《人类对原子结构的认识历史》

揭示物质结构的奥秘黄荣生2011年·3月课程结构1.绪言（专题1）2.内容3.结束语（专题5）原子结构与元素的性质（专题2）微粒间作用力与物质性质（专题3）分子空间结构与物质性质（专题4）1、化学发展经历了漫长的历史（1）石器时代:（2）陶器时代:（3）铜器时代:（4）铁器时代:人类生产发展史上的一个里程碑。2、近代化学发展里程（4）1869年后门捷列夫揭示元素周期律；（1）18世纪，波义耳（化学之父）最早提出元素的科学定义；（2）19世纪初，道尔顿（原子之父）提出了原子学说；（3）1811年阿伏加德罗提出分子说；（5）1901年约瑟夫·汤姆生提出原子的葡萄干面包模型；（6）1909年,卢瑟福提出原子的有核模型。（7）对有机物认识的进展：（8）物理学上的重大发现：碳原子的四价碳原子成键的立体构型分子中价键的饱和性有机合成可“按图索骥”电子氢原子光谱元素的放射性微粒的波粒二象性（量子力学）红外光谱电子显微原子吸收光谱X射线衍射（9）实验方法上的改进：人类对原子结构的认识1.原子是哪些基本微粒构成的？2.构成原子的各种微粒是否带有电荷？为什么原子是电中性的？3.构成原子的各种微粒在数量上有什么规律？这些微粒的体积和质量有什么特点？谈谈你对对原子结构的认识微粒电子原子核质子中子质量(Kg)9.109×10-311.673×10-271.675×10-27相对质量0.00054841.0071.008电量(C)1.602×10－191.602×10－190电荷－1+10原子的组成德谟克利特：朴素原子观道尔顿：原子学说汤姆生：“葡萄干面包式”模型卢瑟福：带核原子结构模型玻尔：原子轨道模型现代量子力学模型180319041911191319263、原子结构的发展历史1911年，英国物理学家卢瑟福通过α粒子的散射实验，提出了原子结构有核模型。他认为原子的质量主要集中在原子核上，电子在核外空间高速运动。卢瑟福实验许多物质都能够吸收光或发射光，利用仪器将物质吸收光或发射光的波长和强度分布记录下来，就得到所谓的光谱。连续光谱：由各种波长组成，且相近波长差别极小而不能分辨的光谱线状光谱：由具有特定波长的、彼此分立的谱线所组成的光谱连续光谱：由各种波长组成，且相近波长差别极小而不能分辨的光谱连续光谱(实验室）电磁波连续光谱氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量H2(g)，高压放电，发出紫外光和可见光→三棱镜→不连续的线状光谱氢原子的光谱为什么是线状光谱而不是连续光谱呢？经典电磁理论不能解释氢原子光谱：•卢瑟福有核模型结合经典电磁理论：电子绕核作高速圆周运动，发出连续电磁波→连续光谱，电子能量↓→坠入原子核→原子湮灭•事实：氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）；原子没有湮灭。4.玻尔原子模型1913年，丹麦物理学家玻尔把普朗克的相关量子理论与卢瑟福的原子模型相结合，较好地解释了氢原子光谱，提出新的原子结构模型，。有核原子模型年光子学说量子论根据Rutherford.D）1908(Einstein.A)1990(Plack.M科学趣闻•紫外灾难：普朗克量子论-能量量子化•光电效应：爱因斯坦发现光的强度无关，只与光的频率有关。①原子中的电子在具有确定能量的轨道上绕原子核运动，原子不受外界影响时，不吸收也不不辐射能量。②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），不同轨道的能量是不连续变化的，能量是某些不连续的数值，是量子化的。轨道能量依n值（1，2，3，…）的增大而升高。量子数玻尔结合量子化条件和经典力学公式，计算出了氢原子中电子运动的速度、轨道半径和能量，完美的解释了氢原子光谱。③通常,电子处在能量最低的轨道(基态n=1)上运动；当原子获得能量后，被激发到高能量轨道上，处于激发态；只有当电子从一个轨道（能量为Ei）跃迁到另一个轨道（能量为Ej）时，才会辐射或吸收能量。每一次跃迁（辐射或吸收）的能量以光的形式产生一条分立的谱线，被记录下来，就形成了光谱。跃迁演示氢原子能级连续光谱和原子发射光谱(线状光谱)比较电子跃迁在生活中的应用波尔原子模型局限性：只限于解释氢原子或类氢离子（单电子体系）的光谱，无法较好解释多电子原子的光谱。原因：人为地引入某些物理量（电子运动的轨道角动量和电子能量）“量子化”，以修正经典力学的思路出问题了。用量子力学来处理宇宙间物质的运动规律更有普遍意义，特别是微观粒子（小空间、小微粒、大速度）的运动。微观粒子的运动特征1、微观粒子的波粒二象性：光的传播（波）和光与实物的作用（粒）E=mc2=hνP=mcP=h/λ（德波罗意公式，波粒相连）2、海森堡测不准原理:△x×m×△v≥h/4πh:普朗克常数6.626×10-34J/s核外电子没有确定的轨道，也没有家，只有。。。。。电子运动统计规律的形象描述：电子云模型微观粒子的运动特征薛定谔波动方程的提出，标志着近代量子力学理论的建立。它可以计算出电子云径向分布和角度分布。我们在描述核外电子的运动时，只能指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。电子在原子核外空间一定范围内出现，可以想象为一团带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，所以，人们形象地把它叫做“电子云”。电子云常把电子出现的概率约为90%的空间圈出来思考：小黑点代表什么？小黑点的疏密代表什么？氢原子电子云的特点:（1）呈球形对称。（2）在离核近处密度大，离核远处密度小。（3）在离核近处单位体积的空间电子出现的机会多，在离核远处单位体积的空间电子出现的机会少。电子云的形成原子核外电子的运动状态（原子轨道）二、多电子原子核外电子的运动特征和状态原子核外电子的运动特征（电子云）原子核外电子的排布规律1.电子层电子层符号ＫＬＭＮＯ电子层12345离核远近电子的能量S的原子轨道是________形的，电子层序数越大，原子轨道的________。2.电子亚层和原子轨道P的原子轨道是________形的，每个P轨道（亚层）有_______个轨道，它们互相垂直，分别以_____、______、_______为符号。P原子轨道的平均半径也随电子层序数增大而_____。１Ｓ２Ｓ1.电子亚层ＰＺd轨道角度分布图(剖面图)电子层原子轨道类型原子轨道数目可容纳电子数1234n问题1：完成下面表格电子层原子轨道类型原子轨道类型数目可容纳的电子数目11s22s，2p33s，3p，3d44s，4p，4d，4fn—12489181632n22n2能级图问题2：比较下列多电子原子的原子轨道的能量高低：(1)1s2s3s4s(2)nfndnsnp(3)3px3py3pz(4)3px5py4pz(5)3s4p(6)4s3p(7)4s3dKLMNOP1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f电子层轨道核外电子填充顺序图轨道能量顺序71.最低能量原理──电子在原子轨道上的排布，要尽可能使电子的能量最低。2.泡利不相容原理──每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋方向必须相反。原子核外电子排布的三大原理3.洪特规则──电子在等价轨道（能量相同的轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。这种排布，电子的能量最低。15626224333221sdpspss110626224333221sdpspss14Si18Ar20Ca24Cr29Cu10Ne针对训练写出下列元素原子结构示意图、电子排布式及其简化形式、外围电子排布式、电子轨道表示式：根据洪特规则，人们总结出，当同一亚层轨道半充满、全充满以及全空时，是比较稳定的。0p0d0f洪特规则特例：14f6p10d全充满3p5d7f半充满全空本课总结：知识体系原子核外电子运动特征排布遵循的原理和规则原子核外电子排布的表示式能量最低原理泡利不相容原理洪特规则电子排布式轨道表示式人类对原子结构认识的历史！