第8章原子结构

微观粒子具有波粒二象性。电子可以产生衍射，具有与之对应的波长。电子的质量很小 ，
而其波长与其线性大小接近，故其波动性较显著。对于宏观物体，质量很大，其波长与物体
本身大小相比可以忽略，基本上没有波动性，仅表现为粒子性。
3、测不准原理
海森堡提出的测不准关系式： x Px h 或
x h ，表明了不可能同时准确地测 mv x
得电子的动量和空间位置。测不准原理适用于一切微观粒子，也指出了微观粒子与宏观物体
的本质区别。
2
宏观物体可以根据经典力学指出它们在某一瞬间的动量（速度）和位置（坐标）。但对
具有波粒二象性的微观粒子的运动来说，就不可能同时准确测定其在某瞬间的速度和位置。
因为若用光学显微镜去观察原子中电子的位置，光遇到大小与其波长相ห้องสมุดไป่ตู้的物体会产生衍射，
寻常的重要意义，并以个人名义给予大力支持。3 年后，德布罗依的这一预言竟奇迹般地由 戴维逊和革末首先用慢电子进行电子衍射实验所证实，同时乔治、佩吉特、汤姆逊也独立地
用快中子完成了类似的实验，从而证实了德布罗依的预言。1929 年，德布罗依荣获诺贝尔物 理学奖。他的理论工作奠定了电子显微镜和电子衍射技术的基础。
而光被实物吸收或与实物相互作用时，如实物发射光（如原子光谱）、吸收光（如吸收光谱、
光电效应）和散射光等现象，必须用微粒说来解释。
2．微观粒子的波粒二象性 1924，32 岁的法国物理学家德布罗依在光的波粒二象性的启示下，在其博士论文中提出 了一个关于“物质波”的大胆假设，认为象电子等微观粒子也具有粒子性和波动性，并建议
故物体位置测量的准确性受入射光波长的限制。电子是极小的微粒，要准确测定其位置必须
使用极短波长的光，但根据式（8.2），光的波长越短，其光子的动量越高，若以此高能光子 测量电子的位置，光子与电子相碰时就会将能量传给电子，引起电子动能很大变化；反之若 用长波的光，电子动量变化不大，但其位置的测量误差加大。因此，具有波动性的微观粒子
用电子在晶体上的衍射实验来验证。德布罗依提出的德布罗依关系式 h h 与爱因斯坦 P mv
提出的 P = h 形式上虽然相同，但实际上是一个完全崭新的假定，后者只适用于没有静止质
量只有运动质量的光子，而前者则已推广至有静止质量的实物微粒了。当时，这一假定使科
学界大为震惊，并受到许多知名科学家的嘲讽。但爱因斯坦立即就看出了这一假设可能有不
第八章 原子结构
元素在周期表中的位置是按其原子序数（即核电荷数）的大小排列的。元素性质的周期 性与原子核外电子的数目及排布方式（即电子构型）相关。原子的电子层结构是决定元素化 学性质的重要因素。
8.1 氢原子光谱和玻尔理论
8.1.1 电磁辐射和普朗克量子论 量子化就是不连续的意思。如果某一物理量的变化是不连续的，是以某一最小的单位作 跳跃式的增加或减小的，我们就称这一物理量是量子化的，而最小基本单位就叫做这一物理 量的“量子”。 微观粒子的能量是量子化的。 8.1.2 氢原子光谱 太阳光是复合光，经棱镜折射后可以得到按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的次序有规律 分布的连续光谱（带状光谱）。 如果将装有高纯度低压氢气的放电管放出的光通过棱镜，则得到不连续的线状光谱，亦 称为原子光谱。原子光谱中谱线的位置与受激发的原子的种类有关，即每种原子受激发后得 到的原子光谱都有其特征谱线，与该种原子的内部结构有关，故可借此进行定性分析。 瑞士巴尔麦发现了氢原子光谱可见光区四条谱线频率之间的关系。以后瑞典里德堡进而 提出了氢原子光谱中各谱线（包括红外光区、可见光区、紫外光区）频率的经验计算通式（见 教材式 8.4）。 8.1.3 玻尔理论 过去对原子的结构一般认为，电子绕核运行如同行星在其轨道上绕太阳运动一样。1911 年卢瑟福发现，由镭放射出的α粒子在入射金箔片时，极大部分α粒子能够径直穿过金箔直 线前进，只有极少数发生偏斜，个别α粒子甚至被反弹回来。根据这一α粒子散射实验的事 实，他认为原子是由两部分构成的：中央有一颗微小的带电的原子核，原子核的周围是稀疏 分布着电子的空间。极少数α粒子发生偏斜、个别甚至返回发生散射的事实，正是带正电的 α粒子与原子中体积很小、带正电荷的原子核相遇而引起的。由此卢瑟福提出了核型原子模 型：原子中央的原子核荷正电，体积小，直径约为 10-10cm，是原子直径的十万分之一。核外 有若干电子在绕核运转，电子荷负电，电量为 1.60210-19C，电子质量仅为氢原子质量的 1/1840。电子在整个原子中所占空间极小。整个原子呈电中性。 但若原子的结构真若如此，那么按经典电磁理论，带电电子绕核运转，原子就会以电磁 波的形式不断释放能量，即原子的发射光谱应为连续光谱；同时，电子绕核运转的最后结局 是电子坠落到原子核里，原子将湮灭而不复存在。而事实上人们发现氢原子光谱是线状光谱， 而氢原子也能稳定存在。经典物理学与卢瑟福核型原子模型一起陷入了困境。 卢瑟福的助手、28 岁的丹麦物理学家玻尔根据普朗克的量子论、卢瑟福的核型原子模型 以及氢原子光谱的事实，提出了关于原子结构的几项假设，后人称其为玻尔理论，其要点为： (1) 电子只能沿某些特定的圆形定态轨道绕核运动，此时既不吸收能量也不放出能量。 (2) 轨道能量是量子化的，电子的能量也是量子化的。
1
氢原子的各种定态轨道的半径
r
=
n2×52.9pm，能 量
En


2.179 1018 n2
J
。当电子在 n
=
1 的轨道中运动时，原子处于基态，能量最低，该轨道半径为 52.9pm；当电子在 n>1 的轨道
中运动时，原子处于激发态，能量较高。
(3) 电子在不同轨道间跃迁时，有能量的吸收或辐射。从高能级(E2)向低能级(E1)跃迁时， 若以光能形式辐射：
E2 E1 h
玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律性。玻尔理论的主要贡献是提出了微观体系特
有的量子化条件，成功解释了氢原子结构和氢原子光谱，然而他虽然引进了量子化条件，但
仍然沿用经典力学中的固定原子轨道的概念来描述电子的运动，这不符合微观粒子运动的客
观事实。
8.2 氢原子的量子力学模型
8.2.1 微观粒子的运动特性 1．光的波粒二象性 光具有波粒二象性。光在空间传播的过程中，波动性变得较突出，因此遵守波动方程。