均匀分布的正电荷的球体，在正电荷的海洋中，沉浸着一定数目的电子。,(plum pudding,葡萄干布丁模型,),卢瑟福的核型原子模型,Rutherford 根据 粒子散射实验，创立了关于原子构造的 “核型原子模型 。,Ernest Rutherford,1871-1937,，新西兰，英国,原子物理学之父,核型原子模型,(,太阳,-,行星模型,),原子中心有一个原子核，它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量。,带负电的电子于核外空间绕核高速运动。,原子核体积很小，原子核外空间较大。,原子核正电荷数的测定1913年X射线实验,英国物理学家莫塞莱用高速电子轰击放电管中的不同对阴极金属材料，对产生的 K 的 X 射线波长进展分析。,元素周期表中，从一个元素到下一个元素，原子中有一个根本数量在规那么的增加，这个数量只能是原子核内的正电荷数，也就是周期表中的原子序数。,1920,年，确立了质子的概念；,1932,年，英国物理学家查德威克发现了中子；最终形成经典的原子模型。,莫塞莱经历定律：,原子的电子层受激发产生的X射线的频率的平方根与元素的原子序数成线性关系。,尽管卢瑟福正确地认识到核外电子必须处于运动状态，但将电子与核的关系比作行星与太阳的关系，却是一幅令人生疑的图像。,根据当时的物理学概念，带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量，运动着的电子轨道会越来越小，最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。,经典原子模型的困境,3.2,核外电子的运动状态,经典原子模型解决了原子的组成问题：,原子,原子核,质子,中子,电子,终究原子中核外电子的如何分布？以及运动状态如何？,光是电磁波,= c,：频率；,：波长，,c,：光速,连续光谱,3.2.1,氢原子光谱,电磁辐射光谱,不连续光谱,气体原子被激发而产生的光，分光后产生的是分立的、有明显分界的,不连续光谱,(,或线状光谱,),。,氢原子光谱,氢原子光谱仪示意图和氢原子可见光谱,氢原子可见光谱有四条颜色不同的谱线,H,、,H,、,H,、,H,频率,分别为：,4.57,10,14,s,-1,6.17,10,14,s,-1,6.91,10,14,s,-1,7.31,10,14,s,-1,n = 3, 4, 5, 6,时可以算出 ,分别等于实验中得到的氢的,4,条谱线的频率。,巴尔麦Balmer 经历公式：,除了可见光的Balmer线系，后来又发现了氢原子紫外光谱赖曼Lyman线系，红外光谱的帕邢Paschen线系，布拉开Bracket线系，普丰德Pfund线系。,1913年，瑞典物理学家里德堡Rydberg 找到了各谱线间实验规律性的关系：,R,H,为,Rydberg,常数，数值为,1.097,10,5,cm,-1,n,1,、,n,2,为正整数，,n,2, n,1,，,n = 2, 3, 4, ,氢原子各谱线与轨道能级的对应关系,绕核高速旋转的电子将不断从原子发射连续的电磁波，原子光谱应是连续的；,而且由此电子的能量逐渐降低，最后坠入原子核，使原子不复存在。,按经典核型原子模型，氢原子光谱的实验事实与经典电磁理论不符。,经典电磁理论：,3.2.2 原子构造的Bohr理论,普朗克的量子论,时间,、,速度,、,长度,、,面积,电量,：最小的单位是一个电子的电量，为,1.602,10,-19,库仑。,Max Planck,1858-1947,，德国,微观世界中，能量不能连续变化，只能以某一最小单位的整数倍变化，此最小单位为 “量子”。,以光的形式传播时，称为光量子。,E = h,h =,6.626,10,-34,J,s,Bohr的原子构造理论,Rutherford,核原子模型,M. Planck,量子论,A. Einstein,光子学说,氢原子的光谱实验,Bohr,根据,建立了,Bohr,理论,Niels Bohr,1885-1962,，丹麦,Bohr,理论的三点假设：,关于固定轨道的概念：,核外电子只能在有确定,半径,和,能量,的轨道上绕核运动。轨道的角动量要满足一定的量子化条件：,m,为电子的质量,v,是电子运动的速度,r,是轨道的半径,h,普朗克常数,n,是量子数,电子在不同的轨道上运动有不同的能量。正常情况下，电子尽可能处在离核最近的轨道上,(n=1),，即原子处于,基态,。当原子获得能量，电子可以跃迁到离核较远的高能轨道上去，原子处于,激发态,。,处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，同时释放出光能。光的频率决定于两个轨道的能量差。,E,2,：离核较远的轨道的能量,E,1,：离核较近轨道的能量,为光的频率，,h,为,Planck,常量,光的频率,h,= E,2,- E,1,Bohr,根据经典力学原理和量子化条件：,向心力,=,库仑引力,轨道的能量,E,=,轨道中电子的能量,n,为量子数，当,n =,时，电子完全脱离了原子核的束缚，能量,E,= 0,。,Bohr,理论的成功之处,成功地解释了氢原子,(,和类氢离子,),光谱产生的原因与规律性,(,里德堡,Rydberg,公式,),可解释其他发光现象 (如光的形成),可计算氢原子的电离能,提出 n 是能级的概念，为现代物质构造理论的开展做出了奉献。,Bohr理论的缺陷是未能完全冲破经典力学的束缚， 它只是在经典力学连续性概念的根底上，人为地引入了一些量子化条件，没有考虑到电子的运动不遵守经典力学定律，也没有认识到电子运动的波粒二象性。,局限,：,不能解释氢原子光谱的精细构造,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,例,1,：试计算氢原子的第一电离能是多少？,解：,氢原子的第一电离能,氢原子其它能级的能量,