无机及分析化学

1、Rutherford ’s Atom model ( 卢瑟福原子模型 ) 有核模型。 2、Planck ’s Quantization of Energy (普朗克的量子论 ) 物质发射或吸收电磁波是不连续的，即量子化的，辐射能 量的最小单位是光量子，其能量为 E=h·ν 。 10 第六章 原子结构 主目录 上一页 下一页
瑞典化学家贝采里乌斯（ J. J. Berzelius 1779 — 1848 ）：确定了当时已知元素的原子量，发明了元 素符号。 道尔顿的原子论 合理地解释了当时的各个化学基本定律。 由于道尔顿的原子论简明而深刻地说明了上述化学 定律，一经提出就得到科学界的承认和重视。 原子论阐明了各质量定律的内在联系，从微观的物质结 构角度揭示了宏观化学现象的本质，总结了这个阶 段的化学知识。同时，原子论引入了原子量的概念， 开创了研究原子量的测定工作。原子量的测定又为 元素周期律的发现打下了基础。但是道尔顿的原子 论是很不完善的。
1 R 12 12 2 n

, 常数 R

1 . 097 10
7
m
1
,n 3 , 4 , 5 , 6
受此启发，后来人们又在紫外红外光区找到了另外几组氢光谱。
研究发现，所有谱线的频率符合下述里德堡公式：其中里德堡常数 R=1.097 ×107m-1，n1，n2为正整数，且 n2>n1。 1 1 1 R n 2 n 2 2 1
三、玻尔理论 The Bohr Theory
Explaining Spectrum of Hydrogen( 解释氢光谱 ) 经典电磁理论解释氢光谱时遇到二个困难。 (1)根据电磁理论，绕核高速运动的电子的电磁 振荡应伴随有电磁辐射，应不断辐射能量， 运动半径应不断减小最后堕入原子核。 (2)这种辐射应是连续的，应得到连续光谱。 玻尔 结合卢瑟福原子模型和普朗克量子论 ,初步解释了氢光谱
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2、电子的波粒二象性 实验基础 ： Diffraction of Electron (电子的衍射 ) — Wave (电子有波动性 ) Photoelectric Effects (光电效应 )— Particles (电子有粒子性 )
电子衍射实验 (1927年美国两科学家实验验证 )
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四、不确定原理 Uncertainty Principle
在经典力学中，物体的 位置和速度可同时准确测定，但原 子核外的电子，由于质量太小，速度太快。 量子力学认为： 其位置和速度不能同时准确测定。 海森堡提出了测不准原理的如下数学形式。
h 2 P m v X P P 动量不准确量 X 位置不准确量
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几种元素的原子光谱 Atomic Spectrum of Elements
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可见光区的这几条明显的谱线 叫巴尔麦线系 ：从 Hα到Hδ，谱 线间距离越来越小，呈现出明 显的规律性，这一规律被巴尔 麦总结为如下关系， 谱线频率
P
h


h h 物质波 ( 德布罗意波 P mv
结论： 电子具有波粒二象性
)
1924 年德布罗意预言 ： 实物粒子有波动性
deBroglie and Matter Waves （德布罗意 物质波） deBroglie, 1924: Small particles of matter may at times display wavelike properties. （物质的微粒不时表现波动性） 17 第六章 原子结构 主目录 上一页 下一页 18 第六章 原子结构 主目录 上一页 下一页 返回
里德堡公式中的 n：里德堡公式是一经验公式，由它计算所得结果与实验结 果十分一致。但其公式中 n1、n2 的物理意义并不十分明确，玻尔给它赋予 了明确的物理意义：其中 n1表示电子的最低能级（或轨道）， n2表示较高 的能级（或轨道），能级越低，能量负值越大，电子被核吸引得越牢固； 能级越高，能量负值越小，电子被核吸引得越不牢固 ；当能量为零时，电 子不再受原子核的束缚成为自由电子。电子由高能级跃迁回到低能级时， 能量以光子的形式放出，光子的能量为 : ΔE=h ·ν ( h=6.626 ×10-34J·s， ν为谱线频率 )
二、氢原子光谱 Atom Spectrum of Hydrogen
对原子结构的认识是从氢原子光 谱开始的，光谱可分为下列两类： 连续光谱 Continuous Spectrum 如太阳的白光经棱镜分光后可得 到由红到紫的连续光谱，通常炽 热的气体、液体、固体均可产生 连续光谱。 线状光谱 Atomic Line Spectra 又称原子光谱，化学元素在高温火焰、电火花作用下，气态原子（离 子）被激发，从高能级跃迁回到低能级时也能发出不同波长的光，但 经棱镜分光后，只能看到 几条亮线。如钠可观察到两条明显的黄线。 每种元素都有自己的特征谱线 ，氢原子光谱是最简单的一种原子光谱
C 1 E h h , (h 6 .626 10 - 34 J) R ( 12 12 ) 1 .097 10 7 ( 12 12 ) n1 n 2 n1 n 2 λ 4、玻尔理论的不足 ：玻尔理论初步解释了氢光谱，但它并不能解释 氢光谱的精细结构 ，更不能解释 多电子原子的结构 。这是玻尔理论自 身的不足造成的，因为它并没有摆脱经典力学的束缚（ 固定的轨道）， 虽然引入了量子化条件，但非常生硬。微观粒子的运动状态必须用全 新的量子力学理论才能完整的描述。
一、认识原子结构的简单历史
波意耳：第一次给出了化学元素的操作性定义：化学元素是 用物理方法不能再分解的最基本的物质组分，化学相互作 用是通过最小微粒进行的，一切元素都是由这样的最小微 粒组成的。 1732年尤拉（Leonhard Euler 1707 —1783）自然界存在多少 种原子，就存在多少种元素。 1785年法国化学家拉瓦锡（ Antoine L.Lavoisier 1743 — 1794）提出了质量守恒定律：化学反应发生了物质组成的 变化，但反应前后物质的总质量不变。 1797年里希特（J.B.Richter1762 —1807）发现了当量定律。
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3、玻尔理论 （1）电子只能在一些符合量子化条件的稳定轨道上运动，在 这样的轨道上运动的电子不发射或吸收电磁波。 （2）电子离核越远能量越高，电子可由低能级（基态）跃迁 到高能级（激发态）。电子由激发态回到基态时放出能 量为 ΔE=h ·ν λ： 410.17 ， 434.05 ， 486.13 ， 656.28 ν： 7.31 6.91 6.17 4.57
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近100年科学发展史上的一系列重大的事件 : 1879年 英国克鲁克斯 Crookes 发现阴极射线； 1897年 英国汤姆孙 thomson 测电子的荷质比，发现电子， 并测出荷质比e/m=1.7588×108Cg -1； 1898 年 波兰居里夫人 Marie Curie 发现钋和镭的放射性， 发现了α粒子、β粒子和γ射线； 1900年 德国普朗克 Planck 提出量子论 1905年瑞士爱因斯坦 Einstein 提出光子论 解释光电效应； 1909年 美国密立根 Millikan用油滴实验测电子的电量； 1911年 英国卢瑟福 Rutherford 进行α粒子散射实验 提 出原子的有核模型； 1913年 丹麦波尔Bohr提出Bohr理论解释氢原子等，这些事 件的出现为人们对原子结构的认识奠定了坚实的基础。
P m C E h C C
h 作桥梁
科学家同时观察到光的波粒二象性

粒子性

h C ( ) 波动性
爱因斯坦质能定律 ： E = m ·C2 , m=E/C 2 15 第六章 原子结构
结论： 光具有波粒二象性
上面的想象图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景，干涉仪的输 出端装有量子分光镜。图中远处可以看到正弦振荡的波形，表示的 是单光子干涉，是一种波动现象。而在图片近处，观察不到振荡， 说明只表现出粒子的特性。在两种极端之间，单光子的行为连续不 断地从波的形式向粒子形式转变，图中显示了这两种状态的重叠。
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1799 年，法国化学家普鲁斯特（ Joseph L. Proust 1754 —1826 ）：发现定比定律：来源不同的同一种 物质中元素的组成是不变的。 1805 年，英国科学家道尔顿（ John Dalton 1766 — 1844 ）：把元素和原子两个概念真正联系在一起， 创立了化学原子论：每一种化学元素有一种原子；同 种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再 分；一种不会转变为另一种原子；化学反应只是改变 了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的物 质。 倍比定律：若两种元素化合得到不止一种化合物，这些 化合物中的元素的质量比存在整数倍的比例关系。
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四、微观粒子的波粒二象性
Wave-Particle Duality of Micro Particles 1、 Wave-Particle Duality of Light (光的波粒二象性 ) 实验基础 ： Diffraction of Light (光的衍射 ) — Wave (光子有波动性 ) Photoelectric Effects (光电效应 )—Particles (光子有粒子性 )
Niels Bohr (1885-1962) After Bohr developed his quantum theory of the hydrogen atom,he used his ideas to explain the periodic behavior of the elements,Later,when the new quantum mechanics was discovered by Schrodinger and and Heisenberg,Bohr spent much of his time developing its philosophical basis.He received the Nobel Prize in physics in 1922.
例1：m=10g 的子弹打到靶上，位置不准确量 ΔX<0.01cm, 求Δv=?
解 v
h 6.626 10 27 g cm 2 s 1 1.054 10 26 cm / s 2 m X 2 3.14 10 g 0.01cm
说明 ：速度不准确量 Δv<10 -26 cm/s, 对宏观物体已微不足道了
第六章 原子结构 Atomic Structure 本章主要内容
第一节、微观粒子的波粒二象性 第二节、氢原子核外电子的运动状态 第三节、多电子原子核外电子的运动状态 第四节、原子结构和元素周期律
第一节、微观粒子的波粒二象性 Wave-Particle Duality of Micro-Particles
nm ×1014
1 R 12 2


n2
1
, 常数 R 1.097373 10 7 m 1 ,n 3, 4, 5, 6
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电子能级跃迁图
里德堡公式
1

1 1 R n2 n2 2 1