【正文】 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 第 2章 原子結(jié)構(gòu) 19世紀末物理學上的三大發(fā)現(xiàn)： X射線 放射性 電子 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 第 2章 原子結(jié)構(gòu) X射線： 1895年 德物理學家倫琴， 1901年 首屆諾貝爾物 理學獎。 放射性： 1896年 法科學家貝克萊爾、居里夫婦發(fā)現(xiàn)鈾的 放射性， 1903年 諾貝爾物理學獎。 電子： 1897年 英科學家湯姆遜的陰極射線實驗發(fā)現(xiàn)電子， 1906年 諾貝爾物理學獎； 1911年美物理學家密里根 油滴實驗求得電子的質(zhì)量， 1923年 諾貝爾物理學獎。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 第 2章 原子結(jié)構(gòu) 原子 原子核 電子 中子 質(zhì)子 原子中的基本粒子 : 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 第 2章 原子結(jié)構(gòu) 電子在原子核外是怎樣運動的呢？ (4) 盧瑟福的原子行星模型（ 1911） (1) 氫原子光譜（ 1883） (2) 普朗克的量子論（ 1900） (5) 玻爾假說（玻爾理論， 1913） (6) 微觀粒子的波粒二象性（ 1924， 1927） (7) 海森堡不確定原理（ 1927） (3) 愛因斯坦的光子學說（ 1905） 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜（ 1883） 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜（ 1883） 線狀光譜 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜（ 1883） 指紋 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜（ 1883） 1913年，瑞典物理學家里德伯（ Rydberg）仔細地測定了氫原子光譜各譜線的頻率，找出了適用所有氫光譜譜線規(guī)律性關(guān)系的公式，即 里德伯公式 ： 221211()Rnn???1?式中： λ為波長 ， R∞ 為里德伯常量 (實驗值 )， 其值為 105cm–1， n1和 n2為正整數(shù)，而且 n2＞ n1， n為 1， 2， 3， 4， … 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜（ 1883） 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜（ 1883） 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (1)氫原子光譜 （ 1883） 氫原子光譜特征： 為什么原子光譜是線狀的呢？ ◆ 從紫外區(qū)（短波）到紅外區(qū)（長波）， n的取值越來越大，能量也越來越高，當 n趨于無窮大時，電子脫離原子核束縛，能量為零。 ◆ 不連續(xù)的線狀光譜，從紫外到紅外區(qū)呈現(xiàn)多條具有特征波長的譜線。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (2)普朗克的量子論（ 1900） 德國物理學家普朗克，第一個沖破經(jīng)典物理學中能量連續(xù)變化的框框，首先在物理學中引入了“ 量子 ”的概念，提出了著名的、當時被譽為物理學上一次革命的量子化理論 。 普朗克 M. Planck， 18581947 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (2)普朗克的量子論（ 1900） 經(jīng)典物理學中的一些物理量，如時間、速度、長度、面積等的變化是 連續(xù)的 ，沒有一個最小單位，無限可分。 有些物理量的變化是有最小單位的，例如 電荷量 ，電荷量變化的最小單位是 1個電子的電荷量，即 10–19 C，電荷量的改變不能小于 1個電子的電荷量，只能是這個數(shù)的整倍數(shù)來增減，這是 不連續(xù) 的意思。 不連續(xù)性只有在微觀世界里才有意義 氫原子光譜的不連續(xù)性就是量子化的 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (3)愛因斯坦的光子學說（ 1905） 1887年光電效應(yīng)實驗說明了光具有 粒子性 。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (3)愛因斯坦的光子學說（ 1905） 愛因斯坦 ， 18791955 愛因斯坦通過對光電效應(yīng)的研究，1905年提出 光子學說 ，為量子論提供了實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。 光是由一群顆粒性的光子組成，光子的能量與入射光的頻率有關(guān)，當光子與金屬中的電子相碰撞時，就把它的全部能量，即一個能量子轉(zhuǎn)移給了電子。 光子的能量越高，轉(zhuǎn)移給電子的能量也越高，電子的速度就越大。光子的數(shù)目越多（即光越強），釋放出電子的數(shù)目也就越多。 光電效應(yīng)說明了光不僅具有波動性，而且具有粒子性。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (3)愛因斯坦的光子學說（ 1905） 愛因斯坦用兩個公式把表征光 波動性 的物理量 (λ和 ν)和表征光 粒子性 的物理量 (E 和 p)定量地聯(lián)系起來 。 光子能量 E的大小與光的頻率 ν成正比 ， 光子動量 p的大小與光的波長 λ的倒數(shù) 成正比： 式中： h為普朗克常量， v為光的頻率， λ為光的波長。 E = hν p = h λ 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (4)盧瑟福的原子行星模型（ 1911） 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (4)盧瑟福的原子行星模型（ 1911） 盧瑟福 Ernest Rutherford 18711937 英國物理學家盧瑟福根據(jù) ? 粒子穿 透金屬箔實驗 ，提出原子行星模型： ● 原子中有一個極小的核， 即原子核； ● 原子核幾乎集中了原子全部的質(zhì)量，并帶有 Z 個正電荷； ● 另有 Z 個電子在原子核外像行星繞著 太陽旋轉(zhuǎn)一樣繞核運動。 經(jīng)典電磁理論和盧瑟福原子行星原子模型，無法解釋氫原子光譜的實驗事實。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (5)玻爾假說（玻爾理論， 1913） 丹麥物理學家玻爾將盧瑟福的原子行星模型與普朗克量子論巧妙地結(jié)合，提出著名的玻爾假說 : 尼爾斯 玻爾 ， 18851962 ● 原子中的電子只能在符合一定 量子化條件 的 固定的 軌道上 繞核運動 ； 電子在一個軌道中運動的角動量 mvr 必須是 的整倍數(shù)，即： h 2π 式中 m為電子的質(zhì)量； v是電子運動的速度； r 是軌道的半徑； h 是普朗克常量； n 是量子數(shù)。這些符合量子化條件的軌道稱 為穩(wěn)定軌道，具有固定的能量 E，電子在穩(wěn)定軌道上運動時，不放出能量。 2 πhm v r n?高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (5)玻爾假說（玻爾理論， 1913） ● 電子在離核越遠的軌道上運動，其能量越大。 通常電子保持在能量最低的狀態(tài)即 基態(tài) ，基態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。 當原子從外界獲得能量時，電子可以躍遷到離核較遠的較高能量的軌道上去，這時電子所處狀態(tài)稱為 激發(fā)態(tài) 。 ● 處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，可以躍遷到離核較近的軌道上，這時會以光子形式 釋放出光能 ， 光的頻率決定于兩條軌道之間的能量之差 ： 式中 E2為電子處于激發(fā)態(tài)時的能量； E1為電子處于低能級時的能量； ν為光的頻率； h為普朗克常量。 21EEh???高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (5)玻爾假說（玻爾理論， 1913） 玻爾根據(jù) 經(jīng)典力學原理 和 量子化條件 ，計算了電子運動的軌道半徑 r 和電子的能量 E，推求出氫原子核外電子運動的軌道半徑和能量： n=3 時 ， r3=33 ， E3 = mol–1 當 n=1 時， r1=12 ， E1= mol–1 n=2 時， r2=22 ， E2 = mol–1 從距核最近的一條軌道算起 , n值分別等于 1,2,3,4, 5,6,7,根據(jù)假定條件算得 n=1時允許軌道的半徑為 , 這就是著名的 玻爾半徑 。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (5)玻爾假說（玻爾理論， 1913） ◆ 解釋了激發(fā)態(tài)原子為什么會發(fā)射出光射線； ◆ 說明了氫光譜線波長的不連續(xù)性； ◆ 說明了氫光譜線頻率的規(guī)律性 （ 驗證了里德 伯公式 ， 里德伯常量 ） ； ◆ 提出了 n 是能級的概念 ， 這為人們后來研究 光譜學以及發(fā)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代理論做出了 貢獻 。 玻爾假說成功之處： 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (5)玻爾假說（玻爾理論， 1913） ● 未能完全沖破經(jīng)典物理的束縛 ，只是在經(jīng)典力學連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，人為地加上了一些量子化的條件；如在討論和計算電子運動的軌道半徑時，都是以經(jīng)典力學為基礎(chǔ)的，認為電子在核外的運動有固定軌道，而對于 電子本身所特有的波粒二象性，在當時是玻爾所不能認識的。 ● 玻爾理論 解釋不了多電子原子的光譜和氫光譜的精細結(jié)構(gòu)等問題 。 玻爾假說的缺陷： 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (6)微觀粒子的波粒二象性（ 1924， 1927） ◆ 光的波粒二象性 光的傳播形式和光的衍射現(xiàn)象都表示了光的波動性。光電效應(yīng)說明了光具有粒子性。 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (6)微觀粒子的波粒二象性（ 1924， 1927） ◆ 電子的波粒二象性 德布羅意 Louis de Broglie 18921987 1924年 法國年輕的物理學家德布羅意在光的波粒二象性啟發(fā)下，大膽地提出了“ 物質(zhì)波 ”的假設(shè)，預(yù)言電子等粒子會像光一樣發(fā)生衍射，顯示具有波動性。 式中 m為電子的質(zhì)量， h為普朗克常量， p為電子的動量， v為電子的速度，這種波稱為 物質(zhì)波 ，亦稱為 德布羅意波 。 并根據(jù)波粒二象性的關(guān)系式預(yù)言了高速運動的電子的波長 λ 公式： hhp mv? ??高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 ◆ 電子的波粒二象性 1927年 ， 電子衍射的實驗 證實了德布羅意的預(yù)言，電子不僅是一種具有一定質(zhì)量、高速運動的帶電粒子，而且還能呈現(xiàn)波動性。 (6)微觀粒子的波粒二象性（ 1924， 1927） 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (7)海森堡不確定原理 （ 1927） 1927年 ，德國物理學家海森堡提出了量子力學中的一個重要原理 ——不確定原理 ：不可能同時測得電子的精確位置和精確的動量。 海森堡 Heisenberg 1901~1976 xp? ??2πh≥ 式中 Δx 為粒子位置的不確定值 ； Δp 為粒子動量的不確定值 ； Δv 為粒子運動速度的不確定值； m 為粒子的質(zhì)量 ； h為普朗克常數(shù)； xv? ??2πhm≥ 高等教育出版社 高等教育電子音像出版社 (7)海森堡不確定原理 （ 1927） ◆ 質(zhì)量 m=10g的宏觀物體子彈，它的位置能準確測到 Δx = ， 那么此時其速度不確定值為 ： = 1034/(2 10 103 102) = 10–28（ ms–1） ≥ v?2πhmx??◆ 電子的質(zhì)量 m= 1031kg， 原子半徑的數(shù)量級為 108 cm，那么位置的不確定值 Δx 至少要達到 109cm 才近乎合理，這時其速度的不確定值為： ≥ v?2πhmx??= 1034/(2