第1章 原子结构与元素周期表(6)

会不会？！
1.2.2 波的微粒性
● 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 。
电磁波有些情况下表现出连续的性质(折射，衍射及干涉
等）－波动性；另一些情况下更像单个微粒的集合体，后一 种性质叫作波的微粒性（能量量子化，光电效应） 。
● Plank 公式 1900年, 普朗克 (Plank M) 提出著名的普朗克方程 （能量 E 与频率 v 之间的关系）： E = hv：音[nju:] ( E : J, v: s-1 ) 式 中 的 h 叫 普 朗 克 常 量 ( Planck constant), 其 值 为 6.626×10-34 J· s。 普朗克认为, 物体只能按 的整数倍(例如1 hv, 2
1.2.1 经典物理学概念面临的窘境
汤姆森的原子结构模型
Thomson J J [英] 1856-1940 P
α粒子散射实验， 1911, 曼彻斯特大学
卢瑟夫(Rutherford)―太阳-行星模型 ”的要 点：
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； Rutherford E [英] 1871 -1937 P
5 × 1014 s-1
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 1 hv 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, 光的强弱表明含有光子的多少。
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。
第1章
原子结构和 元素周期表
Chapter 1 Atomic Structure and the Periodic Table of Elements
本章教学要求
1．初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、 波粒二象性、原子轨道和电子云等概念。 2．了解四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握
Einstei A [美] 1879-1955 P
Plank 的量子论 波的微粒性 Einstein 的光子学说
的深层次认识，产生 了以讨论波的微粒性 概念为基础的学科 量 子 力 学 (quantum mechanics）。
电子微粒性的实验
钱币的一面已被翻开！ (波的微粒性)
另一面谁来翻开？ （微粒的波动性）
宏观物体子弹： = 1.0 ×10-2 kg, v = 1.0 × 103 m∙s-1, m
λ = 6.6 × 10-35 m 由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物
体的波长就难以察觉，主要表现为微粒性，服从经典力学 的运动规律。只有像电子、原子等质量极小的微粒才具有 与X 射线数量级相近的波长,才符合德布罗意公式。
每 种 原 子 都 有 其 特 征 的 光 谱
特征: ①不连续、线状; ②很有规律。的 波数(wave number)都满足简 单的经验关系式: （R∞-里德 伯常数：1.09737×105 cm-1）
1 1 R 2 - 2 n n2 1
1.1.2 亚原子粒子(Subatomic particles)
人们将组成原子的微粒叫亚原子粒子。亚原子粒子 曾经也叫基本粒子, 近些年越来越多的文献就将其叫粒 子。迄今科学上发现的粒子已达数百种之多。
与化学相关的某些亚原子粒子的性质
名称 电子 质子 中子 正电子 α 粒子 β 粒子 γ 光子 符号 e– p n e+ α β γ 质量/u 5.486×10–4
1.2.2 微粒的波动性
※ 1923年，法国物理学家德布罗意 (Louis de Broglie ) 翻开了硬
币的另一面。认为运动中的微粒具有波动性（连续性），给出 了波长与微粒质量及运动速度的关系式： λ= h / mv
λ ：物体波长 h-普朗克常数 m: 微粒质量 v: 运动速度
※ 1927年，两位美国科学家的电子衍射试验证明了上述假设（P18)
质子和中子都是由更小的粒子夸克组成的， 但现有的理论还不
能预言(当然更不用说从实验上证明)电子是可分的。 某些最重要的夸克
名称 下夸克 上夸克 奇夸克 粲(cà n)夸克 底夸克 顶夸克 符号 d u s c b t
电荷 -1/3 质量 发现年代 1995 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 质子的 200倍 1977 均为质子的1/100或1/200 1974
1.1.1 化学研究的对象(Object of chemical study)
宇宙 质子 夸克 中子 原子核 电子 原子 (离子)
纳 米 材 料
分子
（宇观）
单 质 化合物 星体
(微观)
（介观）
(宏观)
当今化学发展的趋势大致是：
由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态向亚稳态， 由经验上升到理论并用理论指导实践，开创新的研究。 哪些是关键性的问题呢？ 化学反应的性能问题;化学催化的问题;生命过程中的 化学问题等等。
E(黄光一个光子) = hv = 6.626×10-34 J· × 5.1×1014 s-1 s
= 3.4×10-19 J E(红光一个光子) = hv = 6.626×10-34 J· × 4.6×1014 s-1 s = 3.0×10-19 J
导致了人们对波
Planck M K E L [德] 1858-1947 P
Question 1
Solution
钾的临界频率为 5.0×1014 s-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。 E(具有临界频率的一个光子) = 6.626×10-34 J· × s 5.0×1014 s-1 = 3.3×10-19 J
H+
H
H波尔以波
D
He
波粒二象性对化学的重要性在于：
的微粒性（即
能量量子化概 念）为基础建 立了氢原子模 型。 薛定谔等 则以微粒波动
性为基础建立
起原子的波动 力学模型。
1.3 氢原子结构的量子力学模型：玻 尔模型 The quantum mechanical model of the structure of hydrogen atom —Bohr’s model
The periodic table of elements
1.1 亚原子粒子 Subatomic particles
1.1.1 化学研究的对象 Object of chemical study 1.1.2 亚原子粒子（基本粒子） Subatomic particles ( elementary particles) 1.1.3 夸克 Quark
15
n=3 n=4 n=5 n=6
红 青 蓝紫 紫
（Hα） （Hβ ） （ Hγ ） （Hδ ）
莱曼系（Lyman)－紫外区 巴尔麦系（Balmer) －可见区 帕邢、布莱克特、芬得系（Paschen, Brackett, Pfund) －红外区 △E = hv = 6.626×10-34 J· s×3.289×1015×(1/n12 - 1/n22) s-1 = 2.179×10-18 (1/n12 - 1/n22) = RH (1/n12 - 1/n22) RH = hR∞ = 2.179×10-18
hv
hv, 3 hv 等)一份一份地吸收或释出光能, 而不可能是
0.5 hv, 1.6 hv, 2.3 hv等任何非整数倍。即所谓的能量量 子化概念。 普朗克提出了当时物理学界一种 的概念,
全新
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)。
● 光电效应
1905年, 爱因斯坦(Einstein A) 成功地将能量量子化概念扩展到 光本身，解释了光电效应( photoelectric effect ) 。
1.0073
1.0087 5.486×10–4 (氦原子的核) (原子核射出的e-) (原子核射出的电磁波 )
电荷/e –1 ＋1 0 ＋1 ＋2 –1 0
原子质量单位U (atomic mass units)： (1 U = 1.6605×10-27 kg)
1.1.3 夸克(Quark)
根据 1961 年由盖尔-曼（Gell M-Mann）建立的新模型，
※ 物质波（substance wave)：运动中的微粒产生的德布罗意波 ※ 波动力学（wave mechanics): 讨论微粒波动性的学科
※ 波粒二象性（Wave- particle duality ）：微粒既具有微粒性，又
具有波动性的性质（波也如此）
Question 2
Solution
以1/10光速运动的电子的波长是多少 ？
名字 Lyman 系 Balmer系 Paschen系 Brackett系 Pfund系 n1 1 2 3 4 5 n2 2, 3, 4,… 3, 4, 5,… 4, 5, 6,… 5, 6, 7,… 6, 7, 8,…
如：对于Balmer系(可见区） 的处理（能量单位：J）
1 1 -1 v 3.289 10 ( 2 - 2 )s 2 n
1.2 波粒二象性—赖以建立现代 模型的量子力学概念 Waveparticle duality—a fundamental concept of quantum mechanics
1.2.1 经典物理学概念面临的窘境 An embarrassment of the concepts of the classical physics 1.2.2 波的微粒性 Particle — like wave 1.2.3 微粒的波动性 Wave — like particle
3. 原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；