大学化学原子结构和元素周期系

尼尔斯· 玻尔
N.Bohr ，1885~1962
h 2π 的整倍数，即： mvr
h n 2
式中m为电子的质量；v 是电子运动的速度；r是轨道的半径； h 是普朗克常数；n 是量子数。这些符合量子化条件的轨道称 为稳定轨道，具有固定的能量E，电子在稳定轨道上运动时，不放出能量。
玻尔假说（玻尔理论 1913）
连续光谱
Na
H
Hg
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(2)氢原子光谱
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(2)氢原子光谱
线状光谱
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(2)氢原子光谱
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(2)氢原子光谱
氢原子光谱特征：
◆ 氢原子光谱是不连续的线状光谱，从红外 到紫外区呈现多条具有特征波长的谱线。
◆ 从长波（红外区）到短波（紫外区），谱线 间的距离越来越小，表明n 值越来越大，波长 越来越短，频率越来越高，能量也越来越高。
● 玻尔理论解释不了多电子原子的光谱和氢光谱的精细结
构等问题；
玻尔理论的意义与局限性
波尔理论成功地解释了氢原子光谱，并 提出了原子能级和主量子数n等概念。
在解决核外电子的运动时 成功引入了量子化的观念
同时又应用了“轨道” 等经典概念和有关牛顿 力学规律
除了氢原子光谱外，波尔理论不能说明 多电子原子的光谱，也不能解释原子如 何形成分子的化学键本质
33Leabharlann 粒二象性是否只有微观物体才具有？微观粒子电子 m 9.10 1031 kg, v 106 ~ 107 m.s 1
6 1 10 m h 10 m s , 7.36 10 由 m 107 m s 1 , 7.36 10 9 m
微粒运动的波动性
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1-3 波尔模型波粒二象性 —— 赖以 建立现代模型的量子力学概念
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玻尔假说（玻尔理论 1913）
丹麦物理学家玻尔将卢瑟福的原 子行星模型与普朗克量子论巧妙地结 合，提出了著名的玻尔假说: ● 原子中的电子只能在符合一定量子 化条件的固定的轨道上绕核运动；
电子在一个轨道中运动的角动量mvr 必须是
B 1 1 吸收或发生辐射的频率 v 2 2 n h 1 n2
式中：a0＝0.053 nm，通常称为玻尔半径；
n
n ＝1,2,3,4…且n1<n2；
B＝13.06 eV或2.179×10-18 J
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玻尔假说（玻尔理论 1913）
玻尔假说成功之处：
◆ 激发态原子为什么会发射出光射线；
● 所有原子中都有一个极小的核，即 原子核；
● 原子核几乎集中了原子全部的质量， 带有Z 个正电荷； ● 另有Z 个电子在原子核外像行星绕 着太阳旋转一样绕核运动；
卢瑟福 Ernest Rutherford 1871~1937
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经典物理学概念面临的窘境（1）
在对粒子散射实验结果的解释上，新模型的成功是显而易
n=3 时， r3=33 ×52.9pm， E3 = -1312.17/33 kJ· -1 mol
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53 pm, 这就是著名的玻尔半径。
有关波尔定律的相关公式
轨道半径 r a 0n 2 轨道能量 E B 1 2
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描述微观物体运动规律
的需求呼唤物理学新概
念的诞生！
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(3)普朗克的量子论（1900）
德国物理学家普朗克， 第一个冲破经典物理学中能
量连续变化的框框，首先在
物理学中引入了“量子”的 概念，提出了著名的、当时 被誉为物理学上一次革命的 量子化理论。
普朗克
M. Planck，1858~1947
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X射线、放射性、电子
原子中的基本粒子:
电子
原子
原子核
质子
中子
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原子
构成自然界中各种元素的基本单位，具有该元素的 化学性质，并能在化学反应中保持； 由带正电荷的原子核（由质子和中子构成，决定元 素的化学性质，并在化学反应中保持不变）和在原 子核的库仑场中运动的带负电的电子（化学反应中 其数目及运动状态均可能发生变化）组成。
1892~1987
h h P mv
式中 m为电子的质量， h为普朗克常数，P 为电子的动量，v为电 子的速度，这种波称为物质波，亦称为德布罗意波。
电子波动性的证明（1）
1927年，电子衍射的实验证实了德布罗意的预言，电 子不仅是一种具有一定质量，高速运动的带电粒子，而且 还能呈现波动性。
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1-4 原子结构的波动力学模型
(1) 微观粒子的波粒二象性
(2) 海森堡不确定原理
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◆ (1)电子的波粒二象性
1924年法国年轻的物理学家德布 罗意在光的波粒二象性启发下，大胆 地提出了“物质波”的假设，预言电 子等微粒会像光一样发生衍射，显示 具有波动性。
并根据波粒二象性的关系式预言了高速 运动的电子的波长 λ 公式： 德布罗意 Louis de Broglie
◆ 电子的质量m= 9.110×10-31kg，原子半径的数量级为10-8 cm，那么位置的不确定值Δx 至少要达到10-9cm 才近乎合理， 这时其速度的不确定情况为：
h v ≥ =6.626×10-34/(2×3.14×9.110×10-31×10-9×10-2) 2m x = 1.157×10 7 m·-1 s 37
E2 E1 v h
式中E2为电子处于激发态时的能量；E1为电子处于低能级时的能量； v为光的频率；h为普朗克常数;
玻尔假说（玻尔理论 1913）
玻尔根据经典力学原理和量子化条件，计算了电子运 动的轨道半径 r 和电子的能量 E，推求出氢原子核外电子 运动的轨道半径和能量： 当 n=1 时， r1=12×52.9pm， E1= -1312.17/12 kJ· -1 mol n=2 时， r2=22×52.9pm， E2 = -1312.17/22 kJ· -1 mol
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电子在原子核外是怎样运动的呢？
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1-2 氢原子结构的量子力学模型
(1) 卢瑟福的原子行星模型 (2) 氢原子光谱 (3) 普朗克的量子论 (4) 爱因斯坦的光子学说
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(1)卢瑟福的原子行星模型（1911）
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(1)卢瑟福的原子行星模型（1911）
英国物理学家卢瑟福根据 粒子 散射的实验，提出了原子行星模型：
电子波动性的证明（2）
得出的结论：
波动性是与微粒行为的统计性规律在一起的。在底片 上衍射强度大的地方（明处），也就是波强度大的地 方，一定是电子在该处单位微体积内出现的机会多 （概率密大），衍射强度小的地方（暗处），也就是 波强度小的地方，一定是电子在该处单位微体积内出 现的机会少（概率密度小）。由此可以认为：具有波 动性的微观粒子（包括电子在内）虽然没有确定的运 动轨迹，但在空间某处波的强度与该处粒子出现的概 率密度成正比。
爱因斯坦
A.Einstein ，1879~1955
所以，光子的能量越高（即波长越短），转移给电子的 能量也越高，电子的速度就越大。而光子的数目越多（即光 越强），释放出电子的数目也就越多。光电效应说明了光不 仅具有波动性，而且具有粒子性。 19
(4)爱因斯坦的光子学说（1905）
爱因斯坦用两个公式把表征光的波动性的物 理量(λ和v)和表征光的粒子性的物理量(E和p)定
● 电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。通常电子 保持在能量最低的状态即基态，基态是最稳定的状态。当 原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的较高 能量的轨道上去，这时电子所处状态称为激发态。 ● 处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道 上，这时会以光子形式释放出光能，光的频率决定于两条 轨道之间的能量之差：
m 为粒子的质量；h为普朗克常数；
(2)海森堡不确定原理
◆ 质量m=10g的宏观物体子弹，它的位置能准确测到Δx = 0.01cm，那么此时其速度不确定情况为：
h = 6.626×10-34/(2×3.14×10×10-3×0.01×10-2) v ≥ 2m x = 1.054×10-28 m·-1 s
(3)普朗克的量子论（1900）
经典物理学中的一些物理量，如时间、速度、长度、 面积等的变化是连续的，没有一个最小单位，无限可分；
有些物理量的变化是有最小单位的，例如电量，电量
变化的最小单位是1个电子的电量，即1.602×10-19C，电量 的改变不能小于1个电子的电量，只能是这个数的整倍数来 增减，这是不连续的意思。
见的，至少要点中的前两点是如此。问题出在第三点，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 。
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
第一章 原子结构和元素周期系
化学运动的实质是由于原子核外电子运动状态 发生变化。为了了解和掌握化学运动的变化规 律，我们必须掌握如何从微观的角度研究物质 的结构及性质的关系的理论及方法，必须了解 原子的结构及原子是如何构成性质迥异的不同 物质。本章主要讨论原子的基本结构及原子结 构 与 元 素 基 本 性 质 的 递 变 规 律 。
宏观粒子子弹
m 1.0 102 kg, v 1.0 103 m.s 1
6.6 1035 m
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波粒二象性是否只有微观物体才具有？
显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹 等都可按德布罗依公式计算它们的波长。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，主要表现为粒性，服 从经典力学的运动规律。只有象电子、原子等 质量极小的微粒才具有与 x射线数量级相近的 波长才符合德布罗依公式，然而如此短的波长 在一般条件下仍不易显现出来。