Chapter2物质结构基础.

Chapter2物质结构基础目的要求1.了解核外电子运动的特征（波粒二象性）和电子云的基本概念。2.了解原子轨道的能级和核外电子分布三原则。3.了解核外电子分布和元素性质的周期性。4.了解金属键、离子键、共价键、配位键的特征。5.了解极性分子和非极性分子的性质。112种元素(尚未命名110Uun、111Uuu、112Unb)(现已发现第113、114、116号)。惰性元素：6个；非金属元素：16个；金属元素：90个。大部分处于周期表的副族，称为过渡元素。世界上种类繁多、琳琅满目的物质，都是由为数不多的基本元素组成的。1.概述物质具有固态、液态、气态、等离子态、中子态、液晶等各种状态。A)通常讲，物质由分子组成，分子由原子组成。所以，研究物质的性质以及物质之间的化学变化(化学反应)就必须从研究原子本身的结构开始。B)在物质的化学变化过程(化学反应)中。原子核并不发生改变(核反应除外)，只是核外电子运动状态发生了变化。所以研究原子的结构应主要研究其核外电子的运动。为什么要研究原子的结构？核电荷数＝质子数＝核外电子数，原子直径：10-10m数量级。electronnuclear原子核及核外电子的模型质子(+)中子原子核(+)核外电子(-)原子Section2.1AtomicModelsThroughtheHistory(DevelopmentofModernAtomicTheory)微观粒子的运动特征：经历了从经典到现代的不断认识的过程。认识水平与当时理论科学的发展程度是密切相关的。JohnDalton’s原子模型(1803)J.J.Thomson’s原子模型(1898)E.Rutherford’s原子模型(1911)Bohr’s原子模型(1923)原子波动力学模型(1926)+++++++++---------2.1.1TheClassicalModelofAtomicStructureEvolutionofthemodeloftheatom(1)J.Dalton的原子学说1805年，英国中学教师道尔顿明确地提出了他的原子论，理论要点是：每一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式。使反应前的物质变成反应后的物质。道尔顿认为原子是一个实心球体，不可再分。JohnDaltonJohnDalton’s原子模型(1803)道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。图中他给出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训——要揭示科学的真理不能光凭想象，客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。道尔顿原子论极大地推动了化学的发展。氢氧氮碳磷硫钾钡水一氧化氮二氧化硫氢氧化钾碳酸钡甲烷(2)J.J.Thomson(1856--1945)的原子“浸入模型”1895年11月8日，德国的伦琴发现了奇异的X射线，后来居里夫妇等对天然放射性的研究，以及1897年汤姆逊证明了射线是一种带负电的微粒。表明任何物质的原子都可放出带负电荷的电子。由于整个原子是电中性的，因此，原子内部一定带等伦琴居里夫妇J.J.ThomsonJ.J.Thomson’s原子模型(1898)量电荷的正电微粒。那么，这些电荷是如何分布的？1898年，威廉·汤姆逊认为原子是由带正电荷的球体及沉浸在这个正电荷球体里的电子所组成。电子均匀分布在原子内，能自由地运动，并受到一个指向原子中心的电力作用。+++++++++---------1904年，在W.汤姆逊模型的基础上，J.J.汤姆逊认为正电球中的电子是分布在一些同心球或同心球壳上，该模型俗称为“葡萄干面包”模型。(3)E.Rutherford(1871--1937)的原子“含核模型”J.J.Thomson的学生、英籍新西兰物理学家卢瑟福用α粒子（He2+）轰击金箔，发现粒子绝大多数不会发生偏转，极少数被折射或被反弹回来。说明了原子中存在一个几乎集中了全部原子质量、而大小仅为原子大小万分之一的带正电荷微粒，即原子核。卢瑟福的原子“含核式模型”（1911年）：每个原子中心有一个带正电荷的体积很小的原子核，核外为电子所环绕；原子核所带的正电荷等于核外电子所带的负电荷数；整个原子呈电中性，原子的质量几乎全部集中在原子核上。E.RutherfordE.Rutherford’s原子模型(1911)到此为止，在总结前人认识的基础上，结合当时的最新发现，由卢瑟福提出的原子模型应该是很完善的。该模型建立在Newton经典力学理论基础上。Newton根据该理论，电子在运动速度改变时，要发射电磁波，能量降低。结果是：(1)原子煙灭；(2)发射光谱连续。实际情况如何呢？1927年第五届索尔维会议(布鲁塞尔)ContinuousSpectrum2.1.2TheEmissionSpectrumoftheHydrogenAtomandBohrTheory2.1.2.1SpectralLinesofAtomicHydrogen--linespectrum+-EMRadiationLineSpectra656.3nm486.1nm434.0nm410.2nmPrism氢原子没有煙灭及发射不连续光谱的事实，说明原子结构经典模型错误。氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱（从上到下）氢原子光谱特点：1.不连续的线状光谱；2.谱线波长分布服从Balmer公式：--=R∞[----------]221n211λ式中，λ--波长，(m)，R∞--Rydberg常数，1.097373107m-1，n--大于2的正整数。n=3，Hα谱线，n=4，Hβ谱线，n=5，Hγ谱线，n=6，Hδ谱线。式中，λ--波长(m)，R∞--Rydberg常数，1.097373107m-1，n1、n2：为正整数，且n1n2，n1=1：紫外光谱区(Lyman系)，n1=2：可见光谱区(Balmer系)，n1=3：红外光谱区(Paschen系)，n1=4：红外光谱区(Brachet系)，n1=5：红外光谱区(Pfund系)。--=R∞[-----------]n121n221λ1后又在紫外和红外区发现氢光谱的其他谱线，波长服从Rydberg公式：E0251891B-B-B-B0-Bn=1n=2n=3n=4n=5n=6n=8n=7基态赖曼系巴尔麦系派兴系布拉开特系方德系2.1.2.2Planck’squantumtheory1900年，普朗克在研究黑体辐射时，提出了辐射定律，即普朗克量子论。物质只能按某常数的整数倍吸收或发射能量，因而物质得失能量具有量子化的特征，即⊿E=n·hh--普朗克常数，--光的频率，n---正整数。Planck2.1.2.3Einstein’sphotoelectrictheoryEinstein根据量子化概念，提出了光子学说，认为光是一种波。两公式将表征波动性的物理量（λ和）和表征粒子性的物理量(E和P)定量地联系起来。光子能量：E=h；λh光子动量：P=---。Einstein2.1.2.4Bohrtheoryofthehydrogenatom(principles&limitations)1913年，丹麦物理学家N.Bohr提出-----“行星式模型”。From：Planck’squantumtheory，Einstein’sphotoelectrictheory，Rutherford’satomicmodel.Bohr’s原子模型(1913)TheEssenceofBohrTheory:1.核外电子运动的轨道角动量(M)量子化(而不是连续变化)：M=nh/2(n=1,2,3,4…)符合这种量子条件的“轨道”(Orbit)称为“稳定轨道”。电子在稳定轨道运动时，既不吸收，也不幅射光子。E=-2.17810-18----JZn22.在一定轨道上运动的电子的能量也是量子化的：n=1,2,3,4…；Z—核电荷数（质子数）。原子在正常或稳定状态时，电子尽可能处于能量最低的状态—基态(groundstate)。对于H原子，电子在n=1的轨道上E=-2.17810-18J相应的轨道半径为：r=52.9pm=a0（玻尔半径）3.电子在不同轨道之间跃迁(transition)时，会吸收或幅射光子，其能量取决于跃迁前后两轨道的能量差：ΔE=E2-E1=hν=h----cλ真空中光速c=2.998108m.s-1，H原子Z=1，则光谱频率ν为：--=R∞[-----------]n121n221λ1运动时能量最低—基态，其能量为：原子的玻尔理论成功地解释了氢原子结构和氢原子光谱。局限性：1)只限于解释氢原子或类氢离子(单电子体系)光谱，不能解释多电子原子的光谱。2)人为地允许某些物理量(电子运动的轨道角动量和电子能量)“量子化”，以修正经典力学(牛顿力学)。n=2n=1n=3n=4-13.6eV0energygreaterdistanceformnucleusn=1n=3n=22.1.2.5TheWave-ParticleDualNatureofMicroscopicParticles(1)Thewave-particledualnatureofbylightEinsteinphotoelectrictheory,interference,diffraction,andphotoelectriceffectofphoton.E=h·ν,p=h/λ(2)TheWave-ParticleDualNatureofElectron.1924,deBroglie:“整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法，是过分忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？我们是不是把粒子图象想得太多，而过分地忽略了波的图象？”deBroglieλ=h/m·m---为微粒的质量，---为其运动速度，h---为普朗克常数。他提出，电子、质子、中子、原子、分子、离子等实物粒子的波长服从：3年之后(1927年)，C.J.Davisson(戴维逊)和L.S.Germer(革末)的电子衍射实验证实了电子运动的波动性--电子衍射图是电子“波”互相干涉的结果，证实了deBroglie的预言。电子衍射实验(diffractionofelectron)晶体(光栅)窄缝电子束electrondiffractionpatternelectronbeamelectrongunmetalpaper微观粒子电子的质量：9.110-31kg，运动速度：1106m.s-1，则其波动的波长为0.72nm(而电子的直径约为10-6nm)。宏观粒子子弹的质量：110-3kg，运动速度：1103m.s-1，则其波动的波长为6.62510-25nm(而子弹的直径约为106nm)。德布罗意的预言将微观粒子的波长λ、质量m和运动速度v之间可用普朗常数h(6.625×10-34J·s)联系起来：λ＝h/(mv)。粒子性---能量波动性---衍射现象电子的波粒二象性计算表明，宏观物体的波长太短，根本无法测量，也无法察觉，因此我们对宏观物体不必考察其波动性，而对高速运动着的质量很小的微观物体，如核外电子，就要考察其波动性。实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物质量m/kg速度v/(m.s-1)波长λ/pm1V电压加速的电子9.1×10-315.9×1051200100V电压加速的电子9.1×10-315.9×1061201000V加速的电子9.1×10-311.9×1073710000V加速的电子9.1×10-315.9×10712He原子（300K）6.6×10-271.4×10372Xe原子（300K）2.3×10-252.4×10212垒球2.0×10-1301.1×10-22枪弹1.0×10-21.0×1036.6×10-231.2.6TheHeisenberg’sUncertaintyPrincipleHeisenberg测不准原理：1927年德国物理学家海森堡提出了一个重要的定量关系式：