原子结构电子发现氢原子光谱阴极射线管原子的模型

Chapter4原子結構與週期表本章目錄4-1原子結構的探討4-1A電子的發現4-1B氫原子光譜4-2原子軌域及電子組態4-2A現代的原子模型4-2B原子的電子組態4-3元素與週期表4-3A週期表的發展4-3B元素的分類及其通性4-3C電子組態與週期表的關係4-3D元素性質的週期性4-1原子結構的探討原子結構電子發現氫原子光譜陰極射線管原子的模型4-2原子軌域及電子組態原子軌域電子組態軌域定義量子數表示法遞建原理包立不相容原理洪德定則遞建原理的例外電子組態氫原子及多電子原子能階4-3元素與週期表元素週期表週期表的發展電子組態與週期表的關係元素性質的週期性元素的分類元素的通性TheEndThanksforYourListening陰極射線管(1)•陰極射線管：如下圖所示•實驗內容：將管中的氣體以幫浦抽出，在兩電極中通以數千伏特的電壓，結果發現：1.若管中仍有少量氣體，則會釋放該氣體特有光線2.如果氣體抽到幾乎真空，具有顏色的光線會消失3.若在管壁塗上螢光物(如ZnS)，發現管中仍有射線從陰極發射出來，使管壁產生螢光陰極射線管(2)陰極射線(cathoderay)特性：1.氣體放電管中由陰極(負極)發射出的電子束2.不論使用何種金屬當陰極，所產生射線的性質均相同所有原子的基本粒子3.具有粒子性質可轉動放電管中的小風車4.若無外力存在，會依直線前進遇障礙物形成陰影5.受到電場吸引而向正極偏轉，亦受到磁場影響而產生偏向帶負電粒子流陰極射線管(3)▲(A)未加磁場的陰極射線；(B)磁鐵的S極(白色端)指向射線時，射線向下偏轉；(C)磁鐵的N極(紅色端)指向射線時，射線向上偏轉。偏轉方向可知陰極射線是帶負電粒子流陰極射線管(4)湯姆森發現(J.J.Thomson，英國)：1.命名為電子(electron，e)2.電子束在電場或磁場的偏轉角度隨電場或磁場強度的增加而變大3.電子偏轉角度和質量(m)及所帶電量(e)有關質量愈輕，物質愈易偏轉帶電量愈多的物質，和電場或磁場的交互作用力愈大，也愈易偏轉4.電子荷質比(e/m)：1.759×1011C/kg油滴實驗密立坎(R.A.Millikan，美國)：一個電子的帶電量為1.602×1019庫侖例題4-1•根據電子荷質比，試算出一個電子的質量？•Ans：e/m=1.759×1011庫侖/公斤1.602×1019庫侖1.759×1011庫侖/公斤=9.109×10－31公斤4-1原子模型(1)•α粒子散射實驗：提出者：拉塞福(E.Rutherford，紐西蘭)α粒子：氦原子核(He2＋)實驗結果：顯示幾乎所有撞擊金箔的α粒子均直線通過，好像沒有金箔存在一般，僅有極少數的α粒子產生偏折或反彈α粒子來源金箔α粒子束大部分α粒子不偏折圓弧形螢光幕少數α粒子產生偏折α粒子散射實驗裝置原子模型(2)拉塞福的解釋：金原子核體積小，帶正電荷，質量比α粒子大，因此當α粒子撞擊含有數千個原子厚度的金箔時，大部分α粒子直接穿透金箔，唯有接近或碰到金原子核的α粒子受到同性電荷的排斥力，才會產生偏折或反彈原子模型(3)拉塞福的原子模型：內容：原子內大部分空間是空無一物，質量集中在極小空間，稱為原子核，帶負電荷的電子在原子核四周運動，原子核則帶相同數量的正電荷以維持原子的電中性模型：行星說電子如同行星般，繞著中心的原子核依一定的軌道運轉質子的發現•發現者：拉塞福(E.Rutherford，紐西蘭)•方法：α粒子撞擊氮原子，產生質子(氫原子核)質子符號：p或H+•方程式：He24N714O817p11++中子的發現•發現者：查兌克(J.Chadwick，英國)•方法：α粒子撞擊鈹原子，產生中子中子符號：n•方程式：He24C612n01++Be49原子的結構原子原子核核外的電子：帶負電荷質子：帶正電荷，質量1.67310-24g為電子的1836倍中子：不帶電荷，質量1.67510-24g和質子相近佔有原子的大部分質量佔有原子的大部分體積4-1電磁波種類▲各種不同型態的電磁波，其中人類、指甲等各項圖例所擺放的位置，分別代表其實物大小和波長長度的對應關係連續光譜(continuousspectrum)▲白熾燈光經過細縫，再經由三稜鏡的折射，可以產生七彩的連續可見光譜由各種連續波長的電磁波所組成的光譜連續光譜動畫線光譜(linespectrum)僅含有某些特殊頻率電磁波光譜，彼此不連續呈線形分布▲鋰、鈉、鍶元素所產生的原子光譜，鋰原子和鍶原子在焰色試驗法中都產生紅光，但透過儀器卻發現它們的波長有所不同不連續光譜動畫光的雙重性(1)•波動性：光為電磁波真空中光速：3108(m/s)公式：c=c：光速(m/s)：波長(m)：頻率(1/s)•電磁波的波長大小：無線電波微波紅外線可見光紫外線X射線射線(可見光範圍：400~700nm，1nm=10-9m)光的雙重性(2)•粒子性：光為粒子，稱為光子公式：E=h=hE：光能(J/個)h：蒲朗克常數=6.62610-34(Js/個)：頻率(1/s)關係式：，E，Ec1氫原子光譜(1)•提出者：巴耳末(J.J.Balmer，瑞士)•過程：裝有少量H2的放電管，通過高壓電會產生藍光•結果：經過三稜鏡產生4條明顯可見光的線光譜656.3nm紅光、486.1nm綠光434.0nm藍光、410.1nm紫光波長，譜線間距離氫原子光譜(2)•拉塞福原子模型及古典物理學的矛盾：帶負電的電子受原子核正電的吸引，應會撞上原子核而崩潰結果：原子相當穩定電子受原子核吸引過程中，會持續放出能量，應會產生連續光譜結果：產生線光譜氫原子光譜(3)•波耳的氫原子模型：提出2個假設1.氫原子的電子具有某些特定能量時，便能穩定存在，而不會有輻射現象穩定態能量以能階(energylevel)由低到高排列，可用n=1、2、3、…表示，這些整數值稱為量子數能階公式：En=(J/個)(kJ/mol)2.1791018n21312n2=氫原子光譜(4)2.氫原子在正常情況，電子會存在最低能階，稱為基態(groundstate)當電子吸收外來能量，便會躍遷至較高能階，此時原子呈激發態(excitedstate)激發態電子從較高能階(Ei)降到較低能階(Ef)時，會將多餘能量以光或熱的形式放出：ΔE=EiEf==k()kni2knf21nf21ni2氫原子光譜(5)ΔE=h==()=R()==R：雷得堡常數=3.2891015(s-1)Eh1nf21ni2kh1nf21ni2ccR1nf21ni21氫原子光譜(6)▲氫原子能階及電子躍遷時所產生的光譜和氫原子模型氫原子光譜(7)氫原子光譜可分為三群：1.可見光區：巴耳末系(n2n=2)2.紫外光區：來曼系(n1n=1)3.紅外光區：帕申系(n3n=3)布拉克系(n4n=4)佈芬土系(n5n=5)氫原子光譜(8)第一條譜線最末條譜線來曼系n=2n=1n=n=1巴耳末系n=3n=2n=n=24-14-2波耳氫原子模型的缺點•僅能解釋單電子原子或離子單電子原子：H原子類氫離子：He+、Li2+…•電子依固定軌道繞原子核運轉實際上電子並非在原子核作圓周運動量子力學新發現•原子核外電子並不像行星繞太陽一樣有固定軌道(orbit)，而且無法預測電子的運動軌跡，只知道電子在空間中某點出現的機率有多大•新概念：以軌域(orbital)取代軌道(orbit)原子核往外延伸，電子總出現機率90%所涵蓋的空間範圍，稱為電子的軌域(orbital)，即不同狀態下電子最可能被發現的特定區域以量子數表示電子軌域(1)•量子數：可分成4種1.主量子數(n)：決定電子所具能量及軌域體積n為正整數，即n=1,2,3…，對應之殼層為K、L、M、…n，電子能量，軌域體積2.角量子數(l)：決定軌域形狀l=0,1,2…,(n-1)主量子數n含有n種不同形狀的軌域l=0s軌域(球形)；l=1p軌域(啞鈴形)l=2d軌域(扇葉形)；l=3f軌域以量子數表示電子軌域(2)3.磁量子數(m)：決定軌域方位及數目m=l…0…+l每個l值可有(2l+1)個m值例：p軌域l=1m=-1,0,+1p軌域在空間有3個方位：px、py、pz軌域數：s軌域1個，p軌域3個d軌域5個，f軌域7個4.旋量子數(s)：決定電子自旋方向s=+½及s=-½每一軌域最多只能存有二個電子，且自旋方向必相反最大電子數：s軌域2個，p軌域6個d軌域10個，f軌域14個▲1s及2s軌域中電子分布機率的截面圖，將電子出現機率總和為90%的部分以實線框住。•出現在n≧1的主殼層•形狀：球形對稱，無方向性•同一半徑的球面，電子出現的機率相等•n，ns軌域電子雲半徑，能量▲電子在px軌域的空間分布•出現在n≧2的主殼層•形狀：啞鈴形•n，np軌域電子雲半徑，能量pxpypz•p軌域電子雲分別位於x、y、z三個相互垂直的軸上，分別為px、py、pz•同一主層，能量px=py=pz•有方向性，例：在yz平面發現px軌域電子之機率為0▲帶電荷的電子有兩種不同的旋轉方式，如藍色箭頭所示，因此會形成兩種不同的磁場，如紅色箭頭所示s=+½s=-½▲原子中不同主殼層能填入的最多電子數主量子數n軌域標示副殼層中軌域總數可容納電子數主殼層中軌域總數(n2)各主殼層中最多電子數(2n2)1(K)1s12122(L)2s12482p363(M)3s129183p363d5104(N)4s1216324p364d5104f714▼前四個主殼層中軌域的標示及數目4-2氫原子能階•對象：1.單電子原子：H2.單電子離子：He+、Li2+•能階高低：1.能階高低僅由主量子數n決定n，能階2.相同主量子數的軌域，其能量均相同，即ns=np=nd=nf氫原子能階動畫▲氫原子軌域的能階圖。相同主量子數的軌域，其能量均相同，例如3s=3p=3d多電子原子能階•對象：電子數≧2之原子或離子•能階高低：1.能階高低由(n+l)決定(n+l)，能階2.(n+l)值相同時，由n值決定n，能階▲多電子原子軌域的能階示意圖。主量子數相同的軌域，其能量並不相等，例如3s＜3p＜3d4-2電子組態&遞建原理•電子組態(electronconfiguration)：原子中各電子在不同軌域的分布情形，以簡易代號方式顯示其排列順序，必須遵守遞建原理、包立不相容原理及洪德定則•遞建原理(aufbauprinciple)：電子填入各軌域時，由能量較低的軌域開始填起，往較高能量的軌域填下去，下圖所示為多電子原子軌域的能量高低順序4-2電子組態動畫▲多電子原子軌域的能量高低順序圖例能量順序：1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜…包立不相容原理•內容：每一個軌域最多僅能存有兩個電子，而且二者的自旋方向必須相反•舉例：2He：1s2(電子軌域填入圖)5B：1s22s22p1例題4-2•試寫出2He、10Ne及18Ar的電子組態?•Ans：He：1s2Ne：1s22s22p6Ar：1s22s22p63s23p64-2洪德定則(1)•內容：數個電子填入相同副殼層的數個軌域時，會先以相同的自旋方式分別填入各個軌域，當所有軌域均半填滿後，才允許自旋方向相反的電子再填入，這樣的電子排列方式能得到最低的能量狀態•舉例1：哪一種是處於最低能量的基態呢？(A)(B)(C)Ans：(C)洪德定則(2)•舉例2：S原子序16，電子組態：1s22s22p63s23p4其電子軌域填入圖為：因為前十個電子的填法和Ne原子相同，所以寫成[Ne]3s23p4電子組態的激發態•電子組態違反電子軌域填入原則，則：1.激發態：違反遞建原理及洪德定則2.不存在：違反包立不相