大电机系电子材

聯大電機系電子材料與元件應用實驗室普通化學普通化學GeneralChemistryGeneralChemistry許正興國立聯合大學電機工程學系聯大電機系電子材料與元件應用實驗室„1.AnIntroduction„2.MeasurementsandCalculations„3.Matter„4.ChemicalFoundations:Elements,Atoms,andIons„5.Nomenclature„6.ChemicalReactionsandReactionsinAqueousSolutions„7.ChemicalCompositionandChemicalQuantities„8.Energy„9.ModernAtomicTheory„10.ChemicalBonding„11.Gases„12.LiquidsandSolids„13.Solutions„14.AcidsandBases„15.Oxidation-ReactionReactionsandElectrochemistry聯大電機系電子材料與元件應用實驗室拉塞福的原子理論P.293原子的概念︰有一個極微小帶正電荷的核心（稱為原子核），而由帶負電荷的電子以某種方式圍繞著原子核移動。原子有「核」的觀念是由拉塞福（ErnestRutherford）以α粒子撞擊金屬箔的實驗推論而來。拉塞福和他的同僚們證明原子的核心是由稱為質子的帶正電荷粒子和稱為中子的中性粒子所組成；拉塞福也發現原子核和整個原子的大小比起來，顯得非常微小，電子則佔據原子的其餘空間。拉塞福描繪的原子。原子核的電荷（n＋）與外圍環繞原子核的n個電子呈平衡。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室電磁輻射P.294能量藉由光從一個地方傳送到另一個地方──更正確的說法是電磁輻射（electromagneticradiation）。特定的波可由三種性質來鑑別：波長、頻率和速度。波長（wavelength，以希臘字母λ表示）是兩連續波峰的距離。波的頻率（frequency，以希臘字母ν表示）為特定時間內通過某一點的波峰數，這個觀念可藉由想像圖中的海鷗在一分鐘內隨著波浪上上下下的次數，而比較容易理解。一隻海鷗漂浮在海面上，當波浪通過時隨之上升或下降。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室„光（電磁輻射)也是以波的形式行進。不同形式的電磁輻射（X射線、微波等等）之波長是不一樣的。圖為電磁輻射的分類，其中X射線的波長非常短，而無線電波則有非常長的波長。„我們看到電磁輻射（光）以波的形式帶著能量穿越空間。然而，有時候光的行為並不是波的形式；也就是，有時候電磁輻射的性質具有粒子的特色（後續課程中你會學到更多的概念），是另一種思考光是如何穿越空間的方式，將光視為一細小的能量流，即所謂的光子（photons）。P.295不同波長的電磁輻射。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室„光正確的本質是什麼？是具有波的形式呢？或是能量的粒子流？似乎兩者兼具（左圖），這種狀況通常以光兼具波─粒子本質來表示。„不同波長的電磁輻射帶有不同的能量。例如，紅色光的光子所具有的能量小於藍色光的光子能量。一般而言，波長越長的光其光子的能量越低（右圖）。P.296電磁輻射可用兩種圖像來表示︰波或單獨能量包的流束稱之為光子。紅光光子帶較少能量（相對較長波長），藍光光子帶較多能量（相對較短波長）。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室原子的能量放射P.298火焰的熱造成原子吸收能量，此時我們說原子被激發（excited），部分這種超過的能量就被以光的形式釋放出；當原子釋放出光子後，原子就回到較低的能階。當原子從某來源吸收能量（它們被激發）它們可以藉由發光來釋放這些能量，所釋放的能量則由光子所帶走。因此，光子的能量完全相當於經歷發光原子的能量變化，高能量光子的波長較短而低能量的光子波長較長。一顆被激發的鋰原子發射一紅光光子掉到一較低能量狀態。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室氫的能階P.298一原子具有過多的能量稱為激發態（excitedstate），激發態原子可以藉由發出光子（電磁輻射的「粒子」）釋放部分或全部的能量，轉移到較低的能量狀態，而原子可能存在的最低能量狀態則稱為基態（groundstate）。每個藍色光子具有比紅色光子較多的能量。當氫原子從外界來源吸收能量，然後藉由這些能量躍升到激發態，它會藉由發出光子（左圖）釋放這些過多的能量（回到較低的能量狀態）。在右圖中我們以能階圖畫出這些程序。(a)一氫原子樣品從外界來源吸收能量，促使部分原子變成被激發（擁有過多的能量）。(b)這些激發態氫原子由發射光子釋放多餘的能量，發射光子的能量相當於每個激發原子失去的能量。當一激發態的H原子回到一較低能階，發射一光子含有這原子釋放的能量，故這光子的能量相當於兩個狀態能量的差異。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.299光子所含有的能量是相當於原子經歷的能量改變從激發態到較低狀態。考慮以下的實驗：假設我們取一H原子的樣品，並將很多能量加入此系統中。當我們研究可見光的光子發射，我們只可看到特定的顏色，也就是說只產生特定型態的光子，我們無法看到所有的顏色，若將這些顏色的光加在一起會形成「白色光」。當一激發態的氫原子回到一較低能階，會發射含有特定的能量的光子，且有一定的顏色，本圖所示為由激發態的氫原子所發射在可見光範圍的各種顏色和波長（單位為奈米）的光子。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.300因為只有特定的光子被發射，我們知道只發生特定能量的改變（左圖），這意味著氫原子具有特定的不連續（分離）能階（右圖）。激發態的氫原子總是發射出相同的各有所別顏色（波長）的光子。它們絕對不會放射出介於它們之間能量（顏色）的光子。所有的氫原子都具有相同的一組不連續能階，我們說此氫原子的能階是量子化的（quantized），也就是只有特定的容許值。氫原子有數個激發態能階，發射光子的顏色與產生它的能量變化有關，一較大的能量變化可能相當於藍色光子，而一較小的能量變化可能產生紅色光子。每個由激發態氫原子所發射的光子，各相當於一特殊的氫原子能量變化，在本圖中每一條水平線各代表一不連續的氫原子能階。氫原子可存在於這些狀態中的任一種，並可進行至基態或其他激發態的能量變化。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室波爾的原子模型P.301波爾認為電子是在相當於不同容許能階的圓形軌道中移動。他提出電子可藉由吸收或發射剛好含有正確能量的光子，在不同軌道之間躍遷。因此，在波爾的原子模型中，氫原子容許的能階表示成特定的環狀軌道。波爾的原子模型剛提出時相當被看好，對於氫原子而言是非常合適的。然而，這個模型並不適用於氫原子以外的其他原子。事實上，後來的實驗也證明波爾模型基本上是不正確的。波爾的氫原子模型，顯示電子被限制在特定的軌道環繞著原子核。波爾（NielsHendrikDavidBohr，1885∼1962）1922年，波爾榮獲諾貝爾物理獎。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室原子的波動力學模型P.303波爾模型中假設電子是在環狀軌道移動，不同的是，波動力學模型（wavemechanicalmodel）則是以軌域來描述電子的狀態，軌域不同於軌道。根據波動力學模型，氫原子中的電子可以想像成是和螢火蟲一樣，Schrödinger發現他無法精準預測電子移動的路徑，他的數學模式只可以讓他預測電子出現在原子核附近空間中某一點的機率。氫原子的電子在基態的機率圖就如下圖所示，顏色較強的點代表在某一瞬間電子出現的機率較大。這個模型無法提供何時電子將佔據空間中一特定點或將如何移動。有一件讓我們十分肯定的是，電子不是像波爾所提議的以圓形軌道環繞著原子核移動。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.303機率圖或軌域，在描繪氫的電子在其可能的最低能量狀態。一點的顏色越強代表越能在這點發現電子。我們並沒有關於何時電子將在一特定點或將如何移動的訊息。就如同所預期的一樣，電子出現機率最高的是在靠近帶正電的原子核（在此圖的中心）附近。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室氫原子軌域P.303氫電子的機率圖如上圖所示，稱之為軌域（orbital）。雖然發現電子的機率會隨著離原子核距離越遠而越小，但就算距離原子核很遠的地方發現電子的機率也不會完全為零。因為軌域的邊界是「模糊的」，軌域並沒有確定的大小，所以化學家約略地把軌域大小定義為：含有總電子的出現機率90%之球形範圍（圖(b)），這意味電子有90%的時間將出現在這個表面的內部，另外10%的時間則出現在這個表面的外部（注意我們並沒有說電子只運行在這個球體的表面）。(a)氫的1s軌域。(b)軌域大小的定義為一含90%電子出現機率的圓球，即90%的時間電子可在球內找到。1s軌域經常簡單地表示成球形，然而，更精確的說法是軌域應是(a)的機率圖。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.304上圖所示的軌域為1s軌域（1sorbital），它代表氫電子的最低能量狀態（基態）。在波動力學模型中，這些較高的能量狀態則相當於不同的軌域而有不同形狀。記得我們前面證明過氫原子具有不連續的能階，我們稱這能階為主能階（principalenergylevels）並且以整數來標示它們（下圖）；接著我們發現在每個主能階可再分割成數個次能階（sublevels）。氫原子的前四個主能階，每個能階各以一個整數n表示。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.304先畫出一個倒三角形（左圖），將主能階分割成幾個不同的次能階，第1主能階只包含一個次能階，第2主能階包含兩個次能階，第3主能階包含三個次能階，而第4主能階則包含四個次能階。第1主能階含有一個次能階或是一種形狀的軌域，這個軌域是球狀，我們將這個軌域標示為1s，數字1代表主能階，s是表示一個特殊次能階（軌域形狀）的簡略標示。主能階分成次能階的示意圖。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.305第2主能階含有兩個次能階（注意到主能階數和次能階的個數間的對應關係），這些次能階標示為2s和2p。2s次能階包含一個軌域（稱為2s），2p次能階包含三個軌域（稱為2px、2py和2pz）。2s軌域就如1s軌域一樣都是球形，但是較大（左圖）；這三個2p軌域並不是球形，而是有兩個「葉瓣」。右圖所示軌域圖可同時表示電子的機率圖和包含電子出現機率90%的表面。要注意的是在一2p軌域加上的下標x、y或z，是說明軌域之葉瓣所沿著的座標方向。1s和2s軌域大小的比較。兩個2p軌域︰(a)2px、(b)2pz、(c)2py。x、y或z是說明軌域之葉瓣所沿著的座標方向。每個軌域皆可同時表示電子的機率圖及內含電子出現機率90%的表面。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.305軌域標示：1.數字說明主能階。2.字母說明形狀。字母s代表一球形軌域；字母p代表一有兩個葉瓣的軌域，p軌域的下標x、y或z說明這兩個葉辦所沿著的座標方向。軌域的一個重要特徵是：當能階數字增加時，軌域中的電子與原子核平均距離也增加了。也就是說，當氫的電子是在1s軌域（基態）時，將比在2s軌域（激發態）時有更長的時間接近原子核。把軌域想像成是一個電子的位能空間（potentialspace），氫的電子在任一時間裡只能佔據一個軌域，但是電子仍然可以轉移到其他的軌域。第1及2主能階所組成的次能階之軌域形狀圖。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室P.306氫原子的第3主能階含有三個次能階，我們標示為3s、3p和3d。3s次能階包含單一的3s軌域，是一球形軌域比1s和2s大（如圖11.27）；3p次能階包含三個軌域：3px、3py和3pz，除了較大外，它們的形狀像2p軌域；3d次能階包含五個3d軌域，其形狀和標示如圖11.28所示。第4主能階軌域的數目也是持續地增加，第4主能階有四個次能階，標示為4s、4p、4d和4f。4s次能階有一個4s軌域，4p次能階包含三個軌域（4px、4py和4pz），4d次能階有五個4d軌域，4f次能階有七個4f軌域。氫的1s、2s、3s三個球形軌域的相對大小。五個3d軌域的形狀及標示。聯大電機系電子材料與元件應用實驗室波動