第四章原子结构

第四章原子结构1．人类的认识总是由浅至深，由表观至本质逐渐深入的。化学是在分子、原子、离子等层次上研究物质的组成、结构、性能、相互变化及变化过程中能量关系的科学，也就是说是在研究分子分割为原子层次上的运动规律。人类对分子、原子的认识在近一两百年逐渐由一些经验定律发展成为现代的科学理论模型。有关原子结构的研究主题体现在：原子是由什么组成的？它们是怎样组成原子的？我们这一章就会学习有关的基础内容。2．宇宙诞生于约140亿年前的一次大爆炸，大爆炸后约2小时，诞生了大量的H，少量的He和极少量的Li，我们今天熟悉的各种元素（原子），都是从那时起经历了漫长复杂的物理化学变化，分批分期合成而来的。十九世纪原子分子论建立后，人们认识到一切物质都是由原子通过不同的方式结合而构成的，原子结构的知识是了解物质结构和性质的基础。3．研究发现，原子由原子核与核外电子组成，原子核又是由质子和中子组成。核内质子数=核外电子数，原子的质量数=质子数+中子数。原子核组成的奥秘被揭开以后，人们通过科学实验发现：同种元素的原子核里所含的质子数目是一样的，但中子数却可以不同。如自然界中氧元素的原子有99.7%是由8个质子和8个中子组成的16O，有0.1％是由8个质子和9个中子组成的17O，0.2%是由8个质子和10个中子组成的18O。因为中子数不同，所以同一元素可以有原子质量不同的几种原子，但决定元素化学性质的主要因素不是原子质量而是核外电子数，核外电子数又决定于核内的质子数即核电荷数，所以质子数相同的一类原子，其化学性质基本是相同的。4．人类认识原子结构的发展历程可概括如下：1．公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为：万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。这是对原子最初最质朴的认识。2．19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体。道尔顿原子学说：a．一切物质都是由不可见的、不可分割的原子组成，原子不可自生自灭。b．同种类的原子在质量、形状和性质上完全相同，不同种类的原子则不同。c．每一种物质都是由它自己的原子构成。单质是由简单原子组成，化合物是由复杂原子组成。复杂原子的质量等于组成它的简单原子的质量总和。3．1897年，英国科学家汤姆生发现了电子。原子是一个平均分配着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成中性原子。这个模型被形象地称为葡萄干圆面包模型。4．1911年，英国物理学家卢瑟福提出电子绕核旋转的原子结构模型。他提出“原子中正电荷密集在一个很小的、坚实的、叫做原子核的区域内。围绕着它作高速运动的电子的数目等于核的正电荷数。”并总结出原子核的三大特点：体积小，密度大，占了原子质量的绝大部分。5．1913年，丹麦科学家玻尔提出核外电子在固定轨道上绕核运动的氢原子结构模型。6．20世纪20年代中期，奥地利物理学家薛定谔等人以量子力学为基础提出电子云模型。5．在这些原子模型中最重要的就是波尔氢原子模型，因为它第一次提出了原子体系的量子化特征并且引入了很多新的物理名词，例如原子轨道，激发态，能级跃迁等等。波尔氢原子模型主要是建立在1911年，英国物理学家卢瑟福创立的电子绕核旋转的原子结构模型基础上。但是卢瑟福模型与经典电动力学相矛盾。根据经典电动力学，1.电子绕原子核高速运动时，应该不断以电磁波形式放出能量，这样整个原子不断放出能量，电子离核越来越近，最终落在原子核上，原子不复存在。2.另外原子发射电磁波的频率是连续的，原子发射光谱应该是连续光谱。但是真实情况下，大多数原子可以稳定存在，原子光谱是非连续的线状光谱。这表明研究宏观现象确立的经典电动力学不适用于原子中的微观过程，因此需要进一步探索原子内部运动规律，建立适合于微观过程的原子理论。那么我们就先介绍波尔氢原子模型建立的理论基础。6．在十九世纪末，物理学理论已经发展得相当完善，但解决不了三大问题。一是氢原子光谱，二是黑体辐射问题，三是光电效应问题。这三大问题就涉及到波尔氢原子模型建立的理论基础。因此我们要想深入了解波尔氢原子模型，就需要先简单了解一下这三大问题。先来看氢原子光谱。很多同学都做过这个实验，通过玻璃三棱镜看太阳光或白炽灯发出的白光时，会发现光分成了很多种不同颜色，就像彩虹一样。它的原理是太阳光所含的不同波长的光可折射成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的光谱，这类光谱称为连续光谱。原子也有类似的性质，当原子被电火花、电弧、火焰或其它方法激发时，能够发出一系列具有一定频率（或波长）的光谱线，这些光谱线就构成了原子光谱。例如装有氢气的氢光谱管通以高压电流，氢气被解离生成氢原子，氢原子受到激发成为激发态氢原子。激发态氢原子不稳定，向基态跃迁时释放的能量以光的形式辐射出来，激发态氢原子所发出的光经过分光镜就得到氢原子光谱。其在可见区（400----760nm从左到右）的光谱见图。再往右就是红外光区，往左就是紫外光区，这些都是肉眼不可见的。7．氢原子在电场激发下所发出的光，经过棱镜分光后，得到由若干条谱线组成的不连续光谱，叫线状光谱，用来和连续光谱区别。氢原子光谱特征：1.是不连续的线状光谱。在红外区、可见区、紫外区都呈现多条具有特征波长的谱线。2.从长波到短波（从右到左），谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。可见光区的几条谱线称为巴尔麦系，波数用下面的公式可正确表示出来。Niuν＝R(1/22-1/n2)。R∞：里德堡常数，1.097×107m-1。n：2的正整数，波数等于频率除以光速，也就是波长的倒数，依据lanmudaλ＝1/ν可求出谱线的波长。注意：某一瞬间一个氢原子只能放出一个光子，许多氢原子才能放出不同的谱线。实验中同时观察到全部谱线，是无数个氢原子被激发到高能级，然后又回到低能级的结果。对氢原子光谱这样明显的规律性，几十年来都未能得到满意解释。直到1913年玻尔提出其原子模型的假设才成功解释了氢原子光谱的成因和规律，并归纳出原子光谱的特点：一是譜线锐利，这就表明原子不是以连续的方式发射和吸收能量，而是以一定的频率发射和吸收能量；二是具有高度的特征性。也就是说，原子光谱是线状光谱，且每种原子的光谱都有确定的特征频率。8．黑体是指全部吸收外来电磁波的物体。当加热时又能发射出各种电磁波，就称为黑体辐射。普朗克经过大量实验数据分子和理论计算，提出了假设，黑体是由带电的振子组成(就是把分子、原子看做振子)，这些振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量的整数倍，并且假设频率为niu的振子的最小能量为yipusilongε=hνniu，ε称为量子，h称为普朗克常数，也就是说能量是以大小等于量子整数倍的不连续量来吸收或放出的。这种理论助长了光能具有粒子本性的概念。9．最后来看光电效应。在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做光电效应。光电效应的实验现象和规律如下(i)当清洁的金属表面在真空中以足够高频率的单色光照射时，自金属表面射出电子；(ii)光子的能量为hv，光子在碰撞中将能量传给电子，因此电子吸收了大小为hv的能量。这些能量一部分用来克服金属对电子的束缚，剩余的变成射出电子的动能。因此要从金属表面射出电子的必要条件是入射光频率大于某一阈值（该阈值为金属的固有频率或截止频率），频率够大，电子能量才够大，才能克服束缚并且拥有动能；(iii)增加入射光的强度只能改变电子发射的快慢，但不增加电子本身的速度（就是说入射光强度对发射电子的动能没有影响）；(iv)发射电子的动能E动＝mv2/2，正比于入射光频率ν。10．爱因斯坦对光电效应进行深入研究后得出以下结论：光的能量是量子化不连续的，他把普朗克量子假设E=h与质能联系定律E=mc2联系在一起，求得光子的质量为m=h/c2，所以光子的动量为p=mc=(h/c2)·c=h/c=h/λ.p=h/λ是一个非常重要的公式，它把光的波动性（λ）和粒子性（p）联系在一起。并且爱因斯坦还证明当光子和电子相碰时，服从能量守恒和动量守恒。11．为了解决以上三个问题，1913年玻尔在普朗克量子论,爱因斯坦光子学说和卢瑟福有核原子模型的基础上,提出了如下假设：1原子核外有一系列特定轨道，核外电子在这些有确定半径和能量的轨道上运动。注意：这些轨道的半径和能量只能取某些由量子化条件决定的分立数值，显然是不连续的。2根据量子化条件，求出氢原子核外轨道的能量公式：电子的轨道角动量（mvr）等于h/2π的正整数倍。3通常条件下电子尽可能处于离核最近，能量最低的轨道上，既不放出能量，也不吸收能量，即处于基态。受到外界能量激发时，电子跃迁到高能轨道上，原子和电子处于激发态。4电子跃迁回低能量轨道时以光的形式放出能量，光的频率取决于轨道间的能量差，满足这个关系式。玻尔理论的意义和结论：I说明了原子可以稳定存在。II解释了氢原子线状光谱的成因。III提出了能级的概念。IV指出核外电子运动时物理量量子化的特性。但是波尔氢原子模型也存在局限性，因为玻尔理论未完全冲破经典物理的束缚，使电子在原子核外的运动采取了宏观物体的固定轨道，没考虑电子运动的另一特性----波粒二象性，因此它没法解释多电子原子的光谱、光谱线在磁场中的分裂121EEh以及谱线强度等实验结果。12．我们来看一下氢原子光谱的具体解释。通常氢原子核外电子处于基态，没有能量的吸收和放出，因此不发光。在加热或通电条件下，电子吸收能量，由n=1的轨道跳到n=2,3,4…的轨道上，这时电子能量高，处于激发态，它不稳定又跳回到能量较低的轨道，以光子形式把多余的能量放出来。原子所释放出光子的频率和能量的关系为：E2-E1=hν，光子的能量为E伊pusilong，与其频率νniu成正比，与波长成反比。E＝hν＝hc/λlamuda。因此能量差小的能级之间波长很大，h阿尔法波长最大，然后hbeta，h伽玛，h德尔塔波长依次减小，从红外到紫外。由于电子辐射的光子频率仅决定于两轨道的能量差，而两个轨道的能量是确定的，所以频率ν为定值。由于轨道的能量是不连续的，对应光子的ν、λ也是不连续的，所以原子光谱是不连续的，即为线状光谱。13．前面我们已经介绍过，经典力学不适合用来描述电子的运动状态，即便是波尔氢原子模型也有很大的局限性，这是因为微观粒子的性质和运动规律与宏观物体差别很大。现代科学研究认为微观粒子，无论是光子、电子以及其它基本粒子在极微小的空间内作高速运动时有时显示出波动性，有时显示出粒子性。这种在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质，也就是既具有波动性又具有粒子性，就称为波粒二象性。二十世纪初爱因斯坦成功地解释了光电效应，从而确认光具有波粒二象性。光的波动性----光能发生衍射和干涉等现象，有波的特征，可用波长lamuda或频率niu来描述。光的粒子性----光的性质可用动量p、能量yipusilong来描述，光的发射、吸收等与实物相互作用有关的现象中微粒性比较突出。光既是一种电磁波又是光子流，既具有波动性又具有粒子性。表征微粒性的物理量(E,P)和表征波动性的物理量(ν、λ)之间有如下关系：E＝hν,P＝h/λ普朗克常数把光的波动性和粒子性定量地联系起来。14．1924年法国科学家德布罗意受到光的波粒二象性启发，大胆提出假设：“光有波粒二象性，一切实物粒子也有二象性”。这里实物粒子是指质量不等于零的微观粒子，如电子、原子、分子及其它基本粒子。具有质量m，运动速度υ的粒子，相应物质波的波长：λ＝h/mυ=h/P即微观粒子的粒子性用P来体现，波动性用λ来体现，二者通过h定量联系起来。----微观粒子的二象性。15．宏观物体可同时用位置和速度两物理量来准确描述其运动状态，或者说可同时准确测定在某一时刻物体的位置和速度，那么对微观粒子如电子的运动状态能否做到此点？1927年德国的海森堡作出否定的回答，提出了有名的“测不准原理”：微观粒子的位置与动量之间有这样的测不准关系：ΔX·ΔP≈hX----微观粒子在空间某一方向的位置坐标。ΔX----确定粒子在该方向位置时的不准量。ΔP----确定粒子在该方向动量时的不准量。