普通化学第五章优秀课件
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一、波粒二象性
二十世纪初，人们就认识到光具有波粒二 象性：波动性—λ、v；粒子性—E、p。
E hv p h
1924年，法国物理学家德布罗依认为，既然 光具有粒子性，那么微观的实物粒子如质子、电 子等也可以具有波动性，其波长也可以表示为：
λ h h ——德布罗依公式
pபைடு நூலகம்m
m—电子质量 h—普朗克常数
p—电子动量 —电子速度 根据这一公式，可以算出电子的波长：
9 .1 6 1 .6 0 2 6 3 1 k 1 g 0 1 3 4 0 J 6m ss-1 7 .3 1 0 1 0 0 .7 3 n m
这相当于x射线的波长范围。1927年，美国科 学家Davison等人，进行电子衍射实验(electron diffraction)，得到的衍射图与x射线的衍射图完 全一致，证明了德布罗依的预言。后来，又陆续 证明了质子、中子、原子等实物粒子都具有波粒 二象性。
因为
2.1791018
E
n2
所以谱线频率
E E2 E1
hh
h 1(2.1n 7 2 2 1 9 0 18 2.1n 7 1 21 9 0 18 )
2.1791018 1 1 6.6261034 ( n22 n12 )
3.29
1015
(
1 n12
1 n22
)
玻尔理论成功地解释了氢原子光谱产生的 原因和规律性。他的理论关键在于引入了量子 化的概念，认为电子的运动状态是定态的，不 连续的，所以电子跃迁发射出的原子光谱也是 线状的，不连续的。这条基本思想在现代结构 理论中被保留下来。
§5-1 氢原子光谱和玻尔理论
(Spectrum of hydrogen and Bohr’s theory)
一、氢原子光谱
任何元素的气态原子在高温火焰的激发下， 能发光，经棱镜分光后，产生一条条不连续的谱 线，称为线状光谱。它与太阳光或白炽灯的光产 生的光谱不同，后者是一条七色的连续光谱。
每种元素都有它自己的特征光谱。
原子结构理论发展简史：
道尔顿（英）——1803.原子论 “近代化学之父”
汤姆逊（英）——1897. “蛋糕”模型 1906.获Nobel奖
卢瑟福（英）——1911.“核式结构”模型 1908. 获Nobel奖
玻尔（丹麦）——1913.“定态轨道模型” 1922. 获Nobel物理奖
薛定谔（奥地利）——1926.“量子学理论” 1933. 获Nobel物理奖
波粒二象性是一切微观粒子的一种特性。
★物质波的意义
物质波是一种几率波。在电子衍射时，一个 或若干个电子，它们不能形成衍射条纹，这表明 电子具有粒子性。但重复多次相同的实验就能显 示出条纹。用较强的电子流可以在较短时间内得 到电子衍射照片（明暗相间的环纹），但用较弱 的电子流只要时间足够长也可以得到同样的相片。 电子衍射环纹是大量电子集体行为或单个电子的 亿万次行为的结果。
★普朗克（M.Plank, 1858 — 1947,德）的量子论： 1900年普朗克在研究黑体辐射问题时，提出了著名
的量子化理论。该理论指出，物体吸收或辐射能量是不 连续的、量子化的，也就是说，物体吸收和发射能量， 就像物质微粒一样，只能以单个的、一定份量的能量， 一份一份的或按照这一基本份量的倍数吸收或发射能量， 即能量是量子化的，这种能量的最小单位称为能量子或
随着对氢原子光谱研究的进一步深入，在紫外区和红外 区 又 分 别 找 到 若 干 条 谱 线 ， 1890 年 ， 里 德 堡 (J.R.Rydberg1854—1919，瑞典)将所有的谱线频率统计发现 它们都符合同一公式：
3.291015(n112
1 n22)
n2 > n1
由此式可见，氢原子的光谱不是任意的，而是随两 个正整数的改变作跳跃式的改变。
但是玻尔没有认识到电子运动的另外一个重 要特征——波粒二象性，他依然按照宏观物体的 运动规律来描述电子的运动，只是在经典力学连 续性概念的基础上，人为地加上了一些量子化的 条件，未能完全冲破经典物理学的束缚，所以对 多电子原子的光谱无法作出圆满的解释。
光的波粒 二象性
返回
§5-2 核外电子运动状态的描述
量子(quantum)。每个能量子为一个hv，其中h即著名的
普朗克常数：6.626×10-34 J·s。
二、玻尔理论
玻尔理论的中心思想有两点： 1、定态轨道
核外电子的运动轨道具有一定的半径，在轨 道上运动的电子既不吸收能量，也不放出能量， 其能量状态是稳定的，所以叫定态轨道。
2、轨道能级
电子在不同的定态轨道上运动，具有不同的 能量，离核越近，能量越低；离核越远，能量越 高，这些一级一级的能量状态，就称为能级。每 个能级的能量公式：
E
13.6 n2
eV
2.179 1018 n2
J
n=1,2,3,……
原子在常态时，电子尽可能处于能量最低的轨 道，这种状态称为基态。氢原子的基态：
n=1， E 13.6 eV 2.1791018 J
当电子受外界能量（如火花、电弧）激发时，会 跑到能量较高的轨道上，这个过程叫跃迁。这时原子 所处的状态叫激发态：n=1→2→3（n=2,3,…）。处于 激发态的电子不稳定，会从高能级轨道再跃迁回低能 级轨道，这个过程要释放能量，这部分能量以光能的 形式释放出来：E=En－En-1＝hv，就产生了一条一条 的线状光谱。
氢原子的原子光谱(atomic spectrum)在可
见光区，有5条谱线。根据每条谱线的波长，
可以计算出发射光的能量：
c E hv h
h 6.62610-34 J s
1885年，巴尔麦（J.J.Balmer，瑞士）研究发现，这5条 谱线的频率符合下式：
3.291015(212n12) (n为大于2的正整数)
当n1为不同数值时，即成为几个光谱系。 如 n1 = 1紫外区，拉曼系；
n1 = 2可见光区，巴尔麦系； n1 = 3红外区，帕邢系；…。
氢原子光谱谱线系列示意图
为什么气态原子会发光，而且每种元素的 谱线都具有特征的波长、频率和能量？
丹麦的物理学家玻尔针对氢原子线状光谱 的特点，应用了普朗克的量子论的观点，提出 了自己的原子结构理论——玻尔理论。
普通化学第五章
前言
物质结构的研究对于化学乃至整个自然科学 的研究来说，相当于基石的作用。因为结构决定 性质，只有深入了解物质的深层结构，才有可能 深入把握物质的性质及其变化规律。
量子化学— 化学键（化学反应中
物质结构
电子运动状态的变化）
结 构化 学— 分 子和 晶体 的结 构、
结构与性能之间的关系
二十世纪初，人们就认识到光具有波粒二 象性：波动性—λ、v；粒子性—E、p。
E hv p h
1924年，法国物理学家德布罗依认为，既然 光具有粒子性，那么微观的实物粒子如质子、电 子等也可以具有波动性，其波长也可以表示为：
λ h h ——德布罗依公式
pபைடு நூலகம்m
m—电子质量 h—普朗克常数
p—电子动量 —电子速度 根据这一公式，可以算出电子的波长：
9 .1 6 1 .6 0 2 6 3 1 k 1 g 0 1 3 4 0 J 6m ss-1 7 .3 1 0 1 0 0 .7 3 n m
这相当于x射线的波长范围。1927年，美国科 学家Davison等人，进行电子衍射实验(electron diffraction)，得到的衍射图与x射线的衍射图完 全一致，证明了德布罗依的预言。后来，又陆续 证明了质子、中子、原子等实物粒子都具有波粒 二象性。
因为
2.1791018
E
n2
所以谱线频率
E E2 E1
hh
h 1(2.1n 7 2 2 1 9 0 18 2.1n 7 1 21 9 0 18 )
2.1791018 1 1 6.6261034 ( n22 n12 )
3.29
1015
(
1 n12
1 n22
)
玻尔理论成功地解释了氢原子光谱产生的 原因和规律性。他的理论关键在于引入了量子 化的概念，认为电子的运动状态是定态的，不 连续的，所以电子跃迁发射出的原子光谱也是 线状的，不连续的。这条基本思想在现代结构 理论中被保留下来。
§5-1 氢原子光谱和玻尔理论
(Spectrum of hydrogen and Bohr’s theory)
一、氢原子光谱
任何元素的气态原子在高温火焰的激发下， 能发光，经棱镜分光后，产生一条条不连续的谱 线，称为线状光谱。它与太阳光或白炽灯的光产 生的光谱不同，后者是一条七色的连续光谱。
每种元素都有它自己的特征光谱。
原子结构理论发展简史：
道尔顿（英）——1803.原子论 “近代化学之父”
汤姆逊（英）——1897. “蛋糕”模型 1906.获Nobel奖
卢瑟福（英）——1911.“核式结构”模型 1908. 获Nobel奖
玻尔（丹麦）——1913.“定态轨道模型” 1922. 获Nobel物理奖
薛定谔（奥地利）——1926.“量子学理论” 1933. 获Nobel物理奖
波粒二象性是一切微观粒子的一种特性。
★物质波的意义
物质波是一种几率波。在电子衍射时，一个 或若干个电子，它们不能形成衍射条纹，这表明 电子具有粒子性。但重复多次相同的实验就能显 示出条纹。用较强的电子流可以在较短时间内得 到电子衍射照片（明暗相间的环纹），但用较弱 的电子流只要时间足够长也可以得到同样的相片。 电子衍射环纹是大量电子集体行为或单个电子的 亿万次行为的结果。
★普朗克（M.Plank, 1858 — 1947,德）的量子论： 1900年普朗克在研究黑体辐射问题时，提出了著名
的量子化理论。该理论指出，物体吸收或辐射能量是不 连续的、量子化的，也就是说，物体吸收和发射能量， 就像物质微粒一样，只能以单个的、一定份量的能量， 一份一份的或按照这一基本份量的倍数吸收或发射能量， 即能量是量子化的，这种能量的最小单位称为能量子或
随着对氢原子光谱研究的进一步深入，在紫外区和红外 区 又 分 别 找 到 若 干 条 谱 线 ， 1890 年 ， 里 德 堡 (J.R.Rydberg1854—1919，瑞典)将所有的谱线频率统计发现 它们都符合同一公式：
3.291015(n112
1 n22)
n2 > n1
由此式可见，氢原子的光谱不是任意的，而是随两 个正整数的改变作跳跃式的改变。
但是玻尔没有认识到电子运动的另外一个重 要特征——波粒二象性，他依然按照宏观物体的 运动规律来描述电子的运动，只是在经典力学连 续性概念的基础上，人为地加上了一些量子化的 条件，未能完全冲破经典物理学的束缚，所以对 多电子原子的光谱无法作出圆满的解释。
光的波粒 二象性
返回
§5-2 核外电子运动状态的描述
量子(quantum)。每个能量子为一个hv，其中h即著名的
普朗克常数：6.626×10-34 J·s。
二、玻尔理论
玻尔理论的中心思想有两点： 1、定态轨道
核外电子的运动轨道具有一定的半径，在轨 道上运动的电子既不吸收能量，也不放出能量， 其能量状态是稳定的，所以叫定态轨道。
2、轨道能级
电子在不同的定态轨道上运动，具有不同的 能量，离核越近，能量越低；离核越远，能量越 高，这些一级一级的能量状态，就称为能级。每 个能级的能量公式：
E
13.6 n2
eV
2.179 1018 n2
J
n=1,2,3,……
原子在常态时，电子尽可能处于能量最低的轨 道，这种状态称为基态。氢原子的基态：
n=1， E 13.6 eV 2.1791018 J
当电子受外界能量（如火花、电弧）激发时，会 跑到能量较高的轨道上，这个过程叫跃迁。这时原子 所处的状态叫激发态：n=1→2→3（n=2,3,…）。处于 激发态的电子不稳定，会从高能级轨道再跃迁回低能 级轨道，这个过程要释放能量，这部分能量以光能的 形式释放出来：E=En－En-1＝hv，就产生了一条一条 的线状光谱。
氢原子的原子光谱(atomic spectrum)在可
见光区，有5条谱线。根据每条谱线的波长，
可以计算出发射光的能量：
c E hv h
h 6.62610-34 J s
1885年，巴尔麦（J.J.Balmer，瑞士）研究发现，这5条 谱线的频率符合下式：
3.291015(212n12) (n为大于2的正整数)
当n1为不同数值时，即成为几个光谱系。 如 n1 = 1紫外区，拉曼系；
n1 = 2可见光区，巴尔麦系； n1 = 3红外区，帕邢系；…。
氢原子光谱谱线系列示意图
为什么气态原子会发光，而且每种元素的 谱线都具有特征的波长、频率和能量？
丹麦的物理学家玻尔针对氢原子线状光谱 的特点，应用了普朗克的量子论的观点，提出 了自己的原子结构理论——玻尔理论。
普通化学第五章
前言
物质结构的研究对于化学乃至整个自然科学 的研究来说，相当于基石的作用。因为结构决定 性质，只有深入了解物质的深层结构，才有可能 深入把握物质的性质及其变化规律。
量子化学— 化学键（化学反应中
物质结构
电子运动状态的变化）
结 构化 学— 分 子和 晶体 的结 构、
结构与性能之间的关系