物理原子结构

3.量子化条件假设：在一定轨道上运动的电子有一 定的能量，此能量是不连续的分立值，即量子化的。
1eV 1.61019 J
E
2.179 10 18 n2
(J
)
当n＝1时，就是基态电子能量； 当n >1时，就是激发态电子能量。
4.跃迁规则：电子在不同激发态轨道上跃迁回到 较低能级轨道时，放出一定波长的 能量从而产生吸收光谱。
氧
氢
氮
碳
磷
硫
钾
钡
水 一氧化氮 二氧化硫 甲烷
氢氧化钾
碳酸钡
道尔顿原子模型
突破口--电子的发现
1897年，英国人克鲁克斯用阴极射线管在 进行低气压导电性能实验时，发现阳极上出现了 荧光。说明在电场作用下，阴极上产生了一种看 不见的东西，称之为阴极射线。
1897年，英国物理学家汤姆生，测定了这种 带电粒子的电荷(e)和质量(m)之比，简称荷质比 (e/m)。他发现无论任何气体，也不论任何材料做 成的阴极，所产生粒子的e/m均相同。
两年后又分别测定了这种粒子的质量和电荷。 随后人们还发现用许多其它的方法都可以产生电子 证明电子普遍存在于原子之中。
图1—1 A、B.阳极 C.阴极 D、E.电极 K.荧光屏
汤姆生原子模型
7-2卢瑟福原子论
1911年，卢瑟福用α粒子射线(He2+)轰击金箔时 发现，多数α粒子畅通无阻，只有少数α粒子在前进 中像遇到了不可穿透的壁垒一样，被折射和反弹回来。
其能量为： hv E2 E1
v E2 E1 h
氢原子模型
⊿E=E4-E2= hν2
E1 13.6eV
Hβ
基态
13.6
E2
22
eV
激发态
Hα ⊿E=E3-E2= hν1
固定轨道
激发态
13.6 E3 32 eV
激发态
E4
13.6 eV 42
氢原子光谱与氢原子结构示意图
当电子分别从n=3，4，5，6，7较高能级的 轨道跃迁到n=2较低能级的轨道时，分别计算出 它们在可见光区的波长为：656.5nm，486.1nm， 434.0nm，410.2nm，397.0nm。依次对应Balmer 线系的红色Hα、 蓝绿色Hβ、蓝色Hγ、紫色Hδ 紫色Hε 五根谱线。
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。
7-4 原子的量子力学模型
一、 建立模型的两个基础 a. 物质波的提出: 法国物理学家德布罗意提出:实物粒子有 波粒二象性
量子的能量E与频率ν的关系： E nh
h为普朗克常数(6.626×10-34J·s) n =1,2,3,4…等正整数。
1905年，爱因斯坦在研究光电作用时推广了 量子论，认为不仅是吸收或辐射时能量是量子化 的，而且光在传播时也是量子化的，最小的能量 是一个光量子，不能再拆分。
一个光量子的能量是： E h
有波长和频率
有质量和速度
h h
p mv
E mc2
mc E c
p mv E h h c
h h
P E c
P h
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1913年，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。
玻尔原子模型
二、玻尔理论要点
1.行星模型假设 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。 2.定态假设：核外电子在固定轨道上运动；这些轨道 上运动的电子所处的状态为定态。
正电荷粒子--质子的发现
卢瑟福在实验中还发现，被轰击的原子中还 可能跑出带正电荷的粒子，经过测定和计算，这种 粒子所带的电量和质量也都与原子种类无关，而 电量正好等于1个电子电量的正值，卢瑟福将其命 名为质子。
7-3 玻尔理论
一、氢原子光谱
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。
图1—2 α粒子散射实验示意图
通过测定和计算，他指出：原子中存在一个 几乎集中了原子全部(99.9%以上)质量，而大小仅为 原子1/1012的带正电荷的粒子，将其称为原子的核。
电子像行星绕太阳运转一样绕原子核运动， 这就是大家悉知的原子结构的“行星式模型”。
这个模型已成为现代科学技术的象征。
卢瑟福原子模型
R∞ = 1.09677×107m-1称为里德堡常数。
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。
c
Rc
1 n12
1 n2 2
当n1=1，得到氢的紫外光谱，称为来曼系； 当n1=2，得到氢的可见光谱，称为巴尔麦系； 当n1=3，得到氢的红外光谱，称为帕逊系。
红
橙
黄绿
青蓝
紫
（从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱
从红到紫，谱线的波长间隔越来越小。n>5的 谱线密得用肉眼几乎难以区分。1883年巴尔麦发现 谱线波长与编号n之间存在如下经验方程：
3646 .00 n2 4
n2
后来里德堡把巴尔麦的经验方程改写成如下形式：
c
Rc
1 22
1 n2
氢原子光谱与氢原子能级
Brackett系 Paschen系 Balmer系 Lyman系
量子理论的提出
1900年，普朗克在研究黑体辐射时提出：辐射 能的吸收或发射是不连续的，是最小能量单位量子 (以光的形式传播时，其最小能量单位称光量子也叫 光子)一小份、一小份整数倍作跳跃式的增或减， 这种过程叫做能量的量子化。
构成原子的粒子及其性质
构成原子 的粒子
电性及 电量
电子
1个单位 负电荷
原子核
质子
中子
1个单位 正电荷
不带电
质量/kg 9.109×10-31 1.673×10-27 1.675×10-27
相对质量 1/836
1.007
1.008
7-1 道尔顿原子论
1803年9月6日，道尔顿在笔记中写下原子 论的要点：原子是组成化学元素的、非常微小 的、不可再分割的物质微粒。在化学反应中原 子保持其本来的性质。