【正文】 第一章 原子結(jié)構(gòu) 微觀粒子（電子）的波粒二象性，氫原子的波函數(shù)，概率密度和電子云， 核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 四個(gè)量子數(shù)； 多電子原子的原子結(jié)構(gòu)，核外電子排布規(guī)律，元素周期表 濃縮了全世界 1/3智慧的照片 1936化學(xué) 與兒子1914物理 1921物理，在上海收到 1933物理 1927物理 1945物理 1932物理 1954物理 1922物理 1921物理 1903物理 1911化學(xué) 與塞曼1902物理 1927年索爾維會(huì)議 哥本哈根學(xué)派 明星主持人 德布羅意 1929物理 居里夫人，波蘭， 18671934 全球第一個(gè)女博士 巴黎大學(xué)第一位女教授 第一位獲 Nobel獎(jiǎng)的女性 第一位兩次獲 Nobel獎(jiǎng)的科學(xué)家 1903年，因發(fā)現(xiàn)釙 Po和鐳， Nobel物理獎(jiǎng) 1911年， Nobel化學(xué)獎(jiǎng) ? 碳原子半徑為 x 10 10 m（ ） . ? 原子是不可能由普通顯微鏡觀測(cè)的 ( 1 000). ? 掃描隧道顯微鏡 Scanning Tunneling Microscope (STM) ? Xray 衍射實(shí)驗(yàn) . 第一節(jié) 氫原子結(jié)構(gòu) 的玻爾 (Bohr)模型 原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)史 道爾頓 －－ 湯姆遜 －－ 盧瑟福 － →玻爾理論 － →薛定諤 道爾頓原子理論 (1803) 1．一切物質(zhì)都是由非常微小的粒子 原子所組成。在所有化學(xué)變化中，原子都保持自己的獨(dú)特性質(zhì)。原子不能自生自滅，也不能再分。 2．種類相同的原子，在質(zhì)量和性質(zhì)上完全相同；種類不同的原子，它們的質(zhì)量和性質(zhì)都不相同。 3．單質(zhì)是由簡單原子組成的，化合物是由“復(fù)雜原子”組成的，而“復(fù)雜原子”也是由簡單原子組成的。 4．原子間以簡單數(shù)值比互相化合。例如，兩種原子相化合時(shí)，其數(shù)值比常成 1： 1或 1： 2： 2：3…… 等簡單的整數(shù)比。 1801，氣體分壓定律 湯姆森 (英國 )原子模型 (1897) 電子是嵌入正電荷的 對(duì)電子在陰極射線管中的偏移做了定量研究后，應(yīng)用簡單的電磁理論得到 荷質(zhì)比 . 早期原子模型 1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 盧瑟福原子模型 (1911) ?粒子衍射實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，幾乎所有撞擊金箔的 α粒子均直線通過，好像沒有金箔存在似地，僅有極少數(shù)的 α粒子產(chǎn)生大角度的偏轉(zhuǎn)。由此認(rèn)為，原子大部分的體積應(yīng)該是空無一物，而質(zhì)量則集中在極小空間稱為原子核，帶負(fù)電荷的電子在原子核四周運(yùn)動(dòng)，原子核則帶相同數(shù)量的正電荷，以維持原子的電中性。 行星模型 發(fā)現(xiàn) α和 β粒子，放射性元素反射過程的本質(zhì)（ 1908， Nobel化學(xué)獎(jiǎng)），提出半衰期，發(fā)現(xiàn)原子核 原子結(jié)構(gòu)的基本組成： 原子 （ 1010米） 原子核 （ 1014米） 電子（ 1015米）帶負(fù)電 中子（不帶電） 質(zhì)子（帶正電） 經(jīng)典的電磁理論，繞核高速運(yùn)動(dòng)的電子將不斷以電磁波的形式發(fā)射出能量，導(dǎo)致兩種結(jié)果： 1. 電子不斷發(fā)射能量，自身能量不斷減少，電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑逐漸縮小，電子很快會(huì)落在原子核上，有核原子模型所表示的原子是一個(gè)不穩(wěn)定的體系。 2. 電子自身能量逐漸減少，電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也要逐漸改變。輻射電磁波的頻率隨著旋轉(zhuǎn)頻率的改變而改變，則原子發(fā)射的光譜是連續(xù)光譜。 盧瑟福模型的一些問題 事實(shí)上原子是 穩(wěn)定存在 的，原子光譜是 線狀光譜 。這些矛盾是經(jīng)典理論所不能解釋的。 ? 原子線狀光譜 太陽光或白熾燈，發(fā)出混合光，經(jīng)三棱鏡折射，分成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等不同波長的光，得到的光譜是連續(xù)光譜。 例 氫原子的重要性 ? 氫原子是最簡單的原子 ? 氫原子是解讀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的天然理想模型 ? 現(xiàn)代量子理論對(duì)氫原子的理論研究與實(shí)驗(yàn)符合完美 ? 現(xiàn)代量子理論對(duì)氫原子的理論研究結(jié)果經(jīng)拓展后與類氫微粒 He+ 、 Li2+是也能符合 ? 現(xiàn)代量子理論也可以近似描述復(fù)雜原子，是認(rèn)識(shí)復(fù)雜原子體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 近代原子結(jié)構(gòu)理論：氫原子光譜 1913年， 玻爾 ， Neils Bohr，丹麥 1922 年 , 諾貝爾獎(jiǎng) 與愛因斯坦比肩的偉大科學(xué)家 在 普朗克（ Planck） 的量子論， 愛因斯坦 光子學(xué)說和 盧瑟福 有核原子模型基礎(chǔ)上，提出了 玻爾定態(tài)原子結(jié)構(gòu)理論 ，初步解釋了氫原子線狀光譜產(chǎn)生的原因和光譜的規(guī)律性，建立了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的初步量子理論（舊量子論）。 在經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上 ， 人為的引入了量子化條件 ， 不能正確的反應(yīng)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 。 原子被假設(shè)為一個(gè)正電荷的核被脈沖電子波所包圍；電子也有一定能級(jí)，但并不遵循一定的軌道，而是在核周圍一定空間區(qū)域內(nèi)能找到的概率，這些空間區(qū)域被稱為“軌道”。 原子的現(xiàn)代模型 核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)方程 1926， 薛定諤 ， ESchr246。dinger，奧地利 根據(jù) 德布羅意 關(guān)于物質(zhì)波的觀點(diǎn)，首先提出了描述核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子力學(xué)方程，確立了近代原子結(jié)構(gòu)理論。 湯姆森 盧瑟福 普朗克 玻爾 德布羅意 海森堡 薛定諤 小愛 一、 Bohr模型建立的基礎(chǔ) 1. 氫光譜 —— 線狀光譜 2. 能量量子化 3. 光子學(xué)說 普朗克 量子論， 1900年 德國人，擅長多項(xiàng)科目，出色的鋼琴演奏家，21歲拿博士，物理學(xué)全才，一生反對(duì)納粹。 1918年，其量子假說被確證， 1921年拿 Nobel。 量子力學(xué)之父， 他所做的起始突破非常重要，使人們?cè)谒枷肷蠑[脫了先前的錯(cuò)誤概念。因此他的繼承人才能創(chuàng)立出今天這樣完美的學(xué)說。 i. 物質(zhì)吸收或發(fā)射的能量是不連續(xù)的，是量子化的，只能采取一個(gè)最小能量單位（ ε0）的整數(shù)倍，即 ε0 、2ε0 、 3ε0 ……nε 0 的吸收或發(fā)射。 ii. 這個(gè)最小的能量單位 ε0稱為能量子，其數(shù)值為： ε0=hν iii. 1905年， 愛因斯坦 提出 光子學(xué)說 ： 光由光子組成，光的吸收或發(fā)射也不是連續(xù)的，只能以光能的最小單位光子的整數(shù)倍進(jìn)行。 能量量子化的概念只有在微觀領(lǐng)域才有意義。 光的波粒二象性： 光不僅具有波動(dòng)性，而且具有粒子性。 光在傳播過程中，波動(dòng)性比較明顯，如光的衍射、干涉現(xiàn)象。 當(dāng)光與實(shí)物作用時(shí)，微粒性比較明顯，如光電效應(yīng)。 二、 Bohr模型 波爾理論的假設(shè) ? 電子繞核旋轉(zhuǎn)，庫侖引力產(chǎn)生向心加速度 1) 波爾量子化條件， Bohr’s Quantum Conditions 電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量 L（ L＝ mυr）必須等于h/2π的整數(shù)倍。 ?,3,2,12 ?? nhnrm ??m —— 電子的質(zhì)量 υ—— 電子運(yùn)動(dòng)的速度 r —— 電子運(yùn)動(dòng)軌道的半徑 2) 定態(tài)假設(shè) 由于電子運(yùn)動(dòng)的軌道是不連續(xù)的，所以原子體系只能具有一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)。在這些狀態(tài)中，電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，既不輻射也不吸收能量。 定態(tài) , stationary state: 在這些軌道上運(yùn)動(dòng)的電子所處的狀態(tài) 基態(tài) , ground state: 能量最低的定態(tài) 激發(fā)態(tài) , excited state: 能量較高的定態(tài) 電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子的能量最低，處于基態(tài)。 原子獲得能量，電子可以躍遷到離核較遠(yuǎn)的軌道（較高能量的軌道）上，原子和電子處于激發(fā)態(tài)。 氫原子的穩(wěn)定性： 在通常情況下，氫原子中的電子在特定的穩(wěn)定軌道上運(yùn)動(dòng)，并不放出能量，因此通常原子并不會(huì)發(fā)光，也不會(huì)自發(fā)毀滅。 3) 頻率假設(shè) 原子由某一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時(shí)，就要吸收或放出一定頻率的光。光的能量等于這兩個(gè)定態(tài)的能量差。 12 EEh ???電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)的 軌道半徑和能量 Orbital Radii and Energies (for the Hydrogen Atom) ?,3,2,14 2222?? nnmehr ??,3,2,112 2242??? nnhmeE ?－ 氫原子體系的能量狀態(tài)和電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是一系列由 n決定的不連續(xù)的數(shù)值 。 這種量子化的能量狀態(tài)稱為能級(jí) 。 能級(jí) n＝ 1時(shí)，基態(tài)， r1＝ 1011m ()， 玻爾半徑 。 E1＝－ 1018J， ←波長 氫原子光譜的一部分 氫原子光譜的產(chǎn)生原因和規(guī)律性 Bohr的原子結(jié)構(gòu)理論 ： 1. 核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動(dòng)，且不輻射能量。 2. 通常，電子處在離核最近的軌道上，能量最低 — 基態(tài)； 原子得能量后，電子被激發(fā)到高能軌道上，原子處于激發(fā)態(tài)。 3. 從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)釋放光能，光的頻率取決于軌道間的能量差。 波爾理論是一個(gè)偉大的成就，獲得了1922年諾貝爾獎(jiǎng)。 局限性 — ? 只能成功解釋 H原子和類氫離子 ? 不能解釋氫原子的精細(xì)光譜 ? 根本原因是它沒有擺脫經(jīng)典力學(xué)的束縛，雖引入量子化條件，但仍將電子視為有固定軌道的宏觀粒子，沒有認(rèn)識(shí)到電子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性。 Niels Bohr (1