1、 宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)：微觀決定了宏觀物宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)：微觀決定了宏觀物質(zhì)的性質(zhì)，宏觀物質(zhì)的性質(zhì)歸咎于微觀。質(zhì)的性質(zhì)，宏觀物質(zhì)的性質(zhì)歸咎于微觀。 化學(xué)反應(yīng)中，原子核不變，起變化的只是化學(xué)反應(yīng)中，原子核不變，起變化的只是核外電子。要了解物質(zhì)的性質(zhì)及其變化規(guī)律，核外電子。要了解物質(zhì)的性質(zhì)及其變化規(guī)律，有必要先了解原子結(jié)構(gòu)，特別是核外電子的運(yùn)有必要先了解原子結(jié)構(gòu)，特別是核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)狀態(tài)。 化學(xué)的特點(diǎn)化學(xué)的特點(diǎn)：既研究物質(zhì)宏觀上的性質(zhì)及其：既研究物質(zhì)宏觀上的性質(zhì)及其變化，也研究物質(zhì)微觀上的組成和結(jié)構(gòu)，宏觀與變化，也研究物質(zhì)微觀上的組成和結(jié)構(gòu)，宏觀與微觀的聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科最特征的思維方式。微觀

2、的聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科最特征的思維方式。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性及其規(guī)律：微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特性及其規(guī)律：核型原子核型原子模型、氫原子光譜和模型、氫原子光譜和 Bohr 理論、波粒二理論、波粒二象性、測(cè)不準(zhǔn)原理。象性、測(cè)不準(zhǔn)原理。 量子力學(xué)對(duì)氫原子的處理：量子力學(xué)對(duì)氫原子的處理：波函數(shù)與原子波函數(shù)與原子軌道、幾率密度和電子云、四個(gè)量子數(shù)、軌道、幾率密度和電子云、四個(gè)量子數(shù)、波函數(shù)的圖形表示等。波函數(shù)的圖形表示等。 核外電子的排布：核外電子的排布：多電子原子的能級(jí)、電多電子原子的能級(jí)、電子排布規(guī)律。子排布規(guī)律。 元素性質(zhì)的周期性：元素性質(zhì)的周期性：掌握周期表中元素的掌握周期表中元素的分區(qū)，

3、結(jié)構(gòu)特征，熟悉原子半徑、電離能、分區(qū)，結(jié)構(gòu)特征，熟悉原子半徑、電離能、電子親合能、電負(fù)性等的變化規(guī)律。電子親合能、電負(fù)性等的變化規(guī)律。 公元前公元前400年，希臘哲學(xué)家德謨克利特提出，年，希臘哲學(xué)家德謨克利特提出，世界由不可再分的原子組成。世界由不可再分的原子組成。 atom: 不可再分的部分。不可再分的部分。 1805年，年，Dalton提出了化學(xué)原子論。提出了化學(xué)原子論。 19世紀(jì)末到世紀(jì)末到20世紀(jì)初，相繼發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)世紀(jì)初，相繼發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、原子放射性，原子可以再分。子、原子放射性，原子可以再分。 1879年，英國(guó)物理學(xué)家年，英國(guó)物理學(xué)家Crooks發(fā)現(xiàn)了陰極射線；發(fā)現(xiàn)了陰極射線；1

4、897年，年，Thomson通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了電子的荷質(zhì)比；通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了電子的荷質(zhì)比；1909年，年，Millikan通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電子的電量通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電子的電量和質(zhì)量。和質(zhì)量。 原子是具有均勻分布的正電荷的球體，在原子是具有均勻分布的正電荷的球體，在正電荷的海洋中，沉浸著一定數(shù)目的電子。正電荷的海洋中，沉浸著一定數(shù)目的電子。(plum pudding模型模型) Rutherford 根據(jù)根據(jù) 粒子散粒子散射實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)立了關(guān)于原子結(jié)射實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)立了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的構(gòu)的 “核型原子模型核型原子模型 ”。Ernest Rutherford1871-1937，英國(guó)，英國(guó)核型原子模型核型原子模型

5、(太陽(yáng)太陽(yáng)-行星模型行星模型)1. 原子中心有一個(gè)原子核，它集中了原子全部的正原子中心有一個(gè)原子核，它集中了原子全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量。電荷和幾乎全部的質(zhì)量。2. 帶負(fù)電的電子于核外空間繞核高速運(yùn)動(dòng)。帶負(fù)電的電子于核外空間繞核高速運(yùn)動(dòng)。3. 原子核體積很小，原子核外空間較大。原子核體積很小，原子核外空間較大。原子核正電荷數(shù)的測(cè)定原子核正電荷數(shù)的測(cè)定 Moseley 用高速電子轟擊放電管中的不同對(duì)陰極用高速電子轟擊放電管中的不同對(duì)陰極金屬材料，對(duì)產(chǎn)生的金屬材料，對(duì)產(chǎn)生的 K 的的 X 射線波長(zhǎng)進(jìn)行分析。射線波長(zhǎng)進(jìn)行分析。 元素周期表中，從一個(gè)元素到下一個(gè)元素，原子元素周期表中，從一個(gè)元素到

6、下一個(gè)元素，原子中有一個(gè)基本數(shù)量在規(guī)則的增加，這個(gè)數(shù)量只能是原中有一個(gè)基本數(shù)量在規(guī)則的增加，這個(gè)數(shù)量只能是原子核內(nèi)的正電荷數(shù)，也就是周期表中的原子序數(shù)。子核內(nèi)的正電荷數(shù)，也就是周期表中的原子序數(shù)。 1 9 2 0 年 ， 確 立 了 質(zhì) 子 的 概 念 ；年 ， 確 立 了 質(zhì) 子 的 概 念 ； 1 9 3 2 年 ，年 ，Chadwick 發(fā)現(xiàn)了中子；最終形成經(jīng)典的原子模型。發(fā)現(xiàn)了中子；最終形成經(jīng)典的原子模型。 盡管盧瑟夫正確地認(rèn)識(shí)到核外電子必須處于運(yùn)盡管盧瑟夫正確地認(rèn)識(shí)到核外電子必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但將電子與核的關(guān)系比作行星與太陽(yáng)的關(guān)動(dòng)狀態(tài)，但將電子與核的關(guān)系比作行星與太陽(yáng)的關(guān)系，卻是一幅

7、令人生疑的圖像。系，卻是一幅令人生疑的圖像。 根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念，帶電根據(jù)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)概念，帶電微粒在力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁微粒在力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)總要產(chǎn)生電磁輻射并逐漸失去能量，運(yùn)動(dòng)著的電輻射并逐漸失去能量，運(yùn)動(dòng)著的電子軌道會(huì)越來(lái)越小，最終將與原子子軌道會(huì)越來(lái)越小，最終將與原子核相撞并導(dǎo)致原子毀滅。核相撞并導(dǎo)致原子毀滅。經(jīng)典原子模型的困境經(jīng)典原子模型的困境 經(jīng)典原子模型解決了原子的組成問題：經(jīng)典原子模型解決了原子的組成問題： 原子原子原子核原子核質(zhì)子質(zhì)子 中子中子 電子電子 究竟原子中核外電子的如何分布？以究竟原子中核外電子的如何分布？以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？光是電磁波光是電磁波 =

8、 c ：頻率；：頻率； ：波長(zhǎng)，：波長(zhǎng)，c：光速：光速連續(xù)光譜連續(xù)光譜 氣體原子被激發(fā)而產(chǎn)生的光，分光后產(chǎn)生的是分氣體原子被激發(fā)而產(chǎn)生的光，分光后產(chǎn)生的是分立的、有明顯分界的立的、有明顯分界的不連續(xù)光譜不連續(xù)光譜(或線狀光譜或線狀光譜)。氫原子光譜儀示意圖和氫原子可見光譜氫原子光譜儀示意圖和氫原子可見光譜 氫原子可見光譜有四條顏色不同的譜線氫原子可見光譜有四條顏色不同的譜線H 、H 、H 、H 頻率頻率 分別為：分別為：4.57 1014 s-1, 6.17 1014 s-1, 6.91 1014 s-1, 7.31 1014 s-1 n = 3, 4, 5, 6時(shí)可以算出時(shí)可以算出 分別等于

9、實(shí)驗(yàn)中分別等于實(shí)驗(yàn)中得到的氫的得到的氫的4條譜線的頻率。條譜線的頻率。223646.00 ()4nnBalmer 經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式： 除了可見光的除了可見光的Balmer線系，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了線系，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了氫原子紫外光譜氫原子紫外光譜Lyman線系，紅外光譜的線系，紅外光譜的Paschen線系，線系，Bracket線系，線系，Pfund線系。線系。 1913年，瑞典物理學(xué)家年，瑞典物理學(xué)家 Rydberg 找到了各找到了各譜線間實(shí)驗(yàn)規(guī)律性的關(guān)系：譜線間實(shí)驗(yàn)規(guī)律性的關(guān)系：H2212111()Rnn1cRH為為Rydberg 常數(shù)，數(shù)值為常數(shù)，數(shù)值為 1.097 105 cm-1n1、n2為正整

10、數(shù)，為正整數(shù)，n2 n1，n = 2, 3, 4, 氫原子各譜線與軌道能級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系氫原子各譜線與軌道能級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 繞核高速旋轉(zhuǎn)的電子將不斷從原子發(fā)射繞核高速旋轉(zhuǎn)的電子將不斷從原子發(fā)射連續(xù)的電磁波，原子光譜應(yīng)是連續(xù)的；連續(xù)的電磁波，原子光譜應(yīng)是連續(xù)的； 而且由此電子的能量逐漸降低，最后墜而且由此電子的能量逐漸降低，最后墜入原子核，使原子不復(fù)存在。入原子核，使原子不復(fù)存在。 按經(jīng)典核型原子模型，氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)按經(jīng)典核型原子模型，氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)與經(jīng)典電磁理論不符。事實(shí)與經(jīng)典電磁理論不符。經(jīng)典電磁理論：經(jīng)典電磁理論： 普朗克的量子論普朗克的量子論 時(shí)間時(shí)間、速度速度、長(zhǎng)度長(zhǎng)度、面積面積 電

11、量電量：最小的單位是一個(gè)電子的電量，為：最小的單位是一個(gè)電子的電量，為 1.602 10-19 庫(kù)侖。庫(kù)侖。Max Planck1858-1947，德國(guó)，德國(guó) 微觀世界中，能量不能連續(xù)變化，微觀世界中，能量不能連續(xù)變化，只能以某一最小單位的整數(shù)倍變化，只能以某一最小單位的整數(shù)倍變化，此最小單位為此最小單位為 “量子量子”。 以光的形式傳播時(shí)，稱為光量子。以光的形式傳播時(shí)，稱為光量子。E = h h = 6.626 10-34 J s Rutherford 核原子模型核原子模型M. Planck 量子論量子論A. Einstein光子學(xué)說(shuō)光子學(xué)說(shuō)氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)Bohr 根據(jù)根據(jù)

12、 建立了建立了Bohr 理論理論 Niels Bohr1885-1962，丹麥，丹麥Bohr 理論的三點(diǎn)假設(shè)：理論的三點(diǎn)假設(shè)： 1. 關(guān)于固定軌道的概念：核外電子只能在有確定關(guān)于固定軌道的概念：核外電子只能在有確定半徑半徑和和能量能量的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。軌道的角動(dòng)量要滿足一的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。軌道的角動(dòng)量要滿足一定的量子化條件：定的量子化條件： (1, 2, 3, .)2hmvrnnm 為電子的質(zhì)量為電子的質(zhì)量v 是電子運(yùn)動(dòng)的速度是電子運(yùn)動(dòng)的速度r 是軌道的半徑是軌道的半徑h 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)n 是量子數(shù)是量子數(shù)2. 電子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)有不同的能量。正常情況電子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)有不同的能

13、量。正常情況下，電子盡可能處在離核最近的軌道上下，電子盡可能處在離核最近的軌道上 (n=1)，即，即原子處于原子處于基態(tài)基態(tài)。當(dāng)原子獲得能量，電子可以躍遷到。當(dāng)原子獲得能量，電子可以躍遷到離核較遠(yuǎn)的高能軌道上去，原子處于離核較遠(yuǎn)的高能軌道上去，原子處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。3. 處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，可以躍遷到離核較近處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，可以躍遷到離核較近的軌道上，同時(shí)釋放出光能。光的頻率決定于兩的軌道上，同時(shí)釋放出光能。光的頻率決定于兩個(gè)軌道的能量差。個(gè)軌道的能量差。E2：離核較遠(yuǎn)的軌道的能量：離核較遠(yuǎn)的軌道的能量E1：離核較近軌道的能量：離核較近軌道的能量 為光的頻率，為光的頻率，h 為為

14、Planck 常量常量光的頻率光的頻率 h = E2 - E1 Bohr 根據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理和量子化條件：根據(jù)經(jīng)典力學(xué)原理和量子化條件： 向心力向心力 = 庫(kù)侖引力庫(kù)侖引力 (1, 2, 3, .)2hmvrnn222mvZekrr22kZevmr2nhvmr22224n hrkmZe252.9 pmrn軌道的能量軌道的能量 E = 軌道中電子的能量軌道中電子的能量 222212rEmvkZe drkZeErr 動(dòng)勢(shì)2224222213.6 eVkmZ eEn hn n 為量子數(shù)，當(dāng)為量子數(shù)，當(dāng) n = 時(shí)，電子完全脫離了原時(shí)，電子完全脫離了原子核的束縛，能量子核的束縛，能量 E = 0。Boh

15、r 理論的成功之處理論的成功之處1) 成功地解釋了氫原子成功地解釋了氫原子(和類氫離子和類氫離子)光譜產(chǎn)生的原光譜產(chǎn)生的原因與規(guī)律性因與規(guī)律性 (Rydberg公式公式)12113.6 eVEn 22213.6 eVEn 21hchEE19222721212113.6 1.602 101111.096 1)01()(hcnnnn2) 可解釋其他發(fā)光現(xiàn)象可解釋其他發(fā)光現(xiàn)象 (如光的形成如光的形成)3) 可計(jì)算氫原子的電離能可計(jì)算氫原子的電離能4) 提出提出 n 是能級(jí)的概念，為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)是能級(jí)的概念，為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。展做出了貢獻(xiàn)。 Bohr理論的缺陷是未能完全沖破經(jīng)

16、典力學(xué)的理論的缺陷是未能完全沖破經(jīng)典力學(xué)的束縛，束縛， 它只是在經(jīng)典力學(xué)連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，它只是在經(jīng)典力學(xué)連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，人為地人為地引入了一些量子化條件，沒有考慮到電子引入了一些量子化條件，沒有考慮到電子的運(yùn)動(dòng)不遵守經(jīng)典力學(xué)定律，也沒有認(rèn)識(shí)到電子的運(yùn)動(dòng)不遵守經(jīng)典力學(xué)定律，也沒有認(rèn)識(shí)到電子運(yùn)動(dòng)的波粒二象性。運(yùn)動(dòng)的波粒二象性。局限局限： 不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu) 不能解釋氫原子光譜在磁場(chǎng)中的分裂不能解釋氫原子光譜在磁場(chǎng)中的分裂 不能解釋多電子原子的光譜不能解釋多電子原子的光譜例例1：試計(jì)算氫原子的第一電離能是多少？：試計(jì)算氫原子的第一電離能是多少？11522

17、113.28910(-)1EEEh151813.28910 2.17910 JEhI15n2218218n2113.289 10 () 2.179 10 J/2.179 10 JEEEhhnnEn 解：解：氫原子的第一電離能氫原子的第一電離能氫原子其它能級(jí)的能量氫原子其它能級(jí)的能量光的二象性光的二象性EhEhhPmccc 17世紀(jì)末，牛世紀(jì)末，牛頓和惠更斯頓和惠更斯 分別分別提出了光的微粒說(shuō)提出了光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)。和波動(dòng)說(shuō)。Louis de Broglie1892-1987，法國(guó)，法國(guó) 1924年提出，電子等年提出，電子等微觀粒子微觀粒子除具有粒子性外，同除具有粒子性外，同樣具有波動(dòng)性。這種

18、波被稱為物質(zhì)波樣具有波動(dòng)性。這種波被稱為物質(zhì)波 (德布羅意波德布羅意波)。hhPmv 根據(jù)電子衍射圖計(jì)算得到的根據(jù)電子衍射圖計(jì)算得到的電子射線的波長(zhǎng)與電子射線的波長(zhǎng)與de Broglie 預(yù)預(yù)期的波長(zhǎng)一致。期的波長(zhǎng)一致。1927年，年，Davission 和和 Germer ：波動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論波動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論1929物質(zhì)和光：新物理學(xué)物質(zhì)和光：新物理學(xué)1939物理學(xué)中的革命物理學(xué)中的革命1953海森伯不確定關(guān)系海森伯不確定關(guān)系 和波動(dòng)力學(xué)的概率詮釋和波動(dòng)力學(xué)的概率詮釋1982 波粒二象性是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征。需要用量波粒二象性是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征。需要用量子力學(xué)來(lái)描述。子力學(xué)來(lái)描述。電子的粒子性與波動(dòng)性定量的聯(lián)系了起來(lái)。電子的粒子性與波動(dòng)性定量的聯(lián)系了起來(lái)。任何運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，包括宏觀物體都可以按照任何運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，包括宏觀物體都可以按照 de Broglie 式計(jì)算它們的波長(zhǎng)。式計(jì)算它們的波長(zhǎng)。de Broglie 物質(zhì)波的意義物質(zhì)波的意義hmv經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué): :可用準(zhǔn)確的位置和動(dòng)量描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)可用準(zhǔn)確的位置和動(dòng)量描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)微觀粒子微觀粒子: :？ 電子的質(zhì)量：電子的質(zhì)量：9.1 10-28 g電子的速度：電子的速度：3 108 m