第四章物质结构-1.ppt

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1、第四章 物质结构简介,我们周围的世界存在着形形色色的 物质，不同的物质性质各不相同，但某些物质的 性质又有些相似。长期以来，人们为了知道物质的性质的内在原因进行了不断地探索，但只有当人们逐步揭示物质内部结构的奥秘时，才知道物质的性质与它内部的结构有关。显然，物质的性质（外部特征）是物质结构（内部特征）在各种条件下的体现。因此，要更好地掌握物质的性质及其变化规律，必须深入了解物质结构知识。 但内部结构太小，长期以来缺乏有效工具。(隧道扫描显微镜),1993年，中国科学院科学家通过移动单个 硅原子所写的世界上最小的“中国”二字。,这是中国科学家用一个个铁原子排列出的世界上最小的“原子”二字。,第一

2、节、原子结构模型 一、模型的演变,(1)所有物质都是由非常微小的，不可再分的实心球体即原子组成的； (2)同种物质的原子其质量、大小和形状都相同，不同元素的原子不同，主要表现为质量的不同； (3)原子不能被分割； (4)原子是元素参加化学变化的最小单位，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会被创造或消失。,1.道尔顿的原子学说-提出原子论 1803年，英国化学家道尔顿阐述了他的化学原子论。主要观点有：,2汤姆生的原子结构模型-发现电子（阴极射线,带负电荷）,1897年，汤姆生证明假设原子带正电的部分像“流 体”一样均匀分布在球形的原子内，而负电子则嵌在球 体的某些固定位置。汤姆生认为，正电荷

3、均匀地分布在 原子之中，而电子就像是葡萄干面包中的葡萄干一样散 布在原子的正电荷之中，这就是原子结构的第一个模 型葡萄干面包式模型。 不久，他的学生卢瑟福的散射实验打破了这种模型。,3、汤姆生原子模型（1904年）:原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子,中和了正电荷，从而形成中性原子。,汤姆生原子模型（1904年）:原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子,中和了正电荷，从而形成中性原子。,3卢瑟福的原子结构模型-发现原子核结构 1911年，英国物理学家卢瑟福做了一系列实验：当用一束平行的a粒子轰击金箔时，发现绝大多数a粒子穿过金箔不改变行进方向，只有极少数的a粒子

4、产生偏转，其中个别的甚至反方向折回。大量实验发现绝大部分a粒子穿过金箔时不改变行进方向、第800010000个a粒子中才有一个大角度散射或反方向折回。根据a粒子散射实验，卢瑟福提出含核原子结构模型。他的主要观点是：,(1)每一个原子都有一个体积极小、极密实的核； (2)原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量；,卢瑟福散射实验 (Rutherford Scattering Experiment),金箔 (gold foil),辐射放射源 (-source),显微镜 (microscope),硫化鋅屏幕 (zinc sulphide screen),http:/micro.magnet.fsu.

5、edu/electromag/java/rutherford/,散射实验的结果 (Experimental Results),绝大部份的粒子(-particles)都沿直线穿过金箔(gold foil)。 少量的-粒子会发生偏转(deflection)。 有个別的-粒子沿原路反弹。,http:/www.dac.neu.edu/physics/b.maheswaran/phy1121/data/ch07/anim/anim0701.htm,卢瑟福原子模型 (Rutherfords atomic model),整个原子大部份是空间(empty space)。 原子的所有正电荷(positive c

6、harge)和大部份的质量(mass)都集中在一个细小的中心，称为原子核(nucleus)。 原子核外，电子(electrons)围绕着原子核运转。,二、原子的构成：,质子（每个质子带一个单位正电荷） 原子核 原子 中子（不带电） 核外电子（每个电子带一个单位负电荷）,原子核所带的电荷数，叫核电荷数。,故：核电荷数质子数,原子的构成、原子核的构成是怎样的?,a,b,+,d,X,c,a代表质量数； b代表核电荷数； c代表离子的价态； d代表化合价 e 代表原子个数,e,a、b、c、d、e各代表什么？,三、有关概念 1.原子：化学反应中的最小微粒。 一般由质子和电子构成（不一定有中子，有一种氢原

7、子没有中子）,2.原子序数=核电荷数质子数核外电子数,3.质子数与核外电子数电荷相等，电性相反，故整个原子不显电性。 4.原子量：相对原子质量：以一种碳原子 6 12 C的质量的1/12作为标准，其它原子的质量跟它比较所得的数值，就是这种原子的相对原子质量（=质量数？）,原子的实际质量 相对原子质量= 一个碳原子的质量1/12,原子中各粒子的质量：,相对原子质量是原子的真实质量吗？ 与原子的实际质量的区别与联系？,相对原子质量的与组成原子的粒子的关系？,问题：,原子的质量集中在哪儿？,5.核素和同位素,同位素定义：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。注意：Z同：表示同一元素

8、N不同：质量数A不同，原子也不同,注意：Z同：同一元素 ；N不同：A不同，原子也不同 原子的种类是由质子数和中子数共同决定的。同 位素是原子的互称，是单质的互称。,核素定义：具有一定质子数和一定中子数的原子,同种核素特征：质子数相同，中子数也相同,氢元素：同一种核素 11 11+ 11- 不同种核素 11 12 13,用途：（1） C ：612C、613C、614C 614C每隔5568年它的质量就会减少一半，考古学家根据生物体内614C的含量，就可判断其生活的年代,(2) 11H N=0 氕 12H(D) N=1 氘(重氢) 13H(T) N=2 氚(超重氢),制氢弹,O：816O 8 17

9、O 8 18O H2O 水 18； D2O 重水 20； T2O 超重水 22,（3）U： 92234U 92235 U 92238U 铀235 制原子弹,2760O是恶性肿瘤的“克星”，也可用其辐射育种，刺激增长，保鲜，防腐,特性：(1)化学性质几乎完全相同。 1735 Cl、17 37 Cl （2）原子个数百分比（即丰度）基本不变。 17 35 Cl 75.77% ； 17 37 Cl 24.23% (3)物理性质不同：N不同， A不同， M不同， m不同， d不同。,例：硼有10B和11B两种同位素组成，硼元素的原子量 为10.8，求10B和11B在自然界中各自的百分比。,解：设10B所

10、占百分比为x: 10 x + 11 (1x) = 10.8 x = 0.2 10B占20%，11B占80%。,三、原子核的半径(10-1410-15m)约为原子半径(10-10m)的几万分之一，原子核的体积仅占原子体积的几千亿分之一，核外大部分空间有电子在绕核运动，核外电子的运动即核外电子的排布,核外电子的运动有何特点？,思考：,原子核半径小于原子半径的万分之一，体积占原子体积的几千万亿分之一。（如同大型体育场与蚂蚊）,卢瑟福原子模型（1911年）：在原子的中心有一个带正电的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳一样运转。 （空心球）,按经典电磁理

11、论“行星系式”原子模型： 原子核好比是太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。绕核运动的电子应该不停地连续地辐射，得到连续光谱。 电子能量不断减少，电子运动轨道的半径也将不断减少，最终，电子堕入核内，“原子毁灭”。 与原子能稳定存在，原子有特征的线状光谱不符。,第二节 核外电子的运动特点（性质与核外电子关系密切） 总体情况,(1)、质量小，带负电荷。,(2)、运动范围小。（原子半径，直径约10-10m）,(3)、绕核作高速运动（接近光速），无确定的轨道。,氢原子光谱,光谱仪可以测量物质发射或吸收的光的波长，拍摄各种光谱图。 光谱图就像“指纹”辨人一样，可以辨别形成光谱的元素。 人们

12、用光谱分析发现了许多元素,如铯、铷、氦、镓、铟等十几种。,电磁波, 电磁波是通过空间传播的能量。可见光只不过是电 磁波的一种 。,电磁波在有些情况下表现出连续波的性质，另一些情况下则更像单个微粒的集合体，后一种性质叫作波的微粒性。,二. 氢原子光谱和波尔理论,1.光谱：连续光谱,如:太阳光或白炽灯发出的 白光,线性光谱：原子光谱,氢原子光谱,然而，直到本世纪初，人们只知道物质在高温或电激励下会发光，却不知道发光机理；人们知道每种元素有特定的光谱，却不知道为什么不同元素有不同光谱。,（从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱,2.氢原子光谱,n1和n2都是正整数，而且n2n1,氢光谱是所有

13、元素的光谱中最简单的光谱。在可见光区，它的光谱只由几根分立的线状谱线组成,其波长和代号如下所示： 谱线 H H H H H 编号(n) 波长/nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009 不难发现，从红到紫,谱线的波长间隔越来越小。5的谱线密得用肉眼几乎难以区分。1883年，瑞士的巴尔麦（J.J.Balmer 1825-1898）发现，谱线波长()与编号(n)之间存在如下经验方程：,巴尔麦的经验方程引发了一股研究各种元素的光谱的热潮，但人们发现，只有氢光谱(以及类氢原子光谱)有这种简单的数学关系。 类氢原子是指He+、Li2+等原子核外只有一个电子的离子

14、。 里德堡把巴尔麦的方程作了改写大大促进了揭示隐藏在这一规律后面的本质,这是科学史上形式与内容的关系的一个典型例子。寻找表达客观规律的恰当形式是一种重要的科学思维方法。,玻尔理论的建立,1913年,年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现： 普朗克黑体辐射和量子概念、 爱因斯坦光子论、 卢瑟福原子带核模型 上述三者的基础上建立了氢原子核外电子运动模型,解释了氢原子光谱，后人称为玻尔理论。,爱因斯坦的光量子论,A.Einstein:首先注意到量子假设有可能解决经典物理学所碰到的其它困难的是年轻的。 1905年，他试图用量子假设去说明光电效应中碰到的疑难，提出了光量子(light quan

15、tum)概念。 他认为：辐射场就是由光量子组成，每个光量子（光子）的能量E与辐射的频率的关系是： (粒子性) (波动性) (2),三. 玻尔理论,1913年丹麦青年物理学家玻尔Bohr在Planck量子论(1900)和Einstein光子学说(1905年),从理论上解释了氢原子光谱的规律。（指出了原子结构与光谱的内在联系）,1.Bohr理论的基本要点,(1)核外电子运动取一定的轨道,在此轨道上运动的电 子不放出能量也不吸收能量,(2) 在一定轨道上运动的电子有一定的能量,这能量只能取 某些由量子化条件决定的正整数值.根据量子化条件， 可推出氢原子核外轨道的能量公式：,或,n=1，2，3，4的正

16、整数,波尔氢原子模型,n越小, 离核越近, 轨道能量越低, 势能值越负(n=1时半径为53pm,是著名的波尔半径),n,波尔氢原子模型,基态 激发态(电子处于能 量较高的状态), -0.445 -0.605 -0.872 -1.36 -2.42 -5.45 -21.79,E/10-19J,7 6 5 4 3 2 1,n,121.6nm,120.6nm,97.25nm,94.98nm,93.78nm,93.14nm,656.5nm,486.1nm,434.1nm,410.2nm,397.2nm,H H H H H, ,如 氢原子光谱中的H线,四、波尔氢原子模型的成功与缺陷,五.微观粒子的波粒二象

17、性,1. 光的波粒二象性,波动性：光的干涉，衍射 微粒性：光电效应,光既是一种电磁波又是光子流，既具有波动性又具有粒子性，即具有波粒二象性。,表征粒子性的物理量(能量E,动量P)和表征波动性的物理量(频率,波长)之间有如下关系：,E = h (为波的频率) P = m (为微粒的运动速度),(为微粒波的波长),2. 电子的波粒二象性,(1) 德布罗依关系式,电子，质子，中子，原子，分子等静止质量不为零的实物微粒都具有波动的性质。 伴随实物微粒运动的波称为德布罗依物质 波,一个质量为m,运动速度为的实物微粒,其动量P=m，故:,称为德布罗依关系式 表示物质波的波长可由质量m和运动速度来求算,求以

18、1.0106ms-1速度运动的电子的德布罗依波长,例1,解：,求高尔夫球m=4.510-2kg,速度=30ms-1的德布罗依波长为,宏观物体由于质量大,波长极短,所以观察不到它的波动效应,(2) 电子衍射实验,1927年美国的戴维森(Davisson，C.J.)和杰尔(Germer， L.H.)用电子衍射实验(图3-12)证实了电子的波动性。,1.电子束,2.狭缝,3.光栅(晶体),4.屏幕,电子衍射实验装置示意图,(a) X射线衍射图,(b) 电子衍射图,3. 海森堡测不准原理,海森堡认为微观粒子的位置与动量之间有这样的测不准关系:,xPh,x:微观粒子在x方向的位置坐标的不准确量, P:粒

19、子在该方向的动量的不准确量, h:普朗克常数.,原则上不可能同时准确地 测定微观粒 子(如电 子)的位置和动量。,测不准原理的内容:,例如，一个电子的质量很小（m=9.1110-31kg，原子 直径的数量级为10-10m，电子位置的合理准确度 确定到x为10-11m，求出其速度的不准量。,确定电子位置的同时，其速度就测不准，要同时测准电子的位置和速度是不可能的。,解：,借助波的运动方式解释电子运动的规律 反映一个电子运动的统计学规律： 明波强度大电子出现概率大 ； 暗波强度小电子出现概率小 . 电子运动虽无明确轨道，但它在某一瞬间在空间各区域出现的概率大小可反映出来. 电子波与电磁波不同：电子

20、波=概率波 电子这样具有波动性的粒子，并没有明确的运动轨道；不能象描述宏观物体那样用坐标和动量来描述。,但人们在相同条件下做单个和多个电子的衍射实验，得到的衍射环纹的深浅及环纹间的距离也是相同的。说明：电子等微粒的运动还是遵循一定规律的，它的运动状态是可以描述的。 研究微观粒子运动状态必须用统计学方法量子力学方法。量子力学假定微粒的运动状态可用波函数（）来描述。 薛定谔根据物质波的观点，首先提出了描述核外电子运动状态的数学表达式薛定谔方程,五. 核外电子运动状态的描述 （量子力学理论）,1.波函数（类似y=Asint）,薛定谔方程,x,y,z为粒子在空间的直角坐标,m为微粒质量,E为总能量即粒

21、子的动能和势能之和,V是势能即核与电子的吸收能,波函数:描述核外电子空间运动的数学表达式,它 实际上表示电子波的振幅与坐标的函数.,对薛定谔方程求解，可以得到一系列 波函数 s、 s、 p. i 相应的能量值 Es、 Es、Ep . Ei,波函数,方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态,在量子力学中，用波函数和与其对应的能量来描述电子的运动状态,是描述电子运动状态的数学表达式， 的空间图象叫原子轨道， 原子轨道的数学表达式就是波函数,2. 几率和几率密度,几率: 电子在某一区域出现的机会叫几率。,几率密度:是指电子在核外空间某处单位 体积内出现的几率,几率=几率密度体积,解释电子衍射现象 明

22、纹：几率大 暗纹：几率小,(r,)|2可以代表电子在空间某点(r,)出现的几率密度,3. 电子云,电子在核外空间出现的几率密度分布的形象化描述称为电子云,|n,m(r,)|2 = |Rn,(r)|2|Y,m(,)|2,电子云的形状电子云在空间的取向,4. 几率密度分布的几种表示方法,(1) 电子云图,(2) 等几率密度面图：几率密度|2相等的各点 连接起来得到的曲面,(3) 界面图：把95%以上的电子云包括进去的等密 度面。,(4) 径向几率密度图,几率密度（|2）与离核距离（r）的关系可用|2r图来表示,例如氢原子基态IS |IS|2=A21 e-2Br ， |IS|2只是r的函数,波函数包

23、含三个常量和三个变量，它的一般形式为：,n,m（x,y,z）,n,m为常量 x,y,z为变量,采用数学上的坐标变换和变量分离的方法处理。用球坐标(r,)代替直坐标(x,y,z),并进行变量分离，则波函数变为下列形式：,n,m(x,y,z)=n,m(r,)=Rn,(r)Y,m(,),R(r)：波函数的径向部分，只随电子离核距 离(r)的不同而变化,Y(,)：波函数的角度部分,它随角度(,)而变化.,5. 波函数的空间图形,直角坐标与球坐标两者的关系为,x = r sin cos y = r sin sin z = r cos,坐标变换后，得到的球坐标体系的 Schrdinger 方程为,进行变量

24、分离：,三个分别只含一个变量的常微分方程,例如一些解的形式:,每一特定状态就有一个相应的波函数和相应的能量E。如有1s，2s，2p，3d，4f等核外空间状态，就有1s，2s，2p，3d，4f和E1s，E2s，E2p，E3d，E4f与其相对应。,(2) 角度分布, 原子轨道的角度分布图,s,p,d三种原子轨道的角度分布图形, |2比瘦些，因的角度分布函数值小于1， 为小数，|2值更小。, 原子轨道的角度分布图有正，负，而电子云 |2的角度分布图无正，负之分,六. 四个量子数,(1) 主量子数（n）（相当于电子层数）,主量子数n是决定原子中电子能量以及离核的平均距离的主要因素.,n ： 1 2 3

25、 4 5 6 7 光谱符号： K L M N O P Q,氢原子和类氢离子的能量公式：,n 决定氢原子和类氢离子中电子的能量 E,(2) 角量子数（l）（相当于电子亚层）,角量子数：是确定原子轨道的形状并在多电子原子 中和n一起决定电子的能级的量子数.,的取值要求: =0,1,2,(n-1)的正整数,L ： 0、1、2、3、4(n-1) 共n个取值 光谱符号 ：s、p、d、f、g,电子绕核运动的角动量(M)的大小也是量子化的，其绝对值由角量子数 决定：,当不同时,原子轨道的形状就不同。,每一个电子层中有几种形状的原子轨道 与n有关，n是几，就有几种形状 。,n和都相同的电子具有相同的能量,构成

26、一个能级(又称亚层)，n等于几,这层就有几个能级,多电子原子中电子的能量决定于主量子数 n和角量子数l。,n相同，l 不同时： E4SE4pE4dE4f,单电子原子如：氢原子,n不同，l 相同时： E1SE2SE3SE4S,n相同，l 不同时： E4S=E4p=E4d=E4f,（3）磁量子数(m),表示原子轨道或电子云在空间的伸展方向 m值： - 、0、+ 的正整数, 共(2l+1)个,同一亚层内的各原子轨道, 在没有外加磁场下, 能量是相等的，称等价轨道 (简并轨道), 磁量子数m与电子的能量无关,简并轨道: n和l相同而m不同的各原子轨道， 简并轨道是能量相同的原子轨道,顺时针和逆时针,“”和“” ms=+1/2(顺)和ms=-1/2(逆),(4) 自旋量子数ms,需要4个量子数n、l、m、ms才能全面确定电子的一种运动状态,例题: 用四个量子数描述 n = 4, l = 1 的所有电子的 运动状态。,解: 对于确定的l = 1, 对应的有 m = -1, 0, +1 有三条轨道, 每条轨道容纳两个自旋方向相反的电子, 所以有 32 = 6 个电子的运动状态分别为:,