大学普通化学 原子结构和元素周期表

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1.1.1 化学研究的对象
质子 夸克 中子 电子 原子核 原子 (离子 离子) 离子
纳米 材料
宇宙 （宇观） 宇观）
分子
单质 化合物
星体
（介观） 介观） 微观
宏观
当今化学发展的趋势大致是： 当今化学发展的趋势大致是： 由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态， 由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态，由经验上 升到理论并用理论指导实践，进而开创新的研究. 升到理论并用理论指导实践，进而开创新的研究. 哪些是关键性的问题呢？ 哪些是关键性的问题呢？ 化学反应的性能问题;化学催化的问题;生命过程中的化学问题. 化学反应的性能问题;化学催化的问题;生命过程中的化学问题. 总之，化学已成为中心学科， 世纪的四个重大课题（能源、 总之，化学已成为中心学科，与 21 世纪的四个重大课题（能源、 材料、环境和生命科学）都有关. 材料、环境和生命科学）都有关.
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● Plank 公式 1900年, 普朗克 (Plank M) 提出了表达光的能量 与频率 提出了表达光的能量(E)与频率 与频率(ν) 年 关系的方程, 即著名的普朗克方程： 关系的方程 即著名的普朗克方程：E = h ν 式中的h叫普朗克常量 其值为6.626×10-34 J·s. 式中的 叫普朗克常量(Planck constant), 其值为 叫普朗克常量 × 普朗克认为, 物体只能按hν的整数倍 例如1, 的整数倍( 普朗克认为, 物体只能按 的整数倍(例如 2, 3等)一份一 等 份地吸收或释出光能, 而不可能是0.5, 1.6, 2.3等任何非整数倍. 等任何非整数倍. 份地吸收或释出光能, 而不可能是 等任何非整数倍 这就是所谓的能量量子化概念. 这就是所谓的能量量子化概念. 普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念, 但它只涉及光 普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念, 作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出). 作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出).
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1.1
亚原子粒子（ 亚原子粒子（subatomic particles ）
1.1.1 化学研究的对象
the object of chemical study
1.1.2 亚原子粒子（基本粒子）
subatomic particles ( elementary particles)
1.1.3 夸克
Quark
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1.2.1 经典物理学概念面临的窘境
Rutherford’s experiment on α particle bombardment of metal foil
Rutherford 根据 α 粒子散射实验，创立了 粒子散射实验， 太阳-行星模型 关于原子结构的 “太阳 行星模型 ”. 其要点是 ： 所有原子都有一个核即原子核( 1. 所有原子都有一个核即原子核(nucleus)； ) 核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 2. 核的体积只占整个原子体积极小的一部分； 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； 3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上； 电子像行星绕着太阳那样绕核运动. 4. 电子像行星绕着太阳那样绕核运动.
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1.1.2 亚原子粒子
原子是化学上最重要、使用最频繁的术语之一, 原子是化学上最重要、使用最频繁的术语之一, 原是希腊语中 意为“ 不可再分” 意思. 随着科学的发展, 道尔顿( 意为 “ 不可再分 ” 意思 . 随着科学的发展 , 道尔顿 ( Dalton J) 于 ) 1803年提出了第一个现代原子论 但他接受了“不可再分” 年提出了第一个现代原子论, 1803年提出了第一个现代原子论, 但他接受了“不可再分”的概念 随着电子的发现, 接着发现了α 粒子、质子和中子, . 随着电子的发现, 接着发现了 粒子、质子和中子, 如果将电子 看作原子上掉下的“碎屑” 粒子就算得上原子分裂的“碎块” 看作原子上掉下的“碎屑”, α 粒子就算得上原子分裂的“碎块” 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 亚原子粒子. 了. 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 粒子. 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, 粒子已达数百种之多,
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1.2 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) 经典物理学概念面临的窘境（ 1.2.1 经典物理学概念面临的窘境（an embarrassment of the concepts of the classical physics) 波的微粒性（ 1.2.2 波的微粒性（particle — like wave ) 微粒的波动性（ 1.2.3 微粒的波动性（wave — like particle)
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本章教学内容
1.1 亚原子粒子 subatomic particles 1.2 波粒二象性 — 赖以建立现代 wave-particle duality — a 模型的量子力学概念 fundamental concept of quantum mechanics 1.3 氢原子结构的量子力学模型 the quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom — — 波尔模型 Bohr’ model 1.4 原子结构的波动力学模型 the wave mechanical model of the structure of atom 1.5 多电子原子轨道的能级 the energy level of many-electron atoms 1.6 基态原子的核外电子排布 ground-state electron configuration 1.7 元素周期表 the periodic table of elements 1.8 原子参数 atomic parameters
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is the embarrassment of the concepts of the classical physics ?
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, 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. 问题出在第4点 至少要点中的前三点是如此 问题出在第 点, 尽管卢瑟夫正确地认 识到核外电子必须处于运动状态, 识到核外电子必须处于运动状态 但将电子与核的关系比作行星与 太阳的关系, 却是一幅令人生疑的图像. 太阳的关系 却是一幅令人生疑的图像 根据当时的物理学概念, 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, 逐渐失去能量 运动着的电子轨道会越 来越小, 来越小 最终将与原子核相撞并导致原 子毁灭. 子毁灭 由于原子毁灭的事实从未发生 , 将经典物理学概念推到前所未有的尴 尬境地. 尬境地.
. 雨滴” ★ 红光的 ν 值相对较小 , “ hν ”较小 , 光量子的能量较小 ★ 相当于较小的 “雨滴”，落至地面时的动能较小
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● 光电效应 1905年, 爱因斯坦 年 爱因斯坦(Einstein A)成功地解释 成功地解释 光电效应(photoelectric effect), 将能量量子 了 光电效应 化概念扩展到光本身. 对某一特定金属而言,不 化概念扩展到光本身 对某一特定金属而言 不 是任何频率的光都能使其发射光电子. 是任何频率的光都能使其发射光电子 每种金 属都有一个特征的最小频率(叫临界频率 叫临界频率), 属都有一个特征的最小频率 叫临界频率 低 于这一频率的光线不论其强度多大和照射时 间多长, 都不能导致光电效应. 间多长 都不能导致光电效应 The 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, 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1的能量叫光子 的能量叫光子( 这一份份数值为 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, 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. 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 以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学( 受 . 以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学 ( quantum mechanics). )
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An unsatisfactory atomic model
Байду номын сангаас
描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新概念的诞生！ 描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新概念的诞生！ 人们对物质和能量的认识是否只看到了硬币的一面？ 人们对物质和能量的认识是否只看到了硬币的一面？
1.2.2 波的微粒性
波粒二象性是解决原子结构问题的“总开关 波粒二象性是解决原子结构问题的“ ”.
●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 . 电磁波是通过空间传播的能量
The electromagnetic spectrum
电磁波在有些情况下表现出连续波的性质， 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. 像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性.
第 1 章
原子结构和 元素周期表
Chapter 1 Atomic Structure and Periodic Table of Elements
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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（波函数）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． 理解原子结构的近似能级图，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. 、 、 、 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、电子亲合能和电负性的周期性变化.
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Charge/e** －1 ＋1 0 ＋1 ＋2 －1 0
1.1.3 夸克
年由盖尔− 根据 1961 年由盖尔−曼（Gell M-Mann）建立的新模型， 质子 ）建立的新模型， 和中子都是由更小的粒子夸克组成的， 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. 当然更不用说从实验上证明）电子是可分的.
Properties of some subatomic particles
Particle Symbol Mass/u* e5.486×10-4 Electron Proton p 1.0073 Neutron n 1.0087 Positron e+ 5.486×10-4 (He nucleus) αparticle α (e- ejected from nucleus) βparticle β (electromagnetic radiation from nucleus) γphoton γ
比 拟 地面吸收太阳能
★ 以 一个个 光量子 “ hν ” (不能是半个 “ hν ” ) 完成 . ★ ★ 可见光由不同频率的光组成 , “ hν ”值有大有小 .
地面接收降水
以 一个个雨滴 ( 不能是半个雨滴 完成 ) 雨滴” ★ “雨滴”有大有小 “雨滴”，落至地面时的动能较大 雨滴”
★ 黄光的 ν 值相对较大 , “ hν ”较大 , 光量子的能量大 . ★ 相当于较大的
Some primary particles 名称 符号 电荷 质量 发现年代 下夸克 d -1/3 上夸克 u +2/3 奇夸克 s -1/3 粲夸克 c +2/3 底夸克 b -1/3 顶夸克 t +2/3 质子的 200倍 倍 1995
均为质子的1/100或1/200 或 均为质子的 1974 1977