物质结构第1课

第一章物质结构1.1原子的结构一、原子结构发展史19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小不可分割的实心球体。1897年，英国科学家汤姆生发现了电子。卢瑟福α粒子散射实验太阳光或白炽灯发出的白光是一种复色光，当它通过三棱镜折射后便可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等所有不同波长的光谱，这种光谱叫做连续光谱。当NaCl被放到火焰中，由于钠离子被激发出不同波长的光，当这种光通过三棱镜分光后，我们只能看见几条亮线，这是一种不连续光谱，即线状光谱或原子光谱。太阳光（复色光）通过棱镜得到按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫次序分布的彩色光谱。连续光谱氢原子光谱是最简单的一种原子光谱。在一个熔接着两个电极，且抽成真空的玻璃管内，装进高纯的低压氢气，然后在两极上施加很高电压，使低压气体放电，氢原子在电场的激发下发光。使这种光线经狭缝，再通过棱镜分光后可得含有几条谱线的线状光谱，即氢原子光谱。氢原子光谱实验示意图氢原子光谱玻尔理论1913年，年仅28岁的丹麦物理学家玻尔（Bohr）将普朗克的量子论用于卢瑟福的原子模型，普朗克量子论（1900）：普朗克量子论的基本思想：物质不能连续地吸收或辐射能量，只能不连续地一份一份地吸收和辐射能量，这就叫能量量子化。这一份一份不连续能量的最小单位称为光量子，简称光子。光子的能量（E0）与辐射光的频率成正比：E0＝hν（h－普朗克常数6.626×10－34J.s）玻尔理论：提出了解释氢原子光谱的两点假说：①定态轨道和能级的概念：电子在核外不能沿着任意的轨道运动，只能沿着某些特定的圆形轨道运动。电子在这些轨道上运动时并不吸收或辐射出能量。电子在不同的轨道上运动时，其能量是不同的，而且能量随n值增大而升高；n值的变化是跃迁式的，一级一级分开的，这一级一级分开的不同的能量状态称为能级。通常情况下，电子尽可能处于离核最近，能量最低的轨道上运动，这时原子所处的状态称为基态。原子吸收能量，电子被激发到离核较远，能量较高的轨道上运动时，原子所处的状态称为激发态。②激发态原子发光的原因：只有电子在不同轨道之间发生跃迁时，原子才会吸收或辐射出能量。发射出的光子的能量与ν成正比，而且取决于电子跃迁前后两个轨道的能级差值。即：E0＝hν＝E2－E1玻尔成功地解释了氢原子光谱现象，提出了能级的概念，对近代原子结构的研究作出了贡献，获得1922诺贝尔奖。玻尔理论有着严重的局限性:它不能解释多电子原子光谱，甚至不能解释氢原子光谱的精细结构。问题在于:将经典力学的概念用于讨论微观粒子，没有认识到微观粒子运动的波、粒二象性这一特殊性。微观粒子的波、粒二象性1924年，法国青年物理学家德布罗意大胆地提出了微观粒子也具有波、粒二象性的假设。德布罗依关系式λ：物质波的波长或德布罗依波长m：电子的质量=9.1×10-31kg电子在100V电压下的运动速度为5.9x106m.s-1，用上式计算出电子波的波长为120pm,与X射线波长范围。mvhPh电子束晶体光栅事隔三年于1927年，德布罗依的波动性假设由戴维逊和革未的电子衍射实验所证实。由于X光通过晶体能得到衍射图像。于是戴维逊和革未也将电子束通过晶体，结果在屏幕上观察到的不是一个黑点，而是一系列明暗交替的同心圆环，和X射线的衍射图像完全相似，从而证明了电子确有波动性测不准原理vmhx2，对于微观粒子不能同时准确测出其在某一瞬间运动的速率（动量）和位置。德国青年科学家海森堡对微观粒子运动的位置和动量的测不准量提出了量子力学的一个重要关系式：二、核外电子运动状态的描述1.薛定谔方程简介薛定谔方程是描述微观粒子运动的基本方程，222222228()0mEVxyzh式中：x、y、z—是电子的空间直角坐标Ψ—波函数（是三维空间坐标x、y、z的函数）E—系统的总能量V─系统的势能（核对电子的吸引能）m、E、V体现了微粒性，Ψ体现了波动性。Ψ—是薛定锷方程的解——波函数波函数也称为原子轨道。Ψ1,0,01s轨道三个量子数的取值关系：L受n的限制n=1l=0m=0n=2l=0,1m=0n=3l=0,1,2m=0,±1,±2m的取值受l的限制：如l=0m=0l=1m=-1,0,+1l=2m=-2,-1,0,+1,+2三个量子数的一种组合形式决定一个φ，而每一个φ又代表一个原子轨道。2四个量子数1）主量子数（n）描述电子离核的远近，确定轨道能量的高低。一般，n值越大，电子离核越远，能量越高n=1,2,3,4,…,∞（共取n个值）电子层符号K、L、M、N、……2）角量子数(l)确定同一电子层中不同原子轨道的形状，在多电子原子中，与n一起决定轨道的能量l=0,1,2,3,4,…,n-1（共可取n个值）l=0,1,2,3,4,…,n-1（共可取n个值）电子层符号s、p、d、f、g……轨道形状园球形双球形花瓣形八瓣形3）磁量子数（m）确定原子轨道在空间的伸展方向。m=0,±1,±2,±3,…,±l共可取值(2l+1)个值spdf轨道空间伸展方向数：1357(m的取值个数)n,l相同，m不同的轨道能量相同。表1-1表征原子轨道的三个量子数主量子数n副量子数l亚层亚层磁量子数m亚层中的主层中(主层)(亚层)符号层数(原子轨道)轨道数轨道数1或K01s101102s0112p-1,0,+132或L2403s013或M13p3-1,0,+13923d-2,-1,0,+1,+254或N41604s0114p-1,0,+1324d-2,-1,0,+1,+2534f-3,…0…,+37