【正文】 第 2 章 2 原子結構 物質的性質由其結構決定 ， 而物質由分子組成 ， 分子由原子組成 ， 因此 ， 分子結構和原子結構是物質結構的基本內(nèi)容 。 原子是由帶正電荷的原子核和帶負電荷并在核外高速運動的電子組成 。 在化學反應中 ， 原子核沒有發(fā)生變化 ， 只是核外電子的運動狀態(tài)發(fā)生了改變 。 原子中的電子 電子圍繞原子核高速運轉， 從最簡單的原子氫光譜開始研究 氫原子光譜和波爾理論 （ 1） 氫原子光譜 近代原子結構理論的研究和確立都是從氫原子光譜開始的： 一只裝有低壓 H2的放電管 ， 通過高壓電流 ， 氫原子被激發(fā)后所發(fā)出的光經(jīng)過分光鏡 。 在可見 、 紫外 、 紅外光區(qū)可得到一系列按波長次序排列的 不連續(xù)的線狀光譜 ，即氫原子光譜 。 而日光通過分光鏡得到連續(xù)的帶狀光譜 （ 連續(xù)光譜 ） 。 【 特征 】 ① 不連續(xù)的線狀光譜：從紅外區(qū)到紫外區(qū)呈現(xiàn)多條具有特征波長的譜線 ② 從長波到短波 ， Hα至 Hε等譜線間的距離越來越小 （ n越來越大 ） 表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性 。 1913 年瑞典物理學家里德堡給出氫原子光譜公式 ?????????? 2221111nnR H?RH為里德堡常數(shù)， 107m1 n1， n2是正整數(shù)，且 n2﹥ n1 不同的 n n2可形成不同系列的氫原子光譜 拉曼系 ?,3,2,1,)11 1(1 21222 ????? nnnR??紫外 ?,4,3,2,)121(1 21222 ????? nnnR??巴爾末系 可見光 ?,5,4,)131(1 2222 ???? nnR??帕邢系 ?,6,5,)141(1 2222 ???? nnR??布拉克特系 ?,7,6,)151(1 2222 ???? nnR??普豐特系 ?,8,7,)161(1 2222 ???? nnR??漢弗萊系 紅外 按照麥克斯威的電磁理論，繞核運動的電子應不停地連續(xù)地輻射電磁波，得到連續(xù)光譜；由于電磁波的輻射，電子的能量將逐漸減小，最終會落到帶正電的核上。 無法解釋氫光譜實驗 1913年，丹麥物理學家玻爾，吸收了量子論的思想，建立了玻爾原子模型，即玻爾理論。 （ 2） Bohr理論 Bohr的原子結構理論的三點假設 : 定態(tài)軌道 —— 原子核外的電子只能在確定半徑和能量的軌道上運動 軌道能級 —— 電子在不同的軌道運動時，能量不同，相應的軌道稱為能級。在正常情況下，電子盡可能處在離核最近的軌道 — 低能級軌道，這時電子的能量最低，即電子子處于基態(tài)。當受到輻射，加熱或通電時獲得能量后電子可能躍遷到離核較遠的軌道上去，即電子被激發(fā)到高能級軌道上，這時電子處于激發(fā)態(tài)。 軌道能量量子化 —— 當電子發(fā)生躍遷時，總要吸收或釋放一定頻率的光子，其能量等于值不是連續(xù)的，即電子軌道的能級是不連續(xù)的。 量子化物理量和量子 表征微觀粒子某些物理量只能不連續(xù)地變化，即其數(shù)值只能是某一最小單位的整倍數(shù)，稱這些物理量為“量子化”的物理量，量子化的物理量的最小單位稱為該物理量的“量子”。 例如，光是量子化的，光的量子稱為光子，光的能量也必是量子化的。 由波爾理論得到電子軌道半徑及其能量的數(shù)學表達式 212242/12 nEnhmeE ??? ???,3,2,1,4 122222??? nrnmenhr?mrn 111 ,1 ???? 由于 n必須是正整數(shù)，所以電子軌道半徑和能量是不連續(xù)的。 里德堡常數(shù)理論值和實驗值的比較 由玻爾理論： 則 令 ， 得 ” 理論值和實驗值吻合程度很高 “ hEE 12 ???????????????? 22234212 11211 nnchmehcEEc???chmeRH 3422 ??17100 9 7 3 ??? mR H ??? mR實驗?????????? 2221111nnR H?12 EEh ??? 用波爾理論能較好地解釋氫原子光譜：當氫原子獲得能量時，原子中的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，會迅速跳回較低能級，同時以光能的形式放出多余的能量。由于各能級的能量是確定的，兩能級間的能量差亦是確定的，因此發(fā)射出來的光波的波長和頻率也必然是確定的。 氫原子能級示意圖 + n=1 n=2 n=3 n=4 n=6 n=5 拉曼（ Lyman）系 巴爾末（ Balmer）系 帕邢（ paschen）系 布拉克特（ Brackett）系 普豐特（ Pfund）系 波爾理論引進量子化的概念 ， 成功地解釋了氫原子光譜 ， 但不能說明多電子原子的光譜和不能解釋氫原子光譜的每條譜線均由數(shù)條波長相差極小的譜線組成的事實 ， 更不能說明電子在一定軌道上穩(wěn)定存在的原因 。 波爾理論局限性的根本原因在于他仍舊沿用了經(jīng)典力學的概念 ， 繼承了經(jīng)典原子模型中電子繞核運動如同行星繞太陽的軌道運動的觀點 。 波爾尚未真正認識到微觀粒子運動的規(guī)律和特點 。 請計算氫原子的第一電離能是多少？ （ 氫原子的第一電離能 ） Question Solution 1152281)111( ??????????????sRcvhvEEEH?118115 79 89IhE????????例：在氣體放電管中，用攜帶能量為 的電光子轟擊處于基態(tài)的氫原子，試確定氫原子可能輻射的波長。 解：氫原子吸收 的能量后由基態(tài)躍遷到 En 態(tài) eVEE n ???????, 221 ????? nn eVeVnEE n 由此求出即且 n只能取正整數(shù) , 原子被激發(fā)到 n =3的激發(fā)態(tài)，可能輻射三種波長的光子。 1n?2n?3n?1?2?3?eVhc ?????? ???221 312??A65711 ?? ??A1 2 1 72 ?? ??A1 0 2 73 ?? ?1n?2n?3n?1?2?3?eVhc ?????? ???222 211?eVhc ?????? ???223 311?smcJeV / 819 ???? ?eVmnhc ?????? ???22?sJh ??? ? 微觀粒子的運動特征 電子 、 中子 、 質子等微觀粒子與宏觀物體的性質和運動規(guī)律不同 ， 因此不能用描述宏觀物體運動狀態(tài)的經(jīng)典力學來描述微觀粒子的運動狀態(tài) 。 隨著人們對微觀粒子特性認識的深入 ，于 20世紀 30年代建立了描述微觀粒子運動規(guī)律的量子力學 。 20世紀初 ， 愛因斯坦 （ Einstein） 提出光子學說解釋了光電效應之后 ， 使人們認識到光具有波動性和粒子性的雙重特性 。 1924年 ， 法國青年物理學家德布羅意 （ De?Brolie）在光的波粒二象性的啟發(fā)下 ， 大膽提出了電子等實物粒子也具有波粒二象性 ， 并且推導出運動粒子與波的關系式： hhp m v? ??1）波粒二象性 這個關系式把電子等微觀粒子的波動性和粒子性的定量地聯(lián)系起來。表明：粒子的動量越大，其波長越短。 1927年 ， 戴維和革默用已知能量的電子在晶體上的衍射實驗證明了德布羅意的預言 。 用一束電子經(jīng)過金屬箔時 ， 得到與 χ射線相象的衍射圖樣 ， 說明電子具有波動性 。 由此可見， 波粒二象性是微觀粒子運動的特征 。因而描述微觀粒子的運動不能用經(jīng)典的牛頓力學理論，而必須用描述微觀世界的量子力學理論。 （ 1）光的波動性： 1）光的干涉：指同樣波長的光束在傳播時，光波相互重疊而形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象。 光的波粒二象性： 2）光的衍射： 如右圖所示，如果光是直線傳播的，則只能如紅線所示；而光的傳播如黑線所示。因此說明光能繞過障礙物彎曲傳播，即光能衍射。而光的干涉和衍射是波動才有的現(xiàn)象，即 光具有波動性 。 （ 2）光的波粒二象性： 由實驗測定得，光的動量 P與其波長 λ 成反比： 即 P＝ （ h—— Planck常數(shù)： 10－ ） 此式表明了光具有波粒二象性。 ?h 經(jīng)典力學中 ， 人們能同時準確測定宏觀粒子的位置和動量 （ 或速度 ） ， 例如人造衛(wèi)星 、 炮彈發(fā)射等 ， 但不可能同時準確測定微