1、1,化學(xué)的微觀世界,葉玉堂 東海大學(xué)化學(xué)系,四校聯(lián)盟暑期科學(xué)營(yíng) 中華民國(guó)93年7月2日,專題一,2,科學(xué)發(fā)展過(guò)程,天文,物理,化學(xué),地質(zhì),生物,3,道爾頓原子說(shuō) (Daltons Atomic Theory),1. 構(gòu)成物質(zhì)最小單位粒子為原子,2. 原子為堅(jiān)硬實(shí)體,無(wú)法繼續(xù)細(xì)分,3. 任何特定元素均由相同的原子組成，不同的元素的組成原子彼此間之基本性質(zhì)也不相同,4,4. 化合物是由原子組合而成,相同化合物的組成原子及彼此間相對(duì)原子數(shù)目也相同,5. 化學(xué)反應(yīng)乃牽涉化合物間原子的重組,原子本 身沒(méi)有改變,水 : H2O 原子數(shù) H ：O = 2 ：1 質(zhì)量比 H ：O = 1 ：8,拉色弗(Rut

2、herford)實(shí)驗(yàn),粒子(He2+)照射(bombard)在黃金薄片(gold foil, 4 10-5cm)上,觀察結(jié)果,1. 絕大部分粒子均直接穿過(guò)金 屬,並未偏向(deflection),2. 僅少數(shù)粒子會(huì)偏向,有些偏 向甚至超過(guò)900,6,Copyright Houghton Miffin Company. All rights reserved,7,原子乃由一帶正電荷的原子核被帶負(fù)電荷之電子環(huán)繞,借靜電吸引力結(jié)合而成,結(jié)論,相對(duì)於原子的體積,原子核體積相當(dāng)小 可視為點(diǎn)電 荷,原子核(質(zhì)子+中子)：10-13cm 電子環(huán)繞原子核距離： 10-8cm,整個(gè)原子的質(zhì)量幾乎全集中在原子核,

3、當(dāng)照射時(shí),大部分-粒子皆完全穿過(guò)金屬片無(wú)任何 阻礙,一因原子幾乎是空的,僅極少數(shù)接近原子核之-粒子(1/2000)會(huì)受到原子核正電排斥而偏向,8,電子在原子中運(yùn)動(dòng)狀況,氫原子,單一電子繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng) 月球繞地球運(yùn)動(dòng),9,問(wèn)題：如何觀察電子的運(yùn)動(dòng),使用工具必須備足的條件： 夠小 小於原子 能夠準(zhǔn)確的校準(zhǔn) 必須能與電子作用,光!,?,10,觀測(cè)結(jié)果,1. 電子的位置無(wú)法確定 用電子密度表達(dá) (機(jī)遇率),2. 能量為非連續(xù)性,11,機(jī)遇率,Copyright Houghton Miffin Company. All rights reserved,12,能量為連續(xù)性與非連續(xù)性,Copyright

4、 Houghton Miffin Company. All rights reserved,13,古典力學(xué)物質(zhì)與能量區(qū)分清楚,1. 物質(zhì)由粒子組成，具有質(zhì)量，在空間位置可以確定,2. 能量無(wú)質(zhì)量，不定域性(delocalized)， 即空間位置無(wú)法界定,3. 牛頓運(yùn)動(dòng)方程式,14,量子力學(xué)(波動(dòng)力學(xué)),粒子同時(shí)帶有能量,兩者不可分,薛丁格方程式 (Schrdinger equation),例 光：粒子(光子photon)同時(shí)以波(正弦波sine wave)形式傳遞(能量),15,薛丁格方程式,對(duì)一在位能場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的粒子,： 粒子根據(jù)在任何極小體積(任何一點(diǎn))被找到的機(jī)率,：波動(dòng)函數(shù)為一數(shù)學(xué)函數(shù)，本

5、身毫 無(wú)物理意義,16,海森堡不確定論根據(jù)波粒子二重性,在量子系統(tǒng),不可能同時(shí)確定知道粒子的位置及動(dòng)量,XpX h /4,17,波粒子二重性的困擾,1. 我們無(wú)法直接觀察微觀系統(tǒng),2. 當(dāng)光偵測(cè)原子或分子之結(jié)構(gòu)或運(yùn)動(dòng)狀況時(shí)，光必須先與偵測(cè)系統(tǒng)作用,3. 海森堡指出當(dāng)兩者作用時(shí)，同時(shí)改變了原子的狀態(tài)，以致所觀察到的情形與系統(tǒng)原來(lái)的狀況不同,- 起始條件無(wú)法確定,18,自由粒子在一維箱中之運(yùn)動(dòng),v = ,v = 0,v = ,0,L,x,n = 1, 2, 3,19,氫原子 電子繞原子核運(yùn)動(dòng),(x, y, z),x,y,z,n = 1, 2, 3 l n-1 l = 0, 1, 2 n-1 |m| l m = 0, 1, 2, 3 l,r,- 中心場(chǎng)問(wèn)題,20,2. 原子軌域數(shù),總軌域數(shù)=,1. 每組n, l, m值代表一波動(dòng)函數(shù) -原子軌域,量子數(shù) 軌域數(shù) n = 1, l = 0, m