清北学堂精品—化学竞赛之原子结构

第三章 原子结构
§3-1 原子核外电子运动状态 电子围绕原子核高速运转， 从最简单的原子氢光谱开始研究
1.氢原子光谱 • （1）实验事实：当极少量的高纯氢 气在高真空玻璃管中，加入高电压 使之放电，管中发出光束，使这种 光经过分光作用。在可见光区得到 四条颜色不用的谱线，如下图所 示，这种光谱叫做不连续光谱或线 状光谱。所有的原子光谱都是线性 光谱。
• 轨道 • 基态、激发态 • 引入量子数－n，1、2、3…
2.Bohr理论：
Bohr在其三点假设的基础上，运用牛顿力学定律 推算出下列关系式： r=a0n2 1312 －1 2 E=－ KJ.mol n 1 1 ν=3.29╳1015( n 1 2 n 2 2 )s-1 (n1<n2) 式中：r——氢原子轨道的半径，a0＝0.053纳米 （玻尔半径） E——氢原子轨道的能量 ν—— 氢原子中电子由高能态跃迁到低能 态时辐射光的平率 n——正整数（自然数，量 子数）。
（2）电子衍射实验：
–根据电子衍射图计算得到的电子射线的波长 与德布罗衣关系式预期的波长一致。这就证 实了电子等微观粒子具有波粒二象性。 –对于宏观物体，也可根据德布罗衣关系式计 算其波长，只不过计算出的波长极断，根本 无法测量。故其主要表现粒子性，服从牛顿 静电力学的运动规律。
2.电子的波粒二象性：
（3）物质波的统计性规律： –在电子衍射实验中，若以极弱的电子束通过金属箔 进行衍射，则电子几乎是一个一地通过金属箔。若实 验时间较短，则在照相底片上出现若干似乎不规则分 布的感光点，表明电子显粒子性。只有实验时间较 长，底片上才形成衍射环纹，显示出波动性。 –在衍射实验中，就一个电子来说，不能确定它究竟 会落在哪一点上（测不准原理），但若重复进行多次 相同的实验，就能显示出电子在空间位置上出现具有 衍射环纹的规律。这就是说，电子的波动性是电子无 数次行为的统计结果。
1.氢原子光谱
• （2）实验总结： 1885年，瑞士一位中学物
理教师J.J.Balmar(巴尔多)指出，上述谱线的 频率符合下列公式：
1 1 2 2 2 n
ν=3.289╳1015(
• 由此公式可算出：
)s-1
–当n＝3时，是Hα的频率 –当n＝4时，是Hβ的频率 –当n＝5时，是Hγ的频率 –当n＝6时，是Hδ的频率
2.Bohr理论： • 1913年，丹麦物理学家N.Bohr首次 认识到氢原子光谱与结构之间的内 在联系，并提出了氢原子结构模 型。 并用经典的牛顿 力学推导了结论
2.Bohr理论：
(1)Bohr的原子结构理论的三点假设 :
–原子核外的电子只能在有确定的半径和能量的轨道上运动。 电子在这些轨道上运动时并不辐射能量。 –在正常情况下，原子中的电子尽可能处在离核最近的轨道 上。这时原子的能量最低，即原子处于基态。当原子受到辐 射，加热或通电时获得能量后电子可能跃迁到离核较远的轨 道上去。即电子被激发到高能量的轨道上，这时原子处于激 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。 E 2 E 1 h 光的频率ν＝ –式中：E1————离核较近的轨道的能量 E2————离核较远的轨道的能量
1.光的波粒二象性：
（3）光的波粒二象性：
–由实验测定的，光的动量P与其波长λ成反 比。 h –即P＝ （h——Planck常数：6.626╳10－ 24J.s） –此式表明了光具有波粒二象性。
2.电子的波粒二象性：
（1） L．De Broglie(德布罗衣)预言：
– 对于电子这样的实物粒子，其粒子性早在发现电子时就已 得到人们的公认，但电子的波动性就不容易被发现。经过 人们长期的研究和受到波力二象性的启发。 1924 年，法 国物理学家 L ． De Broglie 认为：既然关具有波力二象 性，则电子等微观粒子也可有波动性，并指出，具有质量 h 为m，运动速率为v的粒子，相应的波长为：λ＝ h mv 即 λ＝ p –这个关系式把电子等微观粒子的波动性和粒子性的定量地 联系起来。表明：粒子的动量越大，其波长越短。
1.光的波粒二象性：
（2）光的粒子性：
1905年，A．Ainstein（爱因斯坦）应用 Planck量子论成功解释了光电效应，并提出 了光子学说。他认为光是具有粒子特征的光 子所组成，每一个电子的能量与光的频率成 正比，即光子的能量E＝hνo由此可见具有 特定频率ν的光的能量只能是光子能量E的 整数倍nE（n为自然数）。而不能是1.1E， 1.2E,2.3E……。这就是说，光的能量是量 子化的。
2.电子的波粒二象性：
（2）电子衍射实验： 1927年，Davisson和 Germer应用Ni晶体进行的 电子衍射实验证实了电子 具有波动性。将一束电子 流经过一定的电压加速后 通过金属单晶，象单色光 通过小圆孔一样发生衍射 现象，在感光底片上，得 到一系列明暗相同的衍射 环纹（如右图所示）。
2.电子的波粒二象性：来自 1.光的波粒二象性：（1）光的波动性：
1）光的干涉：指同样波长的光束在传播时， 光波相互重叠而形成明暗相间的条纹的现 象。
1.光的波粒二象性：
（1）光的波动性：
（2）光的衍射：
如右图所示，如果光是 直线传播的，则只能 如红线所示；而光的 传播如黑线所示。因 此说明光能绕过障碍 物弯曲传播，即光能 衍射。而光的干涉和 衍射实波动才有的现 象，即光具有波动 性。
2.Bohr理论：
• 根据ν＝3.29╳1015( 2 )s-1 n1 在可见光区： 当n1＝2, n2＝3 为Hα谱线的频率 n2＝4 为Hβ谱线的频率 n2＝5 为Hγ谱线的频率 n2＝6 为Hδ谱线的频率 在红外光区： 当n1＝3,n2＝4，5，6，7有一组谱线 在紫外光区： 当n1＝3, n2＝2，3，4，5也有一组谱线
1 1 2 n 2
2.Bohr理论：
（3）玻尔理论的贡献和局域性： – 贡献： • 成功的解释了氢原子光谱。 • 提出了主量子数n和能级的重要概念，为 近代原子结构的发展作出一定的贡献。 – 局限性： • 不能说明多电子原子光谱和氢原子光谱的 精细结构； • 不能说明化学键的本质。
2.Bohr理论： –产生局限性的原因： •把宏观的牛顿经典力学用于微观 粒子的运动，没有认识到电子等 微观粒子的运动必须遵循特有的 运动规律和特征，即能量量子化. 微观波粒二象性规律。