第七章 原子结构和元素周期表DOCWord文件下载.docx
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e.s.u*
g
a.m.u*
proton(P)
1.6021019
4.8031010
1.6721024
1.007276
neutron(N)
1.6751024
1.008665
electron(E)
9.1081028
0.0005484
e.s.u(electrostaticunit)a.m.u(atomicmassunit)1a.m.u=1.6605311024g
质子、中子和电子等是不能直接观察到的微小粒子,称为microparticles。
那么人们是怎么样认识这些微观粒子的呢?
我们讲发现这些基本粒子的实验,从这些基本粒子的发现过程,大家对于科学假说、科学实验和科学理论之间的相互关系有一个感性的认识,进而使大家懂得什么是科学的方法。
科学方法为我们提供了一种合乎逻辑的途径,以寻求许多问题的答案:
第一步:
进行经过仔细筹划的科学实验,以收集能为该问题提供各方面素材的一些事实;
第二步:
提出假设,以解释所获得的数据.然后用进一步的实验去验证此假设;
第三步:
把假设上升为理论。
如果某些假设能够说明某一领域的大量事实,就可以上升为理论,理论的功能在于它是进一步工作的指导原则,以它为依据,可以预见
新的事实材料,为寻找更多事实材料指出方向;
第四步:
若理论已达到作为普遍真理而被接受,就称为定律。
一般说来,化学中的理论和定律不象物理学中的理论和定律那么精确。
这是因为化学研究的对象比物理模型复杂得多。
正因为这些理论和定律之不够完美,能够促进大学生学习化学的兴趣,并为大家创造出更多发明的机会,这是一件好事。
二、原子结构的发现(TheDiscoveryofAtomicStructure)
1.近代原子结构的微观理论起源于四个方面的研究工作:
(1)Conductivityoflowpressuregas.
(2)Radioactivity
(3)X-raydiffraction(4)Spectroscopy
2.Discoveryofelectron──Cathoderays
(1)1897年,theBritishphysicistJ.J.Thomson(1856-1940),基本弄清了阴极射线的本质,determinedtheratioofelectricalchargetomass:
e/m=1.7588108coulombspergram.
(2)In1909RobertMillikan(1868-1953)oftheUniversityofChicagosuccededinmeasuringthechargeofanelectronbyperforminganexperimentknownasthe“Millikenoildropexperiment.”(e=1.6021019C,∴Massofelectron=1.6021019/1.759108=9.111028g=5.5104(amu)
3.TheRutherford’snuclearatom(获1908年Nobel化学奖)
(1)放射性现象提供了研究原子内部结构和发现原子核的方法
In1896theFrenchscientistHenriBecquerel(1852-1908)wasstudyingauraniummineralcalledpitchblende,whenhediscoveredthatitspontaneouslyemitshigh-energyradiation.
接着MarieCurie从一吨沥青铀矿中分离出约0.2g的一种新元素化合物(溴
化物),这种新元素被命名为镭(radium)。
美国化学家卢瑟福进一步研究了放射性的本质:
revealedthreetypesofradiation:
alpha(α),beta(β),andgamma(γ):
Typeofrediation
Charge
Nature
Alpha
4.0026
+2
Neuclearofheliumatom
Beta
1/1837
1
High-speedelectron
Gamma
High-energyradiation
(2)Rutherford’sexperimentonthescatteringofαparticles
a.J.J.Thomsonproposedthattheatomconsistedofauniformpositivesphereofmatterinwhichtheelectronswereembedded.Thismodelbecameknownasthe
“plum-pudding”model,afterthenameofatraditionalEnglishdessert.Thomson’satomicmodelwasveryshort-lived.
b.In1910Rutherfordandhisco-workersperformedanexperimentthatledtothedownfallofThomson’smodelonthescatteringofαparticles.他们让α粒子通过1000层金原子(400
)的金箔,发现大偏转的α粒子出现的几率为
,即10万个α粒子中只有一个α粒子发生90°
以上的偏转。
他得出了如下的结论:
(i)原子中大部分是空的;
(ii)原子核的正电荷和质量集中在一个很小体积的小球上。
通过一层原子时,大偏折α粒子的几率为108,这说明S原子核/S原子=108,∴r原子核/r原子=104。
根据这些结果,卢瑟福提出了原子有核模型。
4.质子的发现(Discoveryofproton)
1886年Goldstein把阴极制成多孔的阴极,发现有另外一种射线从阴极向与电子发射方向的相反的方向射出,它由残留在真空管的气体的正离子组成,称为阳极射线。
若残留气体是氢气,那么组成阳极射线的将是氢离子(H+),即氢原子核,起名为质子。
5.中子的发现(Discoveryofneutron)
1932年Chadwick(Britishscientist)(1891-1972)发现当用α粒子辐照金属铍时,产生一种有强穿透性的射线,是由中子组成的。
2 氢原子光谱和能级的概念
TheSpectrumofAtomicHydrogenandConceptofEnergyLevels
一、问题的提出
1.在十九世纪末,物理学理论已经发展得相当完善:
Newtonthreemechanics’laws,Maxwellequations—electroeity,magnetism,optics,Boltzmannstatisticalphysics.
2.但解决不了三大问题
(1)黑体辐射:
E∝ν,温度越高,发出的波长越短。
a.黑体:
能全部吸收外来电磁波的物体。
根据经典物理中光的波动说:
E总=E动+E势=
kA2(与振幅的平方成正比)
b.实验:
当纯净物加热到足够高的温度时,它发“红热”,若再升高温度,就变成“白炽”。
即温度越高,发出的波长越短,E∝1/λ,即E∝ν。
c.Planck’shypothesis(Germanphysicist,1858-1947)
1900年,Planck在深入分析实验数据和经典理论计算方法的基础上,指出在经典理论范围内,无论如何都解决不了这个矛盾,他提出了假设:
(i)受热固体的分子或基本粒子就象小振子一样,其能量由E=nhν给出,
Planck’sconstant,ν-振子的频率,
是一个只可以取正整数值的数;
(ii)振子并不连续地辐射能量,而只是跳跃地辐射能量,如果Δn=1,则ΔE=Δnhν=hν。
Planck由于这些成就,荣获1918年Nobel物理学奖。
1900年12月14日,Planck把论文交到柏林科学会,量子物理学就从这一天开始。
Planck的这些假设是根本性的假设,就连他本人在许多年间都没有一心一意接受下来。
他曾经谈到这样的话:
“我曾企图设法使这个基本作用“量子”与经典理论相适应,我这种徒劳无益的企图曾经继续了许多年,花费了我很多心血。
“
因此在分子水平上,能量是以大小等于hν的不连续量称为量子(quantum)来吸收或放出的。
这种理论助长了光能具有粒子本性的概念。
光是由光子(photons)组成,它与物质粒子一样,具有能量与动量。
(2)光电效应(thephotoelectriceffect)
In1905AlbertEinstein(1879-1953)usedPlanck’squantumtheorytoexplainthephotoelectriceffect.Experimentshadshownthatlightshiningonacleanmetalsurfacecausesthesurfacetoemitelectron.
a.实验:
(i)当清洁的金属表面在真空中以足够高频率的单色光照射时,自金属表面射出电子;
(ii)要从金属表面射出电子的必要条件是ν入射大于ν0(该金属的固有频率或截止频率);
(iii)E动(射出电子的能量)正比于ν;
(iv)增加光的强度只能增加电子射出的速率,但不增加电子本身的速度(即不增加电子的动能)。
例如,Cs的ν0=4.5104s1(λ=6700Å
),Pt的ν0=1.51015s1(λ=2000Å
)
b.Einstein’sexplain:
他把E=hν与质能联系定律E=mc2联系在一起,求得光子的质量为m=hν/c2,所以光子的动量为p=mc=(hν/c2)·
c=hν/c=h/λ.
p=h/λ是一个非常重要的公式,它把光的波动性(λ)和粒子性(p)联系在一起。
当光子和电子相碰时,服从能量守恒和动量守恒。
∴hν=hν0+
mv2(m:
电子质量,v:
电子速度,ν:
光子频率)
(3)氢原子光谱(Thespectrumofhydrogenatomthathadpuzzledscientistsinthenineteenthcentury)
a.光谱:
当原子、离子或分子被火焰、电弧等激发时,能够发出一系列具有一定频率的光谱线。
(i)
发射 emission
吸收 absorption
(ii)
线光谱 linespectrum(atomic
spectrum)
带光谱 bandspectrum
(molecular
b.氢原子光谱线是最简单的光谱线,Fe原子光谱线有几千条。
c.氢光谱频率的关系:
,
其中n2=n1+1,n1+2,n1+3,……,
R:
Rydberg`sconstant,R实=109677.58cm1
n1=1:
Lymarseries(1916)Ultraviolet
n1=2:
Balmerseries(1885)Visible
n1=3:
Paschenseries(1908)Infred
二、Bohr’sModel:
AfterRutherford’sdiscoveryofthenuclearnatureoftheatom,scientiststhoughtoftheatomasa“microscopicsolarsystem”inwhichelectronsorbitedthenucleus.Inexplainingthelinespectrumofhydrogen,Bohrstartedwiththisidea,assumingthatelectronsmoveincircularorbitsaroundthenucleus.Accordingtoclassicalphysics,however,anelectricallychargedparticle(suchasanelectron)thatmovesinacircularpathshouldcontinuouslyloseenergybyemittingelectromaganeticradiation.Astheelectronlosesenergy,itshouldspiralintothenucleus.BohrapproachedthisprobleminmuchthesamewaythatPlanckhadapproachedtheproblemofthenatureoftheradiationemittedbyhotobjects:
Heassumedthattheprevailinglawsofphysicswereinadequatetodescribeatoms.Furthermore,headoptedPlanck’sideathatenergiesarequantized.
1.Bohr’shypothesis:
1913年玻尔在普朗克量子论,爱因斯坦光子学说和卢瑟福有核原子模型的基础上,提出了如下假设:
假设一:
氢原子是由一个质子的原子核与一个沿着原子核以圆形轨道半径为r运动的电子所构成:
由Coulomb’slaw可知
(负号表示吸引),
∴
, 即
假设二:
并非所有的圆形轨道均为电子所容许的,只有电子的轨道角动量(mvr)等于h/2π的正整数倍,才是电子运动所容许的轨道:
,即
,两边平方得
由
得:
, 解得
把h=6.631034J·
s,m=9.11031kg,ε0=8.851012C2·
m1 代入上式得
r=0.53·
n2(Å
)=0.053·
n2(nm)
假设三:
由于轨道角动量的限制,在一定的轨道上的电子所具有的能量是固定的,这些值显然是不连续的。
这些固定轨道上,电子既不吸收能量也不放出能量:
由
代入 得
以
假设四:
电子从一个轨道向另一个轨道跃迁时,放出(或吸收)的能量必须等于两个轨道之间的能量差:
∴
,令
R理=109737cm1,而R实=109677.58cm1,(R理R实)/R理=5104
为什么上面公式中用光速c,而不用电子速度v呢?
因为电子的跃迁形式是以光波的形式出现,所以用光速c而不用电子速度v。
3.玻尔理论成功的地方:
(1)利用m、e、ε0、h、c的数值计算出来的R与实验值非常接近;
(2)计算出来的氢原子n=1的轨道半径(r=0.529Å
)与实验方法测得氢原子的有效半径r=0.53Å
非常接近;
计算出来氢原子基态(groundstate)的能量为(即氢原子上一个电子处于n=1的原子轨道上,所具有的能量)E0=13.6eV;
激发态(excitedstate)氢原子的能量为Ei=13.6/
(eV);
(3)玻尔理论能够成功地应用到仅含一个电子的类氢离子,如:
He+、Li2+、Be3+等离
子:
ri=0.53
/Z(Å
),Ei=13.6Z2/
(eV)
上述公式可以由
等三个公式
推导而得。
(4)比较成功地解释了氢原子光谱线
a.氢原子光谱线不连续,b.氢原子光谱线的规律性,c.提出了量子数的概念。
3.由于玻尔仍旧沿用了经典牛顿力学的概念,爱因斯坦已证明牛顿力学对于速度接近光速的物体不适用,所以玻理论存在下面一些局限性:
(1)不能解释多电子原子的光谱线,
(2)不能解释氢原子光谱的精细结构,在电磁场中有些谱线可以分裂成几条线。
3 核外电子的运动状态
一、微观粒子的波粒二象性(TheWavelikeandParticlelikeCharacterofMicroParticles)
1.光的波粒二象性
p显示了粒子性(particleproperty),λ显示了波动性(waveproperty),但真正把光的波动性和粒子性统一地反映出来的理论是量子电动力学。
2.电子的波粒二象性(Thewaveandparticlepropertiesoftheelectron)
1924年LouisdeBroglin(1892-1987)whoworkedonhisPh.D.thesisinphysicsattheSorbonneinParis.
受到光的波粒二象性的启发,大胆提出了电子也有波粒二象性。
Hesuggectedthattheelectronincircularpathabovethenucleustoproposethatthecharacteristicwavelengthoftheelectronorofanyotherparticledependsonitsmass,m,andvelocity,v:
(1)λ=h/mv,(h:
Planck’sconstant)
Sampleexercise:
Whatisthecharacteristicwavelengthofaelectronwithavelocityof5.97106m·
s1?
(Themassofanelectronis9.111028g)
Solution:
ThevalueofPlank’sconstant,h,is6.631034J·
sandrecallthat1J=1kg·
m2·
s2
∴
ThischaracteristicwavelengthisaboutthesameasthatX-ray.
(2)Experiment
1927年美国两位科学家J.Davisson和L.H.Germer进行了电子衍射实验,用已知能量的电子在晶体上的衍射试验证明了deBroglie的预言。
电子在电场中加速:
,
, ∴
∴
(Å
宏观物体是否存在波动性呢?
1.9g子弹,v=3.2104cm/s,λ=1.11023(Å
140g垒球,v=2.5103cm/s,计算得λ=1.91024(Å
显然只有在原子世界,才能观察到这种波,而在1927以前,研究原子性质的科学家根本没有想到有这种波,因此就不会去观察它了。
所以波粒二象性是微观粒子第一种显著的运动特点。
二、不确定原理(TheUncertaintyPrinciple)
在牛顿力学中,一个宏观物体的运动,其位置和速度都是同时确定的,所以经典力学中所谈的质点的运动轨道(或轨迹)是指具有某种速度、有一定的、可以确定运动物体在任意时刻位置的轨道,如炮弹、子弹和行星的运动轨道。
那么氢原子核外电子运动的轨道是否也有同样的含义呢
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