第一章原子结构.

原子结构第一章浓缩了全世界1/3智慧的照片1936化学与儿子1914物理1921物理，在上海收到1933物理1927物理1945物理1932物理1954物理1922物理1921物理1903物理1911化学与塞曼1902物理1927年索尔维会议哥本哈根学派明星主持人德布罗意1929物理索尔维会议•一位比利时的实业家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。1911年，第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开，以后每3年举行一届。1927年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了，因为发轫于这次会议的阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔两人的大辩论，这次索尔维峰会被冠之以“最著名”的称号。一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”则成了这次会议的见证，数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物。1.1808年道尔顿模型原子是个坚硬小球2.1904年汤姆生模型“枣糕模型”3.1911年卢瑟福模型“行星式模型”4.1913年玻尔模型氢原子模型5.20世纪20年代现代模型“电子云模型”原子结构模型发展史•一切物质都是由最小的不能再分的粒子——原子构成。•原子模型：原子是坚实的、不可再分的实心球。英国化学家道尔顿（J.Dalton,1766~1844)1.道尔顿原子理论(J.Dolton，英国中学教师)•汤姆生原子模型：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了电荷，从而形成了中性原子。“葡萄干布丁”模型2.汤姆生(英国)原子模型发现了电子，对电子在阴极射线管中的偏移做了定量研究后，应用简单的电磁理论得到荷质比.1906年诺贝尔物理学奖英国物理学家汤姆生（J.J.Thomson,1856~1940）原子并不是构成物质的最小微粒——汤姆生发现了电子(1897年)3.卢瑟福原子模型(1911)实验的结果显示，几乎所有撞击金箔的α粒子均直线通过，好像没有金箔存在似地，仅有极少数的α粒子产生大角度的偏转。由此认为，原子大部分的体积应该是空无一物，而质量则集中在极小空间称为原子核，带负电荷的电子在原子核四周运动，原子核则带相同数量的正电荷，以维持原子的电中性。粒子（He2+）衍射实验在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。发生极少数α粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模型的计算，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现α粒子的大角度散射。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型。卢瑟福原子模型（又称行星式原子模型）原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成。原子核的质量几乎等于原子的全部质量，电子在原子核外空间绕核做高速运动。就像行星环绕太阳运转一样。经典的电磁理论，绕核高速运动的电子将不断以电磁波的形式发射出能量，导致两种结果：1.电子不断发射能量，自身能量不断减少，电子运动的轨道半径逐渐缩小，电子很快会落在原子核上，有核原子模型所表示的原子是一个不稳定的体系。2.电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐改变。辐射电磁波的频率随着旋转频率的改变而改变，则原子发射的光谱是连续光谱。卢瑟福模型存在的问题事实上原子是稳定存在的，原子光谱是线状光谱。这些矛盾是经典理论所不能解释的。太阳光或白炽灯，发出混合光，经三棱镜折射，分成红、橙、黄、绿、蓝、紫等不同波长的光，得到的光谱是连续光谱。原子线状光谱每种原子都有其特征光谱4.玻尔氢原子模型（1913年）建立的基础:氢光谱——线状光谱能量量子化光子学说要点：定态假设包括基态和激发态频率假设hv=E2－E1量子化条件假设近代原子结构理论：氢原子光谱1913年，玻尔，NeilsBohr，丹麦1922年,诺贝尔奖与爱因斯坦比肩的伟大科学家在普朗克（Planck）的量子论，爱因斯坦光子学说和卢瑟福有核原子模型基础上，提出了玻尔定态原子结构理论，初步解释了氢原子线状光谱产生的原因和光谱的规律性，建立了关于原子结构的初步量子理论（旧量子论）。NielsBohr(1885-1962)哥本哈根学派的创始人。普朗克量子论，1900年德国人，擅长多项科目，出色的钢琴演奏家，21岁拿博士，物理学全才，一生反对纳粹。1918年，其量子假说被确证，1921年拿Nobel。量子力学之父，他所做的起始突破非常重要，使人们在思想上摆脱了先前的错误概念。因此他的继承人才能创立出今天这样完美的学说。i.物质吸收或发射的能量是不连续的，是量子化的，只能采取一个最小能量单位（ε0）的整数倍，即ε0、2ε0、3ε0……nε0的吸收或发射。ii.这个最小的能量单位ε0称为能量子，其数值为：ε0=hν能量量子化的概念只有在微观领域才有意义。电子在原子核外空间的一定轨道上分层绕核做高速的圆周运动。1定态假设玻尔理论要点：电子在核外是沿着某些特定轨道运动的。在这种轨道上运动的电子处于稳态，称“定态”。电子处于定态的原子并不辐射能量。原子内的电子可处于不同定态，有基态和激发态。基态,groundstate:能量最低的定态激发态,excitedstate:能量较高的定态3原子由某一定态跃迁到另一定态时，就要吸收或放出一定频率的光。光的能量等于这两个定态的能量差。E2-E1=hv频率2氢原子核外电子能量公式：E=-(1/n2)×2.18×10-18J(n=1,2,3,4……)这种量子化的能量状态称为能级氢原子光谱的一部分氢原子光谱的产生原因和规律性E2-E1=hv频率(具体计算见书P7)656.3410.2玻尔氢原子模型意义：第一次把氢原子光谱的事实纳入理论体系；对前人理论取长补短，有新的突破。玻尔氢原子模型局限性：•只能成功解释H原子和类氢离子，不能解释氢原子的精细光谱“量子化假设加经典物理学”，即未能完全抛开经典力学的束缚去研究微观粒子。虽引入量子化条件，但仍将电子视为有固定轨道的宏观粒子，没有认识到电子运动的波动性第二节氢原子结构的量子力学模型一、微观粒子运动的基本特征（了解）二、波函数与量子数（重点）三、波函数的图形表示（了解）（一）波粒二象性（二）不确定原理与微观粒子运动的统计性规律一、微观粒子运动的基本特征普朗克的量子论与爱因斯坦的光子学说相结合应用：光的波动性－－干涉和衍射(日光灯)光的粒子性－－光电效应)m(mEhE2为光速为光子的质量、粒子性：波的频率）—（波动性：频率Cc（1）光具有波粒二象性(2)电子也具有波粒二象性物质波假设法国年轻的物理学家LouisdeBroglie(1892—1987)，因发现电子的波动性，获得1929年诺贝尔物理学奖。出生于法国迪耶普城一个古老而显赫的贵族世家，有亲王头衔。1924年，观点：所有运动着的物体（包括所有的微观粒子）都具有波动的性质（地球也会波动！）。1927年此理论被证实是正确的。从而他于1929年获得诺贝尔物理学奖。实验：电子束通过镍箔时，可得到衍射图。DeBroglie(1924)认为电子具有波的性质:mhph/物质波公式，deBroglie关系式代表波动性，称为物质波或德布罗意波p代表物质的粒子性1927年，美国物理学家戴维森（C·J·Davisson）和革默（L·S·Germer），电子衍射实验:电子衍射实验图：波粒二象性是微观粒子的基本属性。物质波是大量粒子在统计行为下的几率波。测不准原理，不确定原理海森堡，WernerHeisenberg,德国，1927海森堡（1901年－1976年），德国著名物理学家，量子力学的创立人。他于20世纪20年代创立的量子力学，可用于研究电子、质子、中子以及原子和分子内部的其它粒子的运动，从而引发了物理界的巨大变化，开辟了20世纪物理时代的新纪元。为此，1932年，他获得诺贝尔物理奖，成为继爱因斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。“世界只在两件事情上还会想到我：一是我于1941年到哥本哈根拜访过尼尔斯·玻尔，二是我的测不准原理”。这是海森堡经常挂在嘴边的话。微观粒子，不能同时准确测量其位置和动量。具有波动性的粒子没有确定的运动轨道或轨迹。微观粒子不同于宏观物体,它们的运动是无轨迹的，即在一确定的时间没有一确定的位置。x·px≥h/4π或x≥h/4πmp——粒子动量的不准确量x——粒子的位置不准确量——粒子的运动速度不准确量W.Heisenberg1901-1976粒子位置测定得越准确（x越小），它的动量的不准确度就越大（越大），反之亦然。宏观物体之所以有确定的运动轨道，是由于h的值很小，m的值很大，由不确定关系式所确定的x或很小的缘故。1.对于m=10克的子弹，它的位置可精确到x＝0.01cm,其速度测不准情况为：23341004.0101014.34106.621291027.5sm∴对宏观物体可同时测定位置与速度xmh4在测量误差范围内。速度不准确程度过大！2.对于微观粒子如电子,m=9.1110-31kg,半径r=10-10m，则x至少要达到10-11m才相对准确，则其速度的测不准情况为：161131341029.5101011.914.34106.62sm∴若m非常小，其位置与速度是不能同时准确测定的xmh4微观粒子的特点1.能量量子化；2.波粒二象性；电子衍射实验证明了电子的波动性。3.运动的统计性。图1氢原子五次瞬间照像图2若干张氢原子瞬间照片叠印像这样用小黑点的疏密形象地描述电子在原子核外空间的概率密度分布图象叫做电子云图。电子云图二、波函数与量子数•（一）Schrödinger’s方程与波函数•（二）量子数（重点）•（三）概率密度与原子半径（了解）1926年薛定谔建立了著名的描述微观粒子运动状态的量子力学波动方程：0)V-E(hm8zyx22222222（一）Schrödinger’s方程与波函数E：体系中电子总能量V：体系总势能m：电子质量h：普朗克常数Ψ：方程的解，称为波函数（描述微观领域中具有波动性的粒子的运动状态）。波函数是描述原子核外电子运动状态的数学函数，每一个波函数代表电子的一种运动状态。决定电子在核外空间的概率分布，相似于经典力学中宏观物体的运动轨道。因此，量子力学中通常把原子中电子的波函数称之为原子轨道或原子轨函。严格地说原子轨道在空间是无限扩展的，但一般把电子出现概率在99%的空间区域的界面作为原子轨道的大小。波函数=原子轨道薛定谔方程式的解为系列解，每个解都有一定的能量E和其相对应(称为原子轨道函数,简称原子轨道,是描述核外电子运动状态的函数),且每个解都要受到三个常数n，l，m的规定。称n,l，m为量子数。（二）量子数（重点）四个量子数描述电子运动主量子数n角量子数l磁量子数m自旋量子数ms（二）量子数（重点）1、主量子数n取值：n=1,2,3，……；物理意义：n值的大小表示电子出现最大概率区域离核的远近和原子轨道能量的高低。n值越大表示原子轨道离核越远，能量越高。对于n=1，2，3，…分别称为第一能层，第二能层，第三能层…四个量子数n12345···