第一讲 原子结构模型与微观粒子运动
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En 13.6 eV 2 n
（3）当电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原 子就会吸收能量或放出能量。当电子从能量较高 的轨道跃迁到能量较低的轨道时，原子以光的形 式释放出能量，释放出光的频率与轨道能量间的 关系为：
E2 E1 v h
玻尔理论成功地解释了原子稳定存在的事 实和氢原子光谱
在正常状态时，核外电子处于最低的基态，在该状 态下运动的电子既不吸收能量，也不放出能量，电子的 能量不会减少，因此不会落到原子核上，原子不会毁灭。 当原子从外界接受能量时，电子就会跃迁到能量较 高的激发态。而处于激发态的电子是不稳定的，它会跃 迁回能量较低的轨道，同时将能量以光的形式发射出来， 发射出的光的频率决定于跃迁前后两个轨道间的能量差。 由于轨道的能量是不连续的，发射出的光的频率也是不 连续的，因此得到的氢原子光谱是线状光谱。
35
第二节 微观粒子运动的特殊性
主要内容
微观粒子的波粒二象性 微观粒子运动的统计规律
一、微观粒子的波粒二象性 德布罗意预言
1927年，年轻的法国博士生德布罗意 （de 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。
近 代 原 子 论
发 现 电 子
带 核 原 子 结 构 模 型
轨 道 原 子 结 构 模 型
电 子 云 模 型
二、氢原子光谱
1.光和电磁辐射
红
橙
黄 绿
青 蓝
紫
到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。 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。
后来，Tomson提出“西瓜式”模型，他
的儿子小Tomson也做了类似的实验，同样得到 一个明暗相间的环纹。 这两个实验验证了德布罗意的设想。
电子衍射实验示意图
用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击 感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波
的衍射环纹。
电 子 枪
电 子 束
薄晶体片
感光屏幕
原子结构与元素周期系
h 4mx
6.6210 3 2 4 3.141010 0.0410
5.2710
29
34
m s
1
∴ 对宏观物体可同时测定位置与速度
原子结构与元素周期系
46
例2: 对于微观粒子如电子, m = 9.11 10-31 Kg, 半径 r = 10-10 m，则x至少要达到10-11 m才相 对准确，则其速度的测不准情况为：
原子结构与元素周期系
48
2.微观粒子的运动怎么样用统计学的规律来描述
电 子 枪
电 子 束
卢瑟福的原子结构理论遇到的问题
根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波 （能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着 一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。 这样一来，原子就被破坏了。 实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰 撞的情况。这又怎样解释呢？
RH为里德堡常量, 实验确定为1.096 77×107 m-1 。
The allowed values for n in above equation n1 n2 Name Lyman series Balmer series Paschen series Brackett series Pfund series
Heisenberg测不准原理 (2)
Δx ·Δp≥ h/(4π)
式中： x 表示位置测不准量，
P 表示动量测不准量，
h 为普朗克常数 (6.626 10-34J· s)， 为圆周率， 微观粒子的运动不遵循经典力学的规律。
例1: 对于 m = 10 克的子弹，它的位置可精到 x ＝ 0.01 cm,其速度测不准情况为：
波尔的电子分层排布原子模型
电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。 他应用当时物理学中新发展起来的量子论，指出电子按着固 定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的，所以电子不会 掉到原子核上去。他还指出，电子在原子核外面只能在一定的轨道 上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。
ν R (
1
2
n1 n2 1 ν:谱线频率(S ) 1 5 1 R :里德堡常数，R 3.289 10 S n 1 2,n 2为2的正整数
1
) 2
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：
1 1 1 ~ 巴尔麦经验公式 RH ( 2 2 ) 2 n
1 2 3 4 5 2,3,4,… 3,4,5,… 4,5,6,… 5,6,7,… 6,7,8,…
对于氢原子的可见区的四条谱线： n=3 n=4 红 青 （H） （H ）
n=5
n=6
蓝紫 （ H ）
紫 （Hδ ）
为什么是不连续的线状光谱？ 四条谱线为什么这样分布？
三、玻尔原子模型
高手笔记：电子云是电子在核外空间各处出现概率密度大小的形象化描述。 注意：①电子云是一个形象化描述 ②一个小黑点不代表一个电子 ③电子云的疏密代表电子在那里出现的概率密度的大小
也就是说，原子中的、 受束缚的电子不是像行星 绕太阳运转那样在确定的 时刻处于确定的位置的。
玻尔理论的出现解决了什么问题呢？让我们先一起来看看有关的知识背景。
此观点的要点：
任何物质（包括宏观和微观）的运动都伴随波 的传播。
宏观物体和微观粒子具有粒子性的同时还具有
波动性。 宏观物质的波长非常小，小到无法测出来，也 感觉不到，所以主要表现是粒子性的一面。
1927年，美国科学家Davission和Germer 应用Ni晶体进行电子衍射实验，得到一个明暗 相间的环纹，从而证实了电子具有波动性。
玻尔理论局限性
对氢原子光谱的精细结构无法说明 不能说明多电子原子光谱
结论：量子性是微观世界的重要特征，要正确 客观地反映微观世界微粒运动的规律，就必 须用建筑在微观世界的量子性和微粒运动的 统计性这两个基本特征基础上的量子力学来 描述。微观粒子运动具有粒子性的同时还具 有波动性。
原子结构与元素周期系
第一章 原子结构与周期系
原子结构理论的发展概况
微观粒子运动的特殊性
量子力学对核外电子运动状态的描述
核外电子的排布
元素周期表
元素某些性质的周期性
原子结构与元素周期系
1
第一节 原子结构理论的发展概况
原子结构模型 氢原子光谱 玻尔（Bohr)理论
原子结构与元素周期系
2
一、原子结构模型
H He Li Na Ba Hg Ne
然而，直到20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。
2.氢原子光谱
氢光谱在可见范围内有四根比较 明显的谱线：一条红、一条青、一条 蓝、一条紫，通常用H、H、H、 Hδ来表示，它们的波长依次为： 656.2nm、486.1nm、 434.0nm、410.2nm 。
如果能量以光的形式传播，光子能量与 光的频率成正比（最小单位—光子） E=hν
E—光子的能量
h—普朗克常数
ν—光的频率
玻尔的原子结构模型的三个基本要点：
（1）电子只能在某些特定的圆形轨道上绕核运动， 在这些轨道上运动的电子既不放出能量，也不吸收能 量。 （2）电子在不同轨道上运动时，它的能量是 不同的。电子在离核越远的轨道上运动时，其能量越 高；在离核越近的轨道上运动时，其能量越低。轨道 的这些不同的能量状态称为能级，其中能量最低的状 态称为基态，其余能量高于基态的状态称为激发态。 原子轨道的能量是量子化的，氢原子轨道的能量为：
h 4mx 6.621034 31 11 4 3.14 9.1110 10 6 1 5.2910 m s
∴若m非常小，则其位置与速度是不能同时 准确测定的
原子结构与元素周期系
wenku.baidu.com
47
结论：测不准关系很好地反映了微观粒 子的运动特征——波粒二象性；根据量 子力学理论，对微观粒子的运动规律只 能采用统计的方法作出几率性的判断。 测不准关系促使我们对微观世界的客观 规律有了更全面更深刻的理解。
德布罗意关系式
质量为 m ,运动速度为v 的粒子,
相应的波长为：
h / mv h / p
h 6.626 10 P lanck 常量
34
J s
光的波粒二象性
波动性：波长、频率、干涉、衍射等 粒子性：质量、速度、能量、动量等
粒子性：所谓粒子性就是批运动时具有动能和动量 的物体就可以认为是微粒。 波动性：微粒流在运动中若表现出波的特性，就认为具 有波动性。
英国科学家卢瑟福 （E.Rutherford,1871~1937)
原子核 他认为：在原子的中心有一个很小的______ ，原子的全 部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负电的 电子 在核外空间绕核运动，就像行星绕太阳运动那样。 ______
卢瑟福的原子结构理论
将原子结构比喻像个小小的太阳系，中心是带阳电荷的原子核，外 面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太阳 转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸引力。
汤姆生“西瓜 式”原子模型
原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子， 中和了正电荷，从而形成了中性原子。
电子似西瓜籽
α粒子散射实验（1909年） ——Rutherford 核式模型
卢瑟福和他的助手做了著 名α粒子散射实验。根据 实验，卢瑟福在1911年提出 原子有核模型。 卢瑟福原子模型（又称行 星原子模型）：原子是由 居于原子中心的带正电的 原子核和核外带负电的电 子构成。原子核的质量几 乎等于原子的全部质量， 电子在原子核外空间绕核 做高速运动。
1913年，28岁的Bohr在
爱因斯坦的光子学 普朗克的量子化学 氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型 的基础上，建立了Bohr理论
plank量子化理论 （德国物理学家普朗克）
物质辐射能的吸收或发射是不
连续的，是以最小能量单位——量
子的整数倍作跳跃式的增或减，这
种过程叫做能量的量子化。
爱因斯坦的光子论
衍射环纹
42
（a）X 射线衍射图
（b）电子衍射图
X 射线衍射图和电子衍射图
二、微观粒子运动的统计规律
Heisenberg测不准原理 (1) 具有波粒二象性的微观粒 子，不能同时测准其位置 和速度（动量）。如果微 粒的运动位置测得愈准确， 则相应的速度愈不易测准， 反之亦然。
海森堡 Werner Carl Heisenberg 1902-1972 德国物理学家 获1932年Nobel物理奖
道尔顿原子模型
英国科学家道尔顿 （Dalten 1766— 1844）把古代模糊的 原子假说发展为科学 的原子理论，为近代 化学的发展奠定了重 要的基础。恩格斯曾 誉称他为“近代化学 之父”。 原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球。 按照道尔顿的理论，原子是既不能创造，也不能毁灭，又不能再分割的 最最基本的物质粒子。那么，放电管中的“射线”是什么呢？汤姆逊用实 验回答说：是电子，并且在各种元素的原子中都有电子。这样看来，原子 就不是不可再分的了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！
电子是分层按一定轨道绕核高速运动，这 分层 模型。 种原子模型叫做_______
电子云这个名词是用 来描述原子或分子中电子 在原子核外围各区域出现 的概率的。为了直观，把 电子的这种概率分布状况 用图像表示时，以不同的 浓淡代表概率的大小，其 结果如同电子在原子核周 围形成了云雾，所以叫电 子云。
氢原子光谱的特征：
♦ 不连续光谱，即线状光谱； ♦ 从H-Hδ频率有明显的规律性。
1883年J.J.Balmer针对氢原子光谱的
频率，提出下面经验公式：
n2 B 2 , n=3,4,5, n 4
式中B=364.56nm。由这式计算所得的波长数值在实
.
验误差范围内同测得的数值是一致的。后人称这公式 为巴耳末公式，它所表达的一组谱线称作巴耳末系。
（3）当电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原 子就会吸收能量或放出能量。当电子从能量较高 的轨道跃迁到能量较低的轨道时，原子以光的形 式释放出能量，释放出光的频率与轨道能量间的 关系为：
E2 E1 v h
玻尔理论成功地解释了原子稳定存在的事 实和氢原子光谱
在正常状态时，核外电子处于最低的基态，在该状 态下运动的电子既不吸收能量，也不放出能量，电子的 能量不会减少，因此不会落到原子核上，原子不会毁灭。 当原子从外界接受能量时，电子就会跃迁到能量较 高的激发态。而处于激发态的电子是不稳定的，它会跃 迁回能量较低的轨道，同时将能量以光的形式发射出来， 发射出的光的频率决定于跃迁前后两个轨道间的能量差。 由于轨道的能量是不连续的，发射出的光的频率也是不 连续的，因此得到的氢原子光谱是线状光谱。
35
第二节 微观粒子运动的特殊性
主要内容
微观粒子的波粒二象性 微观粒子运动的统计规律
一、微观粒子的波粒二象性 德布罗意预言
1927年，年轻的法国博士生德布罗意 （de 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。
近 代 原 子 论
发 现 电 子
带 核 原 子 结 构 模 型
轨 道 原 子 结 构 模 型
电 子 云 模 型
二、氢原子光谱
1.光和电磁辐射
红
橙
黄 绿
青 蓝
紫
到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。 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。
后来，Tomson提出“西瓜式”模型，他
的儿子小Tomson也做了类似的实验，同样得到 一个明暗相间的环纹。 这两个实验验证了德布罗意的设想。
电子衍射实验示意图
用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击 感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波
的衍射环纹。
电 子 枪
电 子 束
薄晶体片
感光屏幕
原子结构与元素周期系
h 4mx
6.6210 3 2 4 3.141010 0.0410
5.2710
29
34
m s
1
∴ 对宏观物体可同时测定位置与速度
原子结构与元素周期系
46
例2: 对于微观粒子如电子, m = 9.11 10-31 Kg, 半径 r = 10-10 m，则x至少要达到10-11 m才相 对准确，则其速度的测不准情况为：
原子结构与元素周期系
48
2.微观粒子的运动怎么样用统计学的规律来描述
电 子 枪
电 子 束
卢瑟福的原子结构理论遇到的问题
根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波 （能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着 一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。 这样一来，原子就被破坏了。 实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰 撞的情况。这又怎样解释呢？
RH为里德堡常量, 实验确定为1.096 77×107 m-1 。
The allowed values for n in above equation n1 n2 Name Lyman series Balmer series Paschen series Brackett series Pfund series
Heisenberg测不准原理 (2)
Δx ·Δp≥ h/(4π)
式中： x 表示位置测不准量，
P 表示动量测不准量，
h 为普朗克常数 (6.626 10-34J· s)， 为圆周率， 微观粒子的运动不遵循经典力学的规律。
例1: 对于 m = 10 克的子弹，它的位置可精到 x ＝ 0.01 cm,其速度测不准情况为：
波尔的电子分层排布原子模型
电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。 他应用当时物理学中新发展起来的量子论，指出电子按着固 定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的，所以电子不会 掉到原子核上去。他还指出，电子在原子核外面只能在一定的轨道 上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。
ν R (
1
2
n1 n2 1 ν:谱线频率(S ) 1 5 1 R :里德堡常数，R 3.289 10 S n 1 2,n 2为2的正整数
1
) 2
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：
1 1 1 ~ 巴尔麦经验公式 RH ( 2 2 ) 2 n
1 2 3 4 5 2,3,4,… 3,4,5,… 4,5,6,… 5,6,7,… 6,7,8,…
对于氢原子的可见区的四条谱线： n=3 n=4 红 青 （H） （H ）
n=5
n=6
蓝紫 （ H ）
紫 （Hδ ）
为什么是不连续的线状光谱？ 四条谱线为什么这样分布？
三、玻尔原子模型
高手笔记：电子云是电子在核外空间各处出现概率密度大小的形象化描述。 注意：①电子云是一个形象化描述 ②一个小黑点不代表一个电子 ③电子云的疏密代表电子在那里出现的概率密度的大小
也就是说，原子中的、 受束缚的电子不是像行星 绕太阳运转那样在确定的 时刻处于确定的位置的。
玻尔理论的出现解决了什么问题呢？让我们先一起来看看有关的知识背景。
此观点的要点：
任何物质（包括宏观和微观）的运动都伴随波 的传播。
宏观物体和微观粒子具有粒子性的同时还具有
波动性。 宏观物质的波长非常小，小到无法测出来，也 感觉不到，所以主要表现是粒子性的一面。
1927年，美国科学家Davission和Germer 应用Ni晶体进行电子衍射实验，得到一个明暗 相间的环纹，从而证实了电子具有波动性。
玻尔理论局限性
对氢原子光谱的精细结构无法说明 不能说明多电子原子光谱
结论：量子性是微观世界的重要特征，要正确 客观地反映微观世界微粒运动的规律，就必 须用建筑在微观世界的量子性和微粒运动的 统计性这两个基本特征基础上的量子力学来 描述。微观粒子运动具有粒子性的同时还具 有波动性。
原子结构与元素周期系
第一章 原子结构与周期系
原子结构理论的发展概况
微观粒子运动的特殊性
量子力学对核外电子运动状态的描述
核外电子的排布
元素周期表
元素某些性质的周期性
原子结构与元素周期系
1
第一节 原子结构理论的发展概况
原子结构模型 氢原子光谱 玻尔（Bohr)理论
原子结构与元素周期系
2
一、原子结构模型
H He Li Na Ba Hg Ne
然而，直到20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。
2.氢原子光谱
氢光谱在可见范围内有四根比较 明显的谱线：一条红、一条青、一条 蓝、一条紫，通常用H、H、H、 Hδ来表示，它们的波长依次为： 656.2nm、486.1nm、 434.0nm、410.2nm 。
如果能量以光的形式传播，光子能量与 光的频率成正比（最小单位—光子） E=hν
E—光子的能量
h—普朗克常数
ν—光的频率
玻尔的原子结构模型的三个基本要点：
（1）电子只能在某些特定的圆形轨道上绕核运动， 在这些轨道上运动的电子既不放出能量，也不吸收能 量。 （2）电子在不同轨道上运动时，它的能量是 不同的。电子在离核越远的轨道上运动时，其能量越 高；在离核越近的轨道上运动时，其能量越低。轨道 的这些不同的能量状态称为能级，其中能量最低的状 态称为基态，其余能量高于基态的状态称为激发态。 原子轨道的能量是量子化的，氢原子轨道的能量为：
h 4mx 6.621034 31 11 4 3.14 9.1110 10 6 1 5.2910 m s
∴若m非常小，则其位置与速度是不能同时 准确测定的
原子结构与元素周期系
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47
结论：测不准关系很好地反映了微观粒 子的运动特征——波粒二象性；根据量 子力学理论，对微观粒子的运动规律只 能采用统计的方法作出几率性的判断。 测不准关系促使我们对微观世界的客观 规律有了更全面更深刻的理解。
德布罗意关系式
质量为 m ,运动速度为v 的粒子,
相应的波长为：
h / mv h / p
h 6.626 10 P lanck 常量
34
J s
光的波粒二象性
波动性：波长、频率、干涉、衍射等 粒子性：质量、速度、能量、动量等
粒子性：所谓粒子性就是批运动时具有动能和动量 的物体就可以认为是微粒。 波动性：微粒流在运动中若表现出波的特性，就认为具 有波动性。
英国科学家卢瑟福 （E.Rutherford,1871~1937)
原子核 他认为：在原子的中心有一个很小的______ ，原子的全 部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负电的 电子 在核外空间绕核运动，就像行星绕太阳运动那样。 ______
卢瑟福的原子结构理论
将原子结构比喻像个小小的太阳系，中心是带阳电荷的原子核，外 面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太阳 转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸引力。
汤姆生“西瓜 式”原子模型
原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子， 中和了正电荷，从而形成了中性原子。
电子似西瓜籽
α粒子散射实验（1909年） ——Rutherford 核式模型
卢瑟福和他的助手做了著 名α粒子散射实验。根据 实验，卢瑟福在1911年提出 原子有核模型。 卢瑟福原子模型（又称行 星原子模型）：原子是由 居于原子中心的带正电的 原子核和核外带负电的电 子构成。原子核的质量几 乎等于原子的全部质量， 电子在原子核外空间绕核 做高速运动。
1913年，28岁的Bohr在
爱因斯坦的光子学 普朗克的量子化学 氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型 的基础上，建立了Bohr理论
plank量子化理论 （德国物理学家普朗克）
物质辐射能的吸收或发射是不
连续的，是以最小能量单位——量
子的整数倍作跳跃式的增或减，这
种过程叫做能量的量子化。
爱因斯坦的光子论
衍射环纹
42
（a）X 射线衍射图
（b）电子衍射图
X 射线衍射图和电子衍射图
二、微观粒子运动的统计规律
Heisenberg测不准原理 (1) 具有波粒二象性的微观粒 子，不能同时测准其位置 和速度（动量）。如果微 粒的运动位置测得愈准确， 则相应的速度愈不易测准， 反之亦然。
海森堡 Werner Carl Heisenberg 1902-1972 德国物理学家 获1932年Nobel物理奖
道尔顿原子模型
英国科学家道尔顿 （Dalten 1766— 1844）把古代模糊的 原子假说发展为科学 的原子理论，为近代 化学的发展奠定了重 要的基础。恩格斯曾 誉称他为“近代化学 之父”。 原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的、不可再分的实心球。 按照道尔顿的理论，原子是既不能创造，也不能毁灭，又不能再分割的 最最基本的物质粒子。那么，放电管中的“射线”是什么呢？汤姆逊用实 验回答说：是电子，并且在各种元素的原子中都有电子。这样看来，原子 就不是不可再分的了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！
电子是分层按一定轨道绕核高速运动，这 分层 模型。 种原子模型叫做_______
电子云这个名词是用 来描述原子或分子中电子 在原子核外围各区域出现 的概率的。为了直观，把 电子的这种概率分布状况 用图像表示时，以不同的 浓淡代表概率的大小，其 结果如同电子在原子核周 围形成了云雾，所以叫电 子云。
氢原子光谱的特征：
♦ 不连续光谱，即线状光谱； ♦ 从H-Hδ频率有明显的规律性。
1883年J.J.Balmer针对氢原子光谱的
频率，提出下面经验公式：
n2 B 2 , n=3,4,5, n 4
式中B=364.56nm。由这式计算所得的波长数值在实
.
验误差范围内同测得的数值是一致的。后人称这公式 为巴耳末公式，它所表达的一组谱线称作巴耳末系。