第5章原子结构和元素周期表

第五章原子结构和元素周期表Chapter5AtomicStructureandPeriodicTableofElements5.1氢原子结构的量子力学模型：波尔模型(thequantummechanicalmodelofthestructureofhydrogenatom—Bohr’model)自然界的连续光谱5.1.1氢原子光谱实验室的连续光谱5.1.1氢原子结构的量子力学模型：波尔模型(thequantummechanicalmodelofthestructureofhydrogenatom—Bohr’model)①不连续的、线状的，②是很有规律的.氢原子光谱特征:与日光经过棱镜后得到的七色连续光谱不同,原子受高温火焰、电弧等激发时,发射出来的是不连续的线状光谱.每种元素的原子都有其特征波长的光谱线,它们是现代光谱分析的基础.氢原子的发射光谱是所有原子发射光谱中最简单的，发出紫外和可见光。氢原子光谱由五组线系组成,即紫外区的莱曼(Lyman)系,可见区的巴尔麦(Balmer)系,红外区的帕邢(Paschen)系、布莱克特(Brackett)系和芬得(Pfund)系.任何一条谱线的波数(wavenumber)都满足简单的经验关系式:2221111~nnRH巴尔麦经验公式式中v为波数的符号,它定义为波长的倒数,单位常用cm-1;RH为里德伯常量,实验确定为3.289x1015m-1;n2大于n1,二者都是不大的正整数.各线系n的允许值见下表：TheallowedvaluesforninaboveequationNamen1n2LymanseriesBalmerseriesPaschenseriesBrackettseriesPfundseries123452,3,4,…3,4,5,…4,5,6,…5,6,7,…6,7,8,…例如：对于Balmer线系的处理12215s)121(10289.3nvn=3红（Hα）n=4青（Hβ）n=5蓝紫（Hγ）n=6紫（Hδ）1510289.3氢原子核内只有一个质子，核外只有一个电子，它是最简单的原子.在氢原子内，这个电子核外是怎样运动的？这个问题表面看来似乎不太复杂，但却长期使许多科学家既神往又困扰，经历了一个生动而又曲折的探索过程.爱因斯坦的光子学说普朗克的量子化学说氢原子的光谱实验卢瑟福的有核模型1913年，28岁的Bohr在的基础上，建立了Bohr理论.波粒二象性5.1.2玻尔理论Bohr理论的主要内容年轻的丹麦物理学家玻尔(BohrN，1885-1962)于1913年提出的氢原子结构的量子力学模型是基于下述3条假定：★关于固定轨道的概念.玻尔模型认为,电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动.因此，玻尔的氢原子模型可以形象地称为行星模型。固定轨道是指符合一定条件的轨道,这个条件是,电子的轨道角动量L只能等于h/(2Π)的整数倍：2hnmvrL式中m和v分别代表电子的质量和速度,r为轨道半径,h为普朗克常量,n叫做量子数(quantumnumber),取1,2,3,…等正整数.轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约,图中示出的这些固定轨道,从距核最近的一条轨道算起,n值分别等于1,2,3,4,5,6,7.根据假定条件算得n=1时允许轨道的半径为53pm,这就是著名的玻尔半径.★关于轨道能量量子化的概念.电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化.即原子只能处于上述条件所限定的几个能态,不可能存在其他能态.指除基态以外的其余定态.各激发态的能量随n值增大而增高.电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态.定态(stationarystate)：所有这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动,且不辐射能量.基态(groundstate):n值为1的定态.通常电子保持在能量最低的这一基态.基态是能量最低即最稳定的状态.激发态(excitedstates):★玻尔模型认为,只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时,原子才能以光子的形式放出能量(即,定态轨道上运动的电子不放出能量),光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差.根据普朗克关系式,该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：关于能量的吸收和发射.ΔE=E2－E1=hν如果电子由能量为E1的轨道跃至能量为E2的轨道,显然应从外部吸收同样的能量.hEEEEh1212E:轨道的能量ν：光的频率h:Planck常数6.626x10-34J.S1-22212221222118182221181-22211534ctron13.6eV.ele:BeV11eV1113.60eV1110242.610179.2J1110179.2s1110289.3sJ10626.6氢原子基态能量nnBnnnnnnnnhvE●计算氢原子的电离能波尔理论的成功之处●解释了H及He+、Li2+、B3+的原子光谱WavetypeHαHβHγHδCalculatedvalue/nm656.2486.1434.0410.1Experimentalvalue/nm656.3486.1434.1410.2●说明了原子的稳定性●对其他发光现象（如Ｘ光的形成）也能解释●不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂波尔理论的不足之处●不能解释氢原子光谱的精细结构●不能解释多电子原子的光谱Question请计算氢原子的第一电离能是多少？1-22151s)111(10289.3vhvEEE118H-1156.13J10179.2Rs10289.3IeVhE（氢原子的第一电离能）J10179.2/J10179.2s1110289.32182181-2215nEnnhhvEEEnn（氢原子其他能级的能量）1.5.1.1经典物理学概念面临的窘境（anembarrassmentoftheconceptsoftheclassicalphysics)1.5.1.2波的微粒性（particle—likewave)5.2氢原子结构(核外电子运动)的量子力学模型(thequantummechanicsmodelofhydrogenatomstructure)5.2.1波粒二象性—赖以建立现代模型的量子力学概念(wave-particleduality—afundamentalconceptofquantummechanics)5.2.1.1经典物理学概念面临的窘境Rutherford根据粒子散射实验，创立了关于原子结构的“太阳-行星模型”.其要点是：1.所有原子都有一个核即原子核(nucleus)；2.核的体积只占整个原子体积极小的一部分；3.原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；4.电子像行星绕着太阳那样绕核运动.Rutherford’sexperimentonαparticlebombardmentofmetalfoil在对粒子散射实验结果的解释上,新模型的成功是显而易见的,至少要点中的前三点是如此.问题出在第4点,尽管卢瑟夫正确地认识到核外电子必须处于运动状态,但将电子与核的关系比作行星与太阳的关系,却是一幅令人生疑的图像.istheembarrassmentoftheconceptsoftheclassicalphysics?根据当时的物理学概念,带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量,运动着的电子轨道会越来越小,最终将与原子核相撞并导致原子毁灭.由于原子毁灭的事实从未发生,将经典物理学概念推到前所未有的尴尬境地.Anunsatisfactoryatomicmodel1.5.1.2波的微粒性描述微观物体运动规律的需求呼唤物理学新概念的诞生！人们对物质和能量的认识是否只看到了硬币的一面？波粒二象性是解决原子结构问题的“总开关”.●电磁波是通过空间传播的能量.可见光只不过是电磁波的一种.Theelectromagneticspectrum电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性.1900年,普朗克(PlankM)提出了表达光的能量(E)与频率(ν)关系的方程,即著名的普朗克方程：E=hν式中的h叫普朗克常量(Planckconstant),其值为6.626×10-34J·s.普朗克认为,物体只能按hν的整数倍(例如1,2,3等)一份一份地吸收或释出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整数倍.这就是所谓的能量量子化概念.普朗克提出了当时物理学界一种全新的概念,但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程(即吸收或释出).●Plank公式地面吸收太阳能地面接收降水★以一个个光量子“hν”(不能是半个“hν”)完成.★可见光由不同频率的光组成,“hν”值有大有小.★黄光的ν值相对较大,“hν”较大,光量子的能量大.★红光的ν值相对较小,“hν”较小,光量子的能量较小.★以一个个雨滴(不是半个雨滴)完成★“雨滴”有大有小★相当于较大的“雨滴”，落至地面时的动能较大★相当于较小的“雨滴”，落至地面时的动能较小比拟Thephotoelectriceffect爱因斯坦认为,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并将这一份份数值为E的能量叫光子(photons),一束光线就是一束光子流.频率一定的光子其能量都相同,光的强弱只表明光子的多少,而与每个光子的能量无关.爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接受.以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学(quantummechanics).●光电效应1905年,爱因斯坦(EinsteinA)成功地解释了光电效应(photoelectriceffect),将能量量子化概念扩展到光本身.对某一特定金属而言,不是任何频率的光都能使其发射光电子.每种金属都有一个特征的最小频率(叫临界频率),低于这一频率的光线不论其强度多大和照射时间多长,都不能导致光电效应.Question钾的临界频率=5.0×1014s-1,试计算具有这种频率的一个光子的能量.对红光和黄光进行类似的计算,解释金属钾在黄光作用下产生光电效应而在红光作用下却不能.将相关频率值代入普朗克公式:E(具有临界频率的一个光子)=6.626×10-34J·s×5.0×1014s-1=3.3×10-19JE(黄光一个光子)=hν=6.626×10-34J·s×5.1×1014s-1=3.4×10-19JE(红光一个光子)=hν=6.626×10-34J·s×4.6×1014s-1=3.0×10-19J黄光光子的能量大于与临界频率对应的光子能量,从而引发光电效应;红光光子的能量小于与临界频率对应的光子能量,不能引发光电效应.另一面谁来翻开？波的微粒性导致了人们对波的深层次认识，产生了讨论波的微粒性概念为基础的学科量子力学（quantummechanics）.钱币的一面已被翻开！Einstein的光子学说Thephotoelectriceffect电子微粒性的实验TheexperimentsofparticleofelectronsPlank的量子论ThePlanckequation5.2.2德布罗意关系式--微粒的波动性●微粒波动性的直接证据—光的衍射和绕射在光的波粒二象性的启发下，德布罗意提出一种假想.他于1924年说：●德布罗意关系式—一个伟大思想的诞生sJ10626.6//34hphmvh1924年，LouisdeBroglie认为：质量为m,运动速度为v的粒子,相应的波长为：h为Planck常量这就是著名的德布罗意关系式.“过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；现在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”灯光源1927年，Davissson和Germer应用Ni晶体进行电子衍