大学化学课件：原子结构

当电子吸收外界的能量，激发到离核较远的轨道上时， 电子所处的状态称为激发态(excited state)。
3. 频率公式的假设
原子中的电子由一个定态(E1)跃迁到另一个定 态(E2)时，会释放或吸收能量，其放出或吸收光的 频率满足于下式：
E2 E1
h
根据玻尔理论, 可计算氢原子的各种定态轨道半径
玻尔提出的 氢原子结构模型
1913年丹麦物理学家玻尔在氢光谱以及Planck 量 子论，Einstein光子学说和Rutherford有核原子模型 的基础上，建立了氢原子结构模型。 有如下基本假设：
1. 量子化规则的假设 电子只能在若干固定轨道绕核运动, 在固定轨道
的角动量只能等于 M mvr n h
汤姆逊电子衍射实验
下图为电子一个一个依次入射双缝的干涉实验：
7个电子
100个电子
3000个电子
20000个电子
70000个电子
微观粒子波是一种具有统计性的概率波。要描 述电子的运动规律，只能用统计的方法对大量电子 或一个电子亿万次运动进行重复性研究，得到按几 率分布的统计规律。
因此，原子核外电子的运动具有能量量子化， 波粒二象性和统计性等三大特征。
1924年，法国物理学家德布罗依(de Broglie)提 出了微观粒子具有波粒二象性的假设，认为：高速 运动的微观粒子，其波长为：
λ h h p mv
式中m是粒子的质量，v是粒子的运动速率，p是 粒子的动量。 上式称为德布罗依关系式，实物微粒所 具有的波称为德布罗依波或物质波。
1927年，美国科学家戴维逊(Davisson) 和革末 (Germer)用电子衍射实验证实了德布罗依的假设。
第六章 物质结构基础
6.1原子结构
α粒子散射实验
(He2+)
卢瑟福有核原子模型的要点： 1.原子是由电子和带正 电荷的原子核组成。原子 核很小。电子在原子核外 很大的空间里，像行星绕 着太阳那样沿着一定的轨 道 绕 核 运 动 ； 2. 电 子 的 质 量很小，原子的大部分质 量集中在核上；3. 原子核 的正电荷数等于核外电子 数，整个原子显电中性。
2ψ 2ψ 2ψ 8π 2m E V ψ 0
x2 y 2 z 2
h2
是描述微粒运动状态的波函数。 E是该状态
所对应的总能量。V是微粒的势能，m 是微粒的 质量，h是普朗克常数，x﹑y﹑z是坐标。
对氢原子和类氢离子来说，解得描述核外
电子运动状态； E描述电子能量高低。
在解薛定谔方程时，常将直角坐标换成球坐标。 通过分离变量把二阶偏微分方程变为三个只含一个 变量的常微分方程。
对电子这样的微观粒子，在指定时间不能同时 有确定的位置和动量，无确切的轨道，不能用经典 力学去描述其运动的规律。
6.1.3 现代原子结构模型
微观粒子的运动状态可以用波函数来描述。 波函数可通过解薛定谔(E. Schrödinger)方程得 到。
1.波函数和薛定谔方程
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了适 合微观粒子运动的波动方程，即薛定谔方程。
氢原子光谱中，在可见光区，
ν
1
R
(
1 22
1 n2 2
)
(巴尔麦公式)
ν
109737
1
22
1 32
c m1
15241 .
(n2=3)
25c m1
H : λ 6.5610-5 cm 656nm
同理有: (n2=4)
λH 486nm ;
(n2=5)
λH 434nm ;
λH 410.4nm . (n2=6)
卢瑟福在1911年提出的原子模型有两个问题：
1. 电子绕核运动要辐射电磁波， 电子的能量不断减少，电子运 动的速度也不断减慢；电子运 动的轨道半径也将变小并逐渐 靠近原子核，最后落到核上。
2. 原子应该连续地放出能量，即 原子光谱应该是一种连续光谱。 （原子产生的光谱都是一些具 有固定波长的线性光谱。）
6.1.1 原子的早期模型
氢原子光谱不是连续光谱, 是线状光谱。
Hδ Hγ
Hβ
410.2 434.0 486.1
Hα
656.3 /nm
Rydberg公式
1890年瑞典物理学家里德堡在对氢原子光谱进行
了仔细研究后，提出了一个经验关系式：
ν
R
1 n12
1 n22
n1 n2
ν1 λ
式中R∞是 Rydberg常数，其值为109737 cm-1; n1和 n2分别是正整数，且有n1＜n2; n1=1, 紫外光谱线系； n1=2, 可见光的巴尔麦线系；n1=3, 4, 5, 红外光谱线系。
6.1.2 微观粒子的波粒二象性
在与光传播有关的过程中，光表现为波动性；在光与 物质相互作用发生能量转移的过程，光表现为粒子性。
光子的能量公式：E=h 光子的动量公式：p=h/
在上两式中，等号左边是表征粒子性的能量E和动量
p，等号右边是表征波动性的频率和波长 。光的粒子
性和波动性通过普朗克常数相联系，揭示了光的波粒二 象性的本质。
(rn)和能量(En)。
轨道半径公式：
轨道的能量：
rn n2a0 a0 52.9pm
En
2.18 10 18 n2
J
ν
E2 E1 hc
2.181018 hc
பைடு நூலகம்
1 n12
1
n
2 2
νν c
玻尔理论的成功之处
1. 给出了量子数(quantum number)和能级的概念； 2. 说明了原子的稳定性； 3. 解释了氢原子和类氢离子的光谱； 4. 从理论上证明了Rydberg公式的正确性： 5. 计算氢原子的电离能（n1=1, n2=∞)。
2
h是Planck常数，n是量子数，其值只能取1，2，3等 正整数。n=1，r=52.9 pm, 称为波尔半径。
2. 定态存在的假设
在一定轨道上运动的电子具有一定的能量，称之为 定态（stationary state)。
当电子在离核最近的轨道上运动时（n=1, r=52.9 pm)， 具有最低的能量状态，称为基态(ground state)；
1. 实验目的 2. 实验原理 3. 仪器和药品 4. 实验内容 5. 数据记录（表格）与处理 6. 思考题
预习报告和实验报告写在一份报告纸上。 实验七 实验内容2. 3. 4.不为实验内容。
实验课(材化学院一楼)带预习报告和记录本。预 习有效数字及其运算（289页）。上午9:00, 下午2:00。