第1章 原子结构与元素周期律

本章目录及要求1-1道尔顿原子论-了解1-2相对原子质量-复习高中内容1-3原子的起源和演化-选读1-4原子结构的波尔行星模型-了解1-5氢原子结构的量子力学模型-初步理解1-6基态原子电子组态-重中之重1-7元素周期系-重点1-8元素周期性-重点习题第1章原子结构与元素周期系早在古希腊哲学家德谟克利特时代(460~370BC)，就开始了对“atom”的认识(源于希腊，意为不可再分);到了十九世纪初，电子、x射线、放射性的发现，拉开了探索原子、分子内部微观结构的序幕。道尔顿原子论1805年,英国中学教师道尔顿明确地提出了他的原子论，提出了原子量的概念，发明了用来表示原子的符号(最早的元素符号),并用实验测定了一些元素的原子量。氧氢氮碳磷硫钾钡水一氧化氮二氧化硫甲烷氢氧化钾碳酸钡在1826年,瑞典化学家贝采里乌斯(C-L.Berzelius1779-1848)通过大量实验确定了当时已知元素原子量，纠正了道尔顿原子量的误值。元素道尔顿(1810)贝采里乌斯(1826）IUPAC(1997)O716.02615.9994Cl35.47035.4527F18.7318.9984032N514.18614.00674S13.032.23932.066P931.43630.973761C5.412.2512.0107H111.00794As4275.32974.92160Pt100194.753195.078此外，贝采里乌斯用拉丁字母表达元素符号的方法,沿用至今。那么，元素的原子量是如何测量的呢？1-2相对原子质量(原子量)元素、核素、同位素同位素丰度原子质量、元素的相对原子质量（原子量）元素、核素和同位素核素——具有一定质子数和一定中子数的原子(的总称)；已知的稳定核素约280种；放射性核素中天然约30种，人工约1500种。核素符号——左下角的数字是核素的质子数，左上角为核素的质量数,如168O。同位素元素——具有一定核电荷数(等于核内质子数)的原子(总称)；单核素元素——在自然界中只有一种稳定核素的元素，如199F；多核素元素——在自然界中有多种稳定核素的元素,如11H（氕）、21H（氘）、31H（氚）质子数相同，中子数不同的原子同位素丰度某元素的各种天然同位素的分数组成称为同位素丰度(f)例如，多核素元素，如氧的同位素丰度为：f(16O)=99.76%,f(17O)=0.04%,f(18O)=0.20%单核素元素，如氟，同位素丰度为f(19F)=100%。原子质量、元素的相对原子质量（原子量）核素12C的原子质量的1/12等于1u。1u=1.660566(9)×10-24g多核素元素的相对原子质量（原子量）用Ar代表多核素元素的相对原子质量，则：Ar=ΣfiMr,ifi——同位素丰度；Mr,i——同位素相对原子质量如Re有185Re（184.952977,37.298%）和187Re（186.955765,62.602%）两种天然同位素，由此得到的Re的相对原子质量为：184.952977×0.37298%+186.955765×62.602%=186.021-3原子的起源和演化(选读)1.宇宙之初2.氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧3.α过程、e过程4.重元素的诞生5.宇宙大爆炸理论的是非理论基础存在争议。1-4原子结构的玻尔行星模型1-4-1氢原子光谱1859年，光谱仪在德国海德堡大学问世，从此，光谱分析成为认识物质和鉴定元素的重要手段。普通光源的光谱氢原子光谱仪示意图2.氢原子光谱的特点编号(n)…6543（1）谱图为不连续的线状光谱（2）从长波到短波，谱线的距离越来越小（3）谱线波长(λ)与编号(n)之间存在某种关系两个经验公式编号(n)…6543A、巴尔麦(J.Balmer)经验公式7,6,5,4,3)(4600.36422nnmnn222122111211nnRnRHHＲH为里德堡常数，其数值为1.09677×107m-1。其中n2n1。当ｎ1=2时,所得到的是可见光谱的谱线,称为巴尔麦系,当n1=3,得到氢的红外光谱,称为帕逊系,当n1=1,得到的是氢的紫外光谱,称为拉曼系。只有氢光谱（类氢）有这种简单的数学关系。B、里德堡公式(J.R.Rydberg1854-1919)氢原子光谱的实验卢瑟福的原子模型普朗克的量子化学说爱因斯坦的光子学说根据经典的物理学原理，原子光谱应该是连续的，实验与理论的矛盾引起了物理学家、化学家们的浓厚兴趣。的基础上，建立了Bohr理论。1-4-2玻尔理论1913年，28岁的丹麦物理学家Bohr在玻尔理论的要点如下：1、行星模型氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。2、定态假设假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量,不会释放能量,这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。基态激发态3、量子化条件玻尔假定，氢原子核外电子的轨道是不连续的，并且根据经典力学原理推导出，在轨道上运行的电子的角动量为：Lnhn212345,,,,,这一要点称为量子化条件Lnhn212345,,,,,n称为量子数4、跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差，这就是跃迁规则。hνhνJ101792218nn.E/hchn1n110179.2EEE22211812电子的能量电子跃迁时释放出的光的波长玻尔理论的优缺点缺陷：行星轨道和行星模型是玻尔未彻底抛弃经典物理学的结果，用玻尔方法计算比氢原子稍复杂的氦原子的光谱便有非常大的误差,因此它只能用来解释氢原子光谱。学习任何理论模型的方法：要点，适用范围；解决问题，缺陷。成功之处：核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量变化。1-5氢原子结构(核外电子运动)的量子力学模型—了解、初步理解1-5-1波粒二象性1-5-2德布罗意关系式1-5-3海森堡不确定原理1-5-4氢原子的量子力学模型物体只能按hν的整数倍一份一份地吸收或释出光能,而不能是0.5,1.6,2.3等非整数倍。1900年普朗克提出了光的能量(E)与频率(ν)的关系：E=hν(Plank公式，能量量子化概念)h=6.626×10-34J·s，普朗克常量；光的粒子性——普朗克能量量子化概念1-5-1光的波粒二象性地面吸收太阳能地面接收降水以一个个光子hu完成,不能是非整数个光由不同频率的光组成，hu值有大有小黄光hu值大，能量大红光hu值大，能量大以一个个雨滴(不是半个雨滴完成)“雨滴”有大有小大“雨滴”，落至地面时的动能较大小“雨滴”，落至地面时的动能较小类比光的粒子性—光电效应及爱因斯坦的光子学说每种金属都有特征的临界频率,低于这一频率不论其强度多大和照射时间多长,都不能导致光电效应。按波动理论，如果入射光弱，照射时间加长，电子也可以积累足够的能量，飞出金属表面。E=hvP=hλ普郎克常数h将光的波粒二象性联系在一起爱因斯坦用以下两式表示光的波粒二象性:(P=mc，E=mc2)P=mc=E/c=h/c=h/1905年,爱因斯坦对光电效应的解释：入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,一束光线就是一束光子流.频率一定的光子能量都相同,光的强度与每个光子的能量无关，只表明光子的数目大。E=hvP=hλ另一面谁来翻开？波的微粒性讨论波的微粒性的学科量子力学钱币的一面已被翻开！Einstein的光子学说Plank的量子论1924年年轻的法国博士生德布罗意(LouisdeBroglie)在光的波粒二象性的启发下,提出：一切实物微粒都具有波粒二象性，并导出公式:λ为波长m为实物粒子质量v为实物粒子速度p为实物粒子动量h为普朗克常量λ==hmvhp微粒波动性的证据—电子的衍射实验1927年美国的戴维森和杰尔麦通过电子衍射实验，证实了德布罗依的假设―电子的波动性。1-5-2德布罗意预言—实物微粒的波动性微观粒子电子：宏观物体子弹：我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：波长与x射线数量级相近m=1.0×10-2kg,ν=1.0×103m•s-1λ=6.6×10-35m波粒二象性是否只有微观物体才有？m91036.7~m101036.717631m.s10~10kg,1010.9vm波长极短，难以察觉；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电压加速的电子9.1×10-311.9×1073710000V电压加速的电子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1.0×10-21.0×1036.6×10-23Δx·Δp≥h/(4π)具有波粒二象性的电子，不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，服从统计规律。海森堡认为不可能同时准确测定运动微粒的位置和动量或速度。位置测得越准确，其速度测得越不准确，反之亦然。1-5-3海森堡不确定原理对于不能同时确定位置与时间的事物，需要用“几率”来描述。许多宏观事物也需要用几率才能描述。例如，一个技术稳定的射箭选手，我们并不能肯定他射出的第几根箭会射中靶心，但可以给出这根箭射中靶心的几率。我们不知他每一根箭落在哪里，但是，可以得到射箭的几率分布图。电子在核外空间各点出现的几率也用分布图描述。4.波尔理论的基本内容3.Bohr理论的四个理论基础5.德布罗意预言公式、海森堡不确定原理公式氢原子的光谱实验卢瑟福的原子模型普朗克的量子化学说E=hν爱因斯坦的光子学说①行星模型~~氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。②定态假设~~假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量,不会释放能量,这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。③量子化条件~~玻尔假定，氢原子核外电子的轨道是不连续的，并且根据经典力学原理推导出，在轨道上运行的电子的角动量为：Lnhn212345,,,,,④跃迁规则~~电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能级的能量差。λ==hmvhpΔx·Δp≥h/(4π)量子力学：研究微观粒子运动规律的学科。量子化：微观粒子的物理量一份一份地进行变化。量子：变化的最小份额。1-5-4氢原子的量子力学模型(难点，初步理解)电子也是一种微观粒子，电子的运动规律能不能借助量子力学理论进行描述呢？1926年，奥地利物理学家薛定谔(Schrodinger)提出了描述微观粒子运动的薛定谔方程。ψ)(822222222VEhmzyx*薛定谔方程中*(x，y，z)，波函数(原子轨道)，描述微观粒子(电子)的运动状态；m是电子的质量；h是普朗克常量；E是能量，等于势能(V)和动能(E-V)之和；2,电子云,表示微观粒子(电子)在空间某点出现的几率密度；一个小黑点：电子出现在核外空间的一次几率；几率密度越大，电子云图像中小黑点越密。1s电子云图为解薜定谔方程，描述电子的运动状态，引入四个量子数(n,l,m,ms)，四个量子数确定后，即可定出电子的运动状态。•主量子数n：决定原子轨道(电子云)的半径；•角量子数l：决定原子轨道(电子云)的形状；•磁量子数m：决定原子轨道(电子云)在空间的取向(伸展方向)；•自旋量子数ms：决定电子的自旋运动方向。1.主量子数n—电子云在核外空间扩展程度(远近，能量)n=