《人类对原子结构的认识历史》

1、揭示物质结构的奥秘,黄荣生 2011年3月,课程结构,1.绪言（专题1）,2.内容,3.结束语（专题5）,物质结构与性质（选修）,原子结构与元素的性质（专题2）,微粒间作用力与物质性质（专题3）,分子空间结构与物质性质（专题4）,一、人类探索物质结构的历史,1、化学发展经历了漫长的历史,（1）石器时代:,（2）陶器时代:,（3）铜器时代:,（4）铁器时代:,人类生产发展史 上的一个里程碑。,2、近代化学发展里程,（4）1869年后门捷列夫揭示元素周期律；,（1）18世纪，波义耳（化学之父） 最早提出元素的科学定义；,（2）19世纪初，道尔顿（原子之父） 提出了原子学说；,（3）1811年阿伏加

2、德罗提出分子说；,（5）1901年约瑟夫汤姆生提出原子的葡 萄干面包模型；,（6）1909年,卢瑟福提出原子的有核模型 。,（7）对有机物认识的进展：,（8）物理学上的重大发现：,红外光谱 电子显微 原子吸收光谱 X射线衍射,（9）实验方法上的改进：,人类对原子结构的认识,原子是哪些基本微粒构成的？ 构成原子的各种微粒是否带有电荷？为什么原子是电中性的？ 构成原子的各种微粒在数量上有什么规律？这些微粒的体积和质量有什么特点？,谈谈你对对原子结构的认识,原子的组成,德谟克利特：朴素原子观,道尔顿：原子学说,汤姆生：“葡萄干面包式” 模型,卢瑟福：带核原子结构模型,玻尔：原子轨道模型,现代量子力学

3、模型,3、原子结构的发展历史,1911年，英国物理学家卢瑟福通过粒子的散射实验，提出了原子结构有核模型。他认为原子的质量主要集中在原子核上，电子在核外空间高速运动。,卢瑟福实验,氢原子光谱,许多物质都能够吸收光或发射光，利用仪器将物质吸收光或发射光的波长和强度分布记录下来，就得到所谓的光谱。,连续光谱：由各种波长组成，且相近波长差别极小而不能分辨的光谱,线状光谱：由具有特定波长的、彼此分立的谱线所组成的光谱,连续光谱：由各种波长组成，且相近波长差别极小而不能分辨的光谱,连续光谱(实验室）,电磁波连续光谱,氢原子光谱（原子发射光谱）真空管中含少量H2(g)，高压放电，发出紫外光和可见光 三棱镜

4、不连续的线状光谱,氢原子的光谱为什么是线状光谱而不是连续光谱呢？,经典电磁理论不能解释氢原子光谱：,卢瑟福有核模型结合经典电磁理论： 电子绕核作高速圆周运动， 发出连续电磁波 连续光谱， 电子能量 坠入原子核原子湮灭 事实： 氢原子光谱是线状（而不是连续光谱）； 原子没有湮灭。,4.玻尔原子模型 1913年，丹麦物理学家玻尔把普朗克的相关量子理论与卢瑟福的原子模型相结合，较好地解释了氢原子光谱，提出新的原子结构模型，。,科学趣闻,紫外灾难：普朗克量子论-能量量子化,光电效应：爱因斯坦发现光的强度无关，只与光的频率有关。,玻尔的原子结构模型, 原子中的电子在具有确定能量的轨道上绕原子核运动，原子

5、不受外界影响时，不吸收也不不辐射能量。 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），不同轨道的能量是不连续变化的，能量是某些不连续的数值，是量子化的。 轨道能量依 n 值（1，2，3，）的增大而升高。,量子数,玻尔结合量子化条件和经典力学公式，计算出了氢原子中电子运动的速度、轨道半径和能量，完美的解释了氢原子光谱。,通常,电子处在能量最低的轨道(基态n=1)上运动；当原子获得能量后，被激发到高能量轨道上，处于激发态； 只有当电子从一个轨道（能量为Ei）跃迁到另一个轨道（能量为Ej）时，才会辐射或吸收能量。 每一次跃迁（辐射或吸收）的能量以光的形式产生一条分立的谱线，被记录下来，就形成了光谱。,

6、跃迁演示,氢原子能级,连续光谱和原子发射光谱(线状光谱)比较,电子跃迁 在生活中的应用,波尔原子模型局限性： 只限于解释氢原子或类氢离子（单电子体系）的光谱，无法较好解释多电子原子的光谱。,原因：人为地引入某些物理量（电子运动的轨道角动量和电子能量）“量子化”，以修正经典力学的思路出问题了。 用量子力学来处理宇宙间物质的运动规律更有普遍意义，特别是微观粒子（小空间、小微粒、大速度）的运动。,微观粒子的运动特征,1、微观粒子的波粒二象性： 光的传播（波）和光与实物的作用（粒） E=mc 2=h P=mc P= h/（德波罗意公式，波粒相连） 2、海森堡测不准原理: xmv h/4 h:普朗克常数

7、 6.626 10-34J/s,核外电子没有确定的轨道，也没有家，只有。,电子运动统计规律的形象描述：电子云模型,微观粒子的运动特征,薛定谔波动方程的提出，标志着近代量子力学理论的建立。它可以计算出电子云径向分布和角度分布。,我们在描述核外电子的运动时，只能指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。电子在原子核外空间一定范围内出现，可以想象为一团带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，所以，人们形象地把它叫做“电子云” 。,电子云,常把电子出现的概率约为 90%的空间圈出来,思考： 小黑点代表什么？ 小黑点的疏密代表什么？,氢原子电子云的特点: （1）呈球形对称。 （2）在离核近处密度大，离核远处密度小

8、。 （3）在离核近处单位体积的空间电子出现的机会多，在离核远处单位体积的空间电子出现的机会少。,电子云的形成,原子核外电子的运动状态（原子轨道）,二、多电子原子核外电子的运动特征和状态,原子核外电子的运动特征（电子云）,原子核外电子的排布规律,1.电子层,S的原子轨道是_形的，电子层序数越大，原子轨道的_。,2.电子亚层和原子轨道,P的原子轨道是_形的，每个P轨道（亚层）有_个轨道，它们互相垂直，分别以_、_、_为符号。P原子轨道的平均半径也随电子层序数增大而_。,1.电子亚层,d 轨道角度分布图(剖面图),问题1：完成下面表格,能级图,问题2：,K,L,M,N,O,P,1s,2s,2p,3s,3p,3d,4s,4p,4d,4f,核外电子填充顺序图,轨道能量顺序,7,1.最低能量原理电子在原子轨道上的排布，要尽可能使电子的能量最低。,2.泡利不相容原理每个原子轨道最多只能容纳两个电子，且自旋方向必须相反。,原子核外电子排布的三大原理,3.洪特规则电子在等价轨道（能量相同的轨道）上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相