第六章 物质结构基础

特征: ①不连续的、线状的; ②是很有规律的。
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氢原子光谱由五组线系 组成, 任何一条谱线的波数 (wave number)都满足简单的 经验关系式:
1 1 R 2 2 n n2 1 ~
名字
n1
1 2 3 4 5
n2
2, 3, 4,… 3, 4, 5,… 4, 5, 6,… 5, 6, 7,… 6, 7, 8,…
Bohr
Bohr在
模型的建立
Bohr’s model
的基础上，建 立了Bohr理论
Bohr模型的建立
爱因斯坦的光子学说 普朗克的量子化学说 氢原子的光谱实验 卢瑟福的有核模型
Bohr model
波粒二象性
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Bohr
理论的主要内容
Bohr’s model
★关于固定轨道的概念 玻尔模型认为, 电子件的轨道：电子的轨道 角动量L只能等于h/(2)的整数倍：
微观粒子电子：
m 9.10 10
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kg, v 10 ~ 10 m.s
6
7
1
6 1 10 m h 10 m s , 7.36 10 由 7 1 9 m 10 m s , 7.36 10 m
宏观物体子弹： = 1.0 ×10-2 kg, ν = 1.0 × 103 m ∙ s-1, m
1.0073
1.0087 5.486×10–4 (氦原子的核) (原子核射出的e-) (原子核射出的电磁波 )
电荷/e –1 ＋1 0 ＋1 ＋2 –1 0
4
夸克
根据 1961 年由盖尔-曼（Gell M-Mann）建立的新模型， 质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的， 但现有的理论还不 能预言(当然更不用说从实验上证明)电子是可分的。 某些最重要的夸克
34
1 1 J s 10 2 2 s n n2 1
15
-1
2.179 10
18
1 1 1 1 2 2 J R H 2 2 n n n2 n2 1 1
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R H : Rydberg 常数
Plank 的量子论 波的微粒性 Einstein 的光子学说 电子微粒性的实验
导致了人们对 波的深层次认识，产 生了讨论波的微粒性 概念为基础的学科 量子力学(quantum mechanics）。
钱币的一面已被翻开！
另一面谁来翻开？
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微粒的波动性
微粒波动性的直接证据 — 光的衍射和绕射
将经典物理学概念推到前所未有的尴尬
境地。
会不会？！
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波的微粒性
电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电磁波的 一种 。
电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下 则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。
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Plank 公式
1900年, 普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方程：E = hv式中的h叫普朗克常量(Planck constant), 其值为 6.626×10-34 J· s。 普朗克认为, 物体只能按hv的整数倍(例如1hv, 2hv, 3hv等 )一份一份地吸收或释出光能, 而不可能是0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv 等 任 何 非 整 数 倍 。 即 所 谓 的 能 量 量子化概念。 普朗克提出了当时物理学界一种
本章教学要求
1．初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、 波粒二象性、原子轨道和电子云概念。
2．了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握
四个量子数的物理意义、取值范围。 3．熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向。 4．理解原子结构近似能级图，掌握原子核外电子排布
的一般规则和s、p、d、f 区元素的原子结构特点。
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Bohr理论的不足之处
Bohr’s model
● 不能解释氢原子光谱
的精细结构
● 不能解释氢原子光谱
在磁场中的分裂
● 不能解释多电子原子
的光谱
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Question 3
Solution
请计算氢原子的第一电离能是多少？
E E E1 hv v 3.289 10
15
(
1 1
2
1.2
1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； 2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；
4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动。
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在对粒子散射实验结果的解释上, 新模型的成功是显而易见
的, 至少要点中的前三点是如此。
根据当时的物理学概念, 带电微粒 在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐 渐失去能量, 运动着的电子轨道会越来 越小, 最终将与原子核相撞并导致原子 毁灭。由于原子毁灭的事实从未发生,
5．会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半 径、电离能、电子亲和能和电负性的周期性变化。
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第六章 物质结构基础
亚原子粒子 Subatomic particles 波粒二象性 — 赖以建立现代模型的量子力学 概念 Wave-particle duality — a fundamental concept of quantum mechanics 氢原子结构的量子力学模型 — 波尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom —Bohr’s model 原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of the atomic structure 多电子原子轨道的能级 Energy level in polyelectronic atoms 基态原子的核外电子排布 Ground-state electron configuration 元素周期表 The periodic table of elements 原子参数 Atomic parameters
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亚原子粒子
人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子。亚原子粒子 曾经也叫基本粒子, 近些年越来越多的文献就将其叫粒 子。迄今科学上发现的粒子已达数百种之多。 与化学相关的某些亚原子粒子的性质
名称 电子 质子 中子 正电子 α 粒子 β 粒子 γ 光子 符号 e– p
n e+ α β γ 质量/u 5.486×10–4
全新的概念, 但它只涉
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及光作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出)。
光电效应
1905年, 爱因斯坦(Einstein A)成功 地将能量量子化概念扩展到光本身,解 释了光电效应(photoelectric effect) 。 爱因斯坦认为, 入射光本身的能量也按普朗克方程量子化 , 并将这一份份数值为1hv的能量叫光子(photons), 一束光线 就是一束光子流. 频率一定的光子其能量都相同, 光的强弱 只表明光子的多少, 而与每个光子的能量无关。 爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人 们所接受。 10
德布罗依关系式 — 一个伟大思想的诞生
德布罗依1924 年说：
h / mv h / p
34 ― 过去，对光过 h 6.626 10 J s 分强调波性而忽 视它的粒性；现在对 h 为Planck 常量 电子是否存在另一种倾向 ，即过分强调它的粒性而 著名的德布罗依关系式 忽视它的波性。”
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Bohr理论的成功之处
Bohr’s model
● 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱
波型
计算值 /nm 实验值 /nm
Hα
656.2 656.3
Hβ
Hγ
Hδ
410.1 410.2
486.1 434.0 486.1 434.1
● 说明了原子的稳定性 ● 对其他发光现象（如Ｘ射线的形成）也能解释 ● 计算氢原子的电离能
如：对于Balmer线系的处理
v 3.289 10 (
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Lyman 系 Balmer系 Paschen系 Brackett系 Pfund系
1 2
2

1 n
)s 2
1
n=3 n=4 n=5 n=6
红 青 蓝紫 紫
（Hα） （Hβ ） （ Hγ ） （Hδ ）
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E hv 6.626 10
能量量子化概 念）为基础建 立了氢原子模 型。 薛定谔等 则以微粒波动
性为基础建立
起原子的波动 力学模型。
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1.3 氢原子结构的量子力学模型：玻 尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom —Bohr’s model
名称 下夸克 上夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克
符号
电荷 质量
d
-1/3
u
+2/3
s
-1/3
c
+2/3
b
-1/3
t
+2/3 质子的 200倍 1995
5
均为质子的1/100或1/200 1974 1977
发现年代
波粒二象性 —— 赖以建立现代模型的量 子力学概念
经典物理学概念面临的窘境
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J/n
2
2.179 10 n
2
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J （氢原子其他能级的能量）
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1.4 原子结构的波动力学模型 The wave mechanical model of atomic structure
1.4.1 不确定原理和波动力学的轨道 Uncertainty principle and orbital on the wave mechanical model 1.4.2 描述电子运动状态的四个量子数 Four quantum nummers defining the movement state of electron