原子结构和周期系精选PPT.ppt

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1、关于原子结构和周期系第1页，讲稿共111张，创作于星期日111 1 道尔顿原子论道尔顿原子论1 1最早的原子概念最早的原子概念 公元前五世纪，古希腊哲学家德谟克利特公元前五世纪，古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）提出：提出：“万物都是由极小的、硬的、不可穿透的、不可分割的微粒结万物都是由极小的、硬的、不可穿透的、不可分割的微粒结合起来的合起来的”。这种微粒叫。这种微粒叫“原子原子”意为不可再分的原始意为不可再分的原始粒子。粒子。第2页，讲稿共111张，创作于星期日2 2基本定律（基本定律（1818世纪末）世纪末）.质量守恒定律质量守恒定律（17561756年俄年俄化化罗蒙诺索夫）罗

2、蒙诺索夫）反反应应前前后后物物质质的的总总质质量量不不变变。或或“参参加加化化学学反反应应的的全全部部物物质质的的质质量，等于反应后的全部产物的质量。量，等于反应后的全部产物的质量。”（注意：（注意：E=mcE=mc2 2）.定比（组成）定律：定比（组成）定律：（17791779年年法法化化普鲁斯特）普鲁斯特）一一种种纯纯净净的的化化合合物物不不论论来来源源如如何何，各各组组份份元元素素的的质质量量都都有有一一定定的比例的比例。如。如H H2 2O O，氢和氧的质量比总是，氢和氧的质量比总是1:81:8。.倍比定律：倍比定律：（18031803年年英英道尔顿）道尔顿）当当甲甲、乙乙两两种种元元

3、素素相相互互化化合合生生成成两两种种或或两两种种以以上上化化合合物物时时，则则在在这这些些化化合合物物中中，与与同同一一质质量量甲甲元元素素相相化化合合的的乙乙元元素素的的质质量量互互成成简简单整数比单整数比。第3页，讲稿共111张，创作于星期日3 3道尔顿原子论要点：（道尔顿原子论要点：（1803 Dalton1803 Dalton）.一一切切物物质质由由称称为为原原子子的的不不可可再再分分割，不可毁灭的最小微粒构成；割，不可毁灭的最小微粒构成；.同同种种原原子子完完全全相相同同（质质量量、形形状状、性质），不同种原子则不同；性质），不同种原子则不同；.每每一一种种物物质质都都由由它它自自己

4、己的的原原子子组组成成，单单质质由由简简单单原原子子组组成成，化化合合物物由由复复杂杂原原子子（由由不不同同元元素素的的原原子子结结合合而而成成，今今天天称称“分子分子”）组成。）组成。该理论应用了近一个世纪。该理论应用了近一个世纪。第4页，讲稿共111张，创作于星期日4 4汤姆逊原子模型（浸入模型汤姆逊原子模型（浸入模型 1898 19031898 1903）当人们由阴极射线发现电子带电荷后，汤姆逊发现：用什么金当人们由阴极射线发现电子带电荷后，汤姆逊发现：用什么金属做阴极，电子的荷质比属做阴极，电子的荷质比（1.759101.759101111库库/千克）千克）e/me/m是不变的。是不变

5、的。因此，他确认，所有电子都是相同的微粒，所有的物质均含有电子。因此，他确认，所有电子都是相同的微粒，所有的物质均含有电子。根据所有原子都有电子的认识，根据所有原子都有电子的认识，18981898年汤提出一原子模型，把年汤提出一原子模型，把当时已知的原子的组份都显示出来。几年后，经反复推敲，当时已知的原子的组份都显示出来。几年后，经反复推敲，他提出，电子浸于他提出，电子浸于“均匀分布的正电性球体均匀分布的正电性球体”的原子模型。进的原子模型。进而，他又提出而，他又提出电子以同心壳层排布电子以同心壳层排布以及以及各种原子的电子排布不各种原子的电子排布不同同。汤姆逊的原子模型还没有来得汤姆逊的原子

6、模型还没有来得及仔细加工，就被卢瑟夫及仔细加工，就被卢瑟夫（E ERutherford.Rutherford.英）及其学生的英）及其学生的一系列实验所推翻。一系列实验所推翻。第5页，讲稿共111张，创作于星期日5 5带核的原子模型（卢瑟夫带核的原子模型（卢瑟夫E ERutherford.1911Rutherford.1911）电电子子是是原原子子的的一一个个组组成成部部分分，且且电电子子带带负负电电荷荷已已很很清清楚楚。而而整整个个原原子子是是中中性性的的，这这说说明明还还存存在在带带正正电电的的部部分分。这这部部分分结结构构如如何何呢呢？发发展展原原子子结结构构的的又又一一个个重重大大的的突

7、突破破来来自自19111911年年卢卢瑟瑟夫夫的的实验室。实验室。他让从钋发出的他让从钋发出的粒子经过一个粒子经过一个狭缝射向一张非常薄的金属片，如狭缝射向一张非常薄的金属片，如金箔。金箔。粒子打其会有何现象？粒子打其会有何现象？实验者们从前后左右每一个侧面实验者们从前后左右每一个侧面各个角度进行？用荧光屏探测各个角度进行？用荧光屏探测粒子方向改变（散射）的程度。粒子方向改变（散射）的程度。第6页，讲稿共111张，创作于星期日第7页，讲稿共111张，创作于星期日他们发现：绝大多数他们发现：绝大多数粒子通过金箔时，方向不变，即直线前粒子通过金箔时，方向不变，即直线前进，只有少数发生轻微偏折（约万

8、分之一），不可思议的是，进，只有少数发生轻微偏折（约万分之一），不可思议的是，更有个别更有个别粒子以粒子以9090度或更大的角度偏折回来。度或更大的角度偏折回来。“用手枪向一用手枪向一片薄纸片开火，子弹竟然反射回来击中了自己！片薄纸片开火，子弹竟然反射回来击中了自己！”解释：解释：大多数大多数粒子穿过原子本身，至于少数激烈偏转的粒子穿过原子本身，至于少数激烈偏转的粒粒子，必定是子，必定是粒子与原子中带电部分相互作用而引起的，但这粒子与原子中带电部分相互作用而引起的，但这带电部分未必是电子，因为带电部分未必是电子，因为粒子的质量比电子约大粒子的质量比电子约大74007400倍倍，故故粒子与电子碰

9、撞时，不能使粒子与电子碰撞时，不能使粒子运动的方向明显改变，即粒子运动的方向明显改变，即不可能引起很大的偏转。不可能引起很大的偏转。结论：结论：每一个原子都含有一个非常小的、密实的、带有全每一个原子都含有一个非常小的、密实的、带有全部正电荷的核。上述个别部正电荷的核。上述个别粒子的较大偏折，就是由一个金属粒子的较大偏折，就是由一个金属原子的带正电荷的很小核引起的。且算出了原子的带正电荷的很小核引起的。且算出了核的半径小于核的半径小于3103101212厘米厘米。第8页，讲稿共111张，创作于星期日卢瑟夫原子模型卢瑟夫原子模型正正电电荷荷密密集集在在一一个个很很小小的的、坚坚实实的的叫叫做做原原

10、子子核核的的区区域域内内，核核外有若干电子围绕核作变速轨迹运动。外有若干电子围绕核作变速轨迹运动。实实验验测测得得原原子子核核很很小小，直直径径数数量量级级约约为为1010-13-13cmcm。约约为为原原子子直直径径（1010-8-8cmcm）的的万万分分之之一一。核核与与电电子子间间十十分分敞敞空空。并并存存电电场场把把核核与与电子束缚在一起，形成相对稳定的原子。电子束缚在一起，形成相对稳定的原子。原原子子核核所所带带的的正正电电量量与与核核外外电电子子所所带带的的负负电电总总量量相相等等，整个原子呈电中性。整个原子呈电中性。由由于于电电子子质质量量很很小小，所所以以原原子子的的质质量量几

11、几乎乎全全部部集集中中在在核上。核上。这个带核的原子模型也称为行星式模型或这个带核的原子模型也称为行星式模型或“小太阳系小太阳系”原原子模型。子模型。人类认识微观世界的一个重要里程碑。人类认识微观世界的一个重要里程碑。第9页，讲稿共111张，创作于星期日112 2相对原子质量相对原子质量(原子量原子量)21元素、原子序素和元素符号元素、原子序素和元素符号1.元素元素英英国国化化学学家家波波义义耳耳于于1661年年提提出出：一一切切物物质质由由元元素素组组成成，元元素素是不能再分的最简单的物质，它的种类比较多是不能再分的最简单的物质，它的种类比较多。元元素素是是原原子子核核里里质质子子数数（核核

12、电电荷荷数数）相相同同的的一一类类原原子子的的总总称称。本质本质：质子数质子数！同同种种原原子子的的原原子子核核中中，所所含含的的质质子子数数目目是是一一样样的的，但但中中子子数数可以不同。可以不同。由同种元素组成的物质称单质：由同种元素组成的物质称单质：O2、Fe、C由不同种元素组成的物质叫化合物由不同种元素组成的物质叫化合物：H2O、NaOHO16、O17、O18为同一元素，但却是不同的原子。为同一元素，但却是不同的原子。第10页，讲稿共111张，创作于星期日2.原子序数原子序数 按元素的核电荷数进行排序，所得的序号叫原子序数。按元素的核电荷数进行排序，所得的序号叫原子序数。3.元素符号元

13、素符号22核素、同位素和同位素丰度核素、同位素和同位素丰度1核素：核素：具有一定数目的质子数和一定数目的中子的一种原子称为核素。具有一定数目的质子数和一定数目的中子的一种原子称为核素。如：如：12C：碳：碳12核素；核素；13C：碳：碳13核素。核素。多核素元素：多核素元素：具有多种核素的元素称多核素元素。具有多种核素的元素称多核素元素。单一核素元素：单一核素元素：具有一种核素的元素称单一核素元素具有一种核素的元素称单一核素元素。2311Na第11页，讲稿共111张，创作于星期日2同位素同位素质子数相同而中子数不同的同一元素的质子数相同而中子数不同的同一元素的 不同原子互称同位素不同原子互称同

14、位素稳定性同位素，约稳定性同位素，约3000多种；多种；放射性同位素，约放射性同位素，约3000种左右；种左右；人工放射性同位素，约人工放射性同位素，约1000多种多种。同同量量异异位位素素：核核子子数数相相同同而而质质子子数数和和中中子子数数不不同同的的原原子子（的的总总称称）。（同同量量素素：质质量量数数相相同同质质子子数数不不同同，分分属属于于不不同同元素的几种原子互称同量素。）元素的几种原子互称同量素。）36361616S S与与36361818ArAr，65652929CuCu与与65653030ZnZn。同中素：同中素：具有一定中子数的原子（的总称）。具有一定中子数的原子（的总称）

15、。3.3.同位素丰度同位素丰度 某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。位素丰度。第12页，讲稿共111张，创作于星期日23原子的质量原子的质量m原子质量原子质量某核素的一个原子的质量称为该核素某核素的一个原子的质量称为该核素的原子质量，简称原子质量的原子质量，简称原子质量。由由于于构构成成原原子子的的质质子子、中中子子和和电电子子质质量量均均很很小小，因因而而一一个个原原子子的质量很小：的质量很小：质子的静止质量为质子的静止质量为1.67264910-24g中子的静止质量为中子的静止质量为1.67495410-24g电

16、子的静止质量为电子的静止质量为9.10953710-28g一一个个原原子子的的质质量量不不等等于于构构成成它它的的质质子子和和中中子子的的质质量量的的简简单单加加和和（电电子子的的质质量量太太小小可可忽忽略略不不计计）。差差值值被被称称为为质质量量亏亏损损，等等于于核核子结合成原子释放出来的能量子结合成原子释放出来的能量结合能结合能。第13页，讲稿共111张，创作于星期日原子质量的单位原子质量的单位1973年国际计量局年国际计量局规定一个规定一个12C核素原子质量的核素原子质量的1/12为为“统一的原统一的原子质量单位子质量单位”。用。用“”表示。表示。1.66056551.660565510

17、10-27-27KgKg则则12C的原子质量等于的原子质量等于12(121.660565510-27Kg)平平均均原原子子质质量量可可以以通通过过质质谱谱仪仪所所测测定定的的各各核核素素的的原原子子质质量量及及其其在自然界的丰度而计算出来。在自然界的丰度而计算出来。如氧元素有三种同位素：如氧元素有三种同位素：核素核素原子质量原子质量丰度丰度16O15.994915u99.75917O16.999133u0.03718O17.99916u0.204故氧的平均原子质量为：故氧的平均原子质量为：15.994915u99.75916.999133u0.037+17.99916u0.20415.9994

18、u 第14页，讲稿共111张，创作于星期日13原子的起源和演化原子的起源和演化(自学自学)114 4原子结构的玻尔行星模型原子结构的玻尔行星模型41氢原子光谱氢原子光谱连续光谱连续光谱(continuousspectrum)第15页，讲稿共111张，创作于星期日连续光谱连续光谱(continuousspectrum)-彩虹彩虹第16页，讲稿共111张，创作于星期日 电磁波连续光谱电磁波连续光谱第17页，讲稿共111张，创作于星期日氢原子光谱（原子发射光谱）氢原子光谱（原子发射光谱）(linespectrum)在高能条件下，原子受到激发，也可发光。高能量：火焰、电弧、高在高能条件下，原子受到激发

19、，也可发光。高能量：火焰、电弧、高压电等。原子发射的光只具有某些特定的波长，用棱镜分开后，得到压电等。原子发射的光只具有某些特定的波长，用棱镜分开后，得到了不连续的线状光谱。是由原子本身产生的，故叫了不连续的线状光谱。是由原子本身产生的，故叫原子光谱原子光谱。装有低压氢装有低压氢H2(g)的放电管，的放电管，高压放电高压放电发出紫外光和可见光发出紫外光和可见光三棱镜三棱镜不连续的线状光谱不连续的线状光谱第18页，讲稿共111张，创作于星期日 连续光谱和原子发射光谱连续光谱和原子发射光谱（从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱（从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱第19页，讲稿

20、共111张，创作于星期日氢原子光谱氢原子光谱谱线谱线 H H H H H H H H H H 编号（编号（n n）1 1 2 3 2 3 4 5 4 5波长波长nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.009nm 656.279 486.133 434.048 410.175 397.0091883年，巴耳末经过研究得出经验方程：年，巴耳末经过研究得出经验方程：（1-1）第20页，讲稿共111张，创作于星期日从紫外区到红外区有多条分立的具有特征频率的谱线，这些谱线从紫外区到红外区有多条分立的具有特征频率的谱线，这些谱线均可用均可用里德堡（里德堡（Rydber

21、g）公式表示：）公式表示：里德堡常数：里德堡常数：H H1.09677101.09677107 7m m1 1 且：且：n n2 2n n1 1H H.28910.289101515S S1 1 光速：光速：c c2.9988102.9988108 8m mS S1 1 巴耳末系：巴耳末系：n n1 12 n2 n2 23 3、4 4、5 5可见光区的五条谱线可见光区的五条谱线赖赖 曼曼 系系:n n1 11 n1 n2 22 2、3 3、4 4派派 兴兴 系：系：n n1 13 n3 n2 24 4、5 5、6 6（1-2）（1-2）第21页，讲稿共111张，创作于星期日经典电磁理论不能解释

22、氢原子光谱经典电磁理论不能解释氢原子光谱对于对于n n1 1、n n2 2 的意义，里德堡无法给予解释。的意义，里德堡无法给予解释。至此，至此，经典理论在原子结构问题上遇到了不可克服的困难经典理论在原子结构问题上遇到了不可克服的困难。首先，经典理论不能建立一个稳定的原子模型首先，经典理论不能建立一个稳定的原子模型。如如果果一一个个电电子子的的力力学学行行为为象象行行星星的的话话，根根据据经经典典电电动动力力学学，电电子子环环绕绕原原子子核核的的运运动动是是加加速速运运动动，因因而而不不断断以以辐辐射射的的方方式式发发射射出出能能量量，电电子子运运动动轨轨道道的的曲曲率率半半径径也也就就不不断断

23、减减小小，电电子子最最后后将将螺螺旋旋式式地地坠坠入入原子核原子核。此此外外，加加速速电电子子所所产产生生的的辐辐射射，其其频频率率是是连连续续分分布布的的，这这与与原原子光谱是分立的谱线的事实不符。子光谱是分立的谱线的事实不符。不能解释里德堡公式反映的光谱的规律性。不能解释里德堡公式反映的光谱的规律性。事实说不能依据经典理论来建立原子模型。事实说不能依据经典理论来建立原子模型。第22页，讲稿共111张，创作于星期日42玻尔理论玻尔理论（丹麦物理学家丹麦物理学家Beall1913）理论基础理论基础：光子学说（光子学说（A.Einstein1908）带核的原子模型（卢瑟夫带核的原子模型（卢瑟夫

24、E ERutherford.1911Rutherford.1911）量子论（量子论（M.Plack 1900M.Plack 1900）第23页，讲稿共111张，创作于星期日42玻尔理论玻尔理论（Beall1913）普普朗朗克克（PlankPlank）“量量子子论论”：为为了了解解决决“黑黑体体辐辐射射”问问题题。PlankPlank在在19001900年首先引进了年首先引进了“量子量子”概念。概念。“任任何何一一辐辐射射物物体体（原原子子）不不能能连连续续吸吸收收或或发发射射能能量量，而而是是以以一一不不连连续续的的量量一一份份一一份份地地吸吸收收或或者者发发射射辐辐射射能能。每每一一份份不不

25、连连续续的的量量称称为为量量子子。”某物理量整数倍变化，则说它不连续、某物理量整数倍变化，则说它不连续、“量子化量子化”。在微观世界中：核电荷、电子数、是量子化变化的。在微观世界中：核电荷、电子数、是量子化变化的。PlankPlank的假设动摇了经典理论的基础，遭到经典论者的猛烈攻击。的假设动摇了经典理论的基础，遭到经典论者的猛烈攻击。此关键时刻，爱因斯坦站出来支持了他，提出：此关键时刻，爱因斯坦站出来支持了他，提出：E E光子能量光子能量 频频率率 普朗克常数普朗克常数：6.625106.625103434J JS S-1-1第24页，讲稿共111张，创作于星期日玻尔理论玻尔理论要点：要点：

26、玻尔在玻尔在PlankPlank量子力学的基础上，提出了玻尔理论。要点如下：量子力学的基础上，提出了玻尔理论。要点如下：行行星星模模型型：玻玻尔尔假假定定，氢氢原原子子核核外外的的电电子子是是处处在在一一定定的的线线性性轨道上绕核运行的，正如太阳系中的行星绕太阳运行一样。轨道上绕核运行的，正如太阳系中的行星绕太阳运行一样。定定态态假假设设：电电子子取取一一定定稳稳定定轨轨道道绕绕核核运运动动。在在此此轨轨道道上上运运动的电子即不放出能量也不吸收能量。动的电子即不放出能量也不吸收能量。处处于于一一定定轨轨道道上上的的电电子子，能能量量一一定定，“定定态态”；电电子子处处于于最最低低能能量量的轨迹

27、上叫的轨迹上叫“基态基态”，处于能量校高的轨道上称，处于能量校高的轨道上称“激发态激发态”。第25页，讲稿共111张，创作于星期日量子化条件量子化条件电电子子所所处处轨轨道道不不是是任任意意的的，是是不不连连续续的的，而而是是满满足足量量子子化化 条条 件件，角角 动动 量量（L Lmvrmvr）等等 于于 整整 数数 倍倍。()n n1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，圆形轨道时：圆形轨道时：m电子质量电子质量 v电子速度电子速度r轨道半径轨道半径h普朗克常数普朗克常数 第26页，讲稿共111张，创作于星期日加上其它条件，可求出氢原子核外轨道的能量公式：加上其它条件，可求出氢原子核外轨道

28、的能量公式：(ev)(ev)或：或：（J J）r r52.9 pm n52.9 pm n1 1、2 2、3 3正整数正整数当氢原子处于基态时：当氢原子处于基态时：n n1 1：E E1 12.179102.179101818 J J 13.6 ev 13.6 ev r r52.9 pm 52.9 pm 称玻尔半径。称玻尔半径。n n2:2:E E2 22.179102.179101818/2/22 25.488105.488101919 J J 3.4 ev3.4 evn n3:3:E E3 32.179102.179101818/3/32 22.421102.421101919 J J 1.

29、51 ev1.51 ev第27页，讲稿共111张，创作于星期日频率规则频率规则当当一一个个电电子子从从一一个个轨轨道道跳跳到到另另一一个个轨轨道道中中去去时时，该该跃跃迁迁就就伴伴随随着着吸吸收收或或放放出出一一定定的的能能量量，这这个个能能量量数数值值等等于于两两个个轨轨道道之之间的能量差。间的能量差。基基 态态激发态激发态 激发态激发态 基基 态态 E E2 2E E1 1EE如由激发态回到基态时发射的光子频率为：如由激发态回到基态时发射的光子频率为：第28页，讲稿共111张，创作于星期日里德堡方程的一种形式。里德堡方程的一种形式。其中：其中：R R2.179102.179101818 J

30、 (J (13.6 ev)13.6 ev)又又 第29页，讲稿共111张，创作于星期日即得里德堡方程即得里德堡方程:H3.2891015周波秒周波秒 玻玻尔尔理理论论可可以以完完满满地地解解释释氢氢原原子子光光谱谱，指指出出里里德德堡堡公公式式中中n n1 1、n n2 2代代表表了了电电子子的的不不同同能能级级，称称量量子子数数。电电子子处处于于n n1 1的的能能级级上上时时，为为基基态态，是是最最稳稳定定状状态态。当当电电子子受受到到激激发发后后，跃跃迁迁到到n n值值较较大大的的轨轨道道上上，n2n2、3 3、4 4为为不不稳稳定定的的激激发发态态，当当电电子子跳跳回到能量较低的轨迹上

31、来时，放出单色光回到能量较低的轨迹上来时，放出单色光h h:EEEnEn初初EnEn末末h h第30页，讲稿共111张，创作于星期日 当时尚未发现紫外光区有谱线，玻尔依自己的理论预言到：当时尚未发现紫外光区有谱线，玻尔依自己的理论预言到：“如令如令n n1 1我们得到线系我们得到线系它在紫外区它在紫外区它未被观察到，但它它未被观察到，但它的存在是可以推测到的的存在是可以推测到的。”玻尔所预言的这一紫外线系在玻尔所预言的这一紫外线系在19151915年年为赖曼发现，从而使这一理论成功。为赖曼发现，从而使这一理论成功。n n1 1=1=1，n n2 22 2、3 3、4 4紫外光区紫外光区,为拉曼

32、系。为拉曼系。n n1 1=2=2，n n2 23 3、4 4、5 5可见光区，为巴尔麦系。可见光区，为巴尔麦系。n n1 1=3=3，n n2 24 4、5 5、6 6红外光区，为帕邢系。红外光区，为帕邢系。n n1 1=4=4，n n2 25 5、6 6、7 7远红外光区，为布拉开系远红外光区，为布拉开系 n n1 1=5=5，n n2 26 6、7 7、8 8远红外光区，为普芬德系远红外光区，为普芬德系 n n值值越越大大，电电子子离离核核越越远远，所所处处能能级级越越高高。玻玻尔尔理理论论的的最最大大贡贡献献，在在于于提提出出了了能能级级的的概概念念，他他为为此此而而获获得得了了诺诺贝

33、贝尔尔奖奖，他他还还通通过过对对氢氢原原子子结结构构、氢氢光光谱谱、类类氢氢离离子子（LiLi2 2、HeHe）的的成成功功解解释释，使使“量量子子”概念深入人心。概念深入人心。第31页，讲稿共111张，创作于星期日氢原子光谱氢原子光谱第32页，讲稿共111张，创作于星期日氢原子光谱与能量氢原子光谱与能量第33页，讲稿共111张，创作于星期日玻尔理论缺点玻尔理论缺点：对对多多电电子子体体系系（原原子子）无无能能为为力力，对对仅仅有有两两个个电电子子的的HeHe光光谱谱解解释也误差较大，对复杂体系的计算结果误差之大，令人难以容忍。释也误差较大，对复杂体系的计算结果误差之大，令人难以容忍。对对氢氢

34、光光谱谱中中每每一一条条光光谱谱的的精精细细结结构构无无法法解解释释。最最终终导导致致了了该该理论的失败。理论的失败。主主要要原原因因：没没有有完完全全脱脱离离经经典典物物理理学学的的观观点点，虽虽然然引引入入了了一一些些量量子子化化条条件件，但但仍仍然然把把微微观观粒粒子子看看作作是是经经典典力力学学中中的的质质点点，从从而而把把经经典典力力学学的规律用在微观粒子上。的规律用在微观粒子上。直直到到19241924年年，de de Broglie Broglie 揭揭示示了了微微观观粒粒子子具具有有根根本本不不同同于于宏宏观观质质点点的的性性质质波波粒粒二二象象性性后后，一一个个完完整整的的描

35、描述述微微观观粒粒子子运运动动规规律律的的理论理论量子力学才逐步建立起来。量子力学才逐步建立起来。第34页，讲稿共111张，创作于星期日15氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型氢原子结构（核外电子运动）的量子力学模型微观体系属性主要有两个方面：微观体系属性主要有两个方面：具有波粒二象性；具有波粒二象性；满足测不准原理。满足测不准原理。51波粒二象性波粒二象性物理上详尽地描述了宏观物体。如行星、子弹、球类等。其运物理上详尽地描述了宏观物体。如行星、子弹、球类等。其运动表现出：具有体积、质量、运动轨道等，体现了动表现出：具有体积、质量、运动轨道等，体现了粒子性粒子性物物体的特有性质。而声波、电

36、磁波，可用波长、频率、周期等性质体的特有性质。而声波、电磁波，可用波长、频率、周期等性质来描述，体现了来描述，体现了波动性波动性波的特有性质。波的特有性质。经典物理学视其彼此独立。随科学发展，发现对微观体系，波经典物理学视其彼此独立。随科学发展，发现对微观体系，波粒之间的界限很模糊，无论是光子、还是电子，皆会呈现出波粒之间的界限很模糊，无论是光子、还是电子，皆会呈现出波粒二象性。粒二象性。“在不同条件下可分别表现出波动性和粒子性的现象，称为波粒在不同条件下可分别表现出波动性和粒子性的现象，称为波粒二象性。二象性。”波粒二象性是微观粒子的基本属性之一波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。第35页，

37、讲稿共111张，创作于星期日光：波粒二象性光：波粒二象性A：粒子性：粒子性：主要表现在光可产生：主要表现在光可产生光电效应光电效应把把光光看看作作是是微微粒粒（光光子子）时时则则可可解解释释：h h能能量量子子（光光子子）撞撞击击金金属属时时，把把能能量量转转移移给给电电子子，一一部部分分克克服服电电子子与与金金属属的的吸吸引引能能，另另一部分转变为电子的动能：一部分转变为电子的动能：h1/2mv2光子能量光子能量吸引能吸引能电子动能电子动能当把当把h0时：时：hh01/2mv2光子的动量光子的动量(P=mc)与波长成反比：与波长成反比：B:波动性：光可产生干涉。波动性：光可产生干涉。光还可发

38、生光还可发生衍射衍射（绕射绕射），可绕过），可绕过小于波长的障碍物和光栅。小于波长的障碍物和光栅。第36页，讲稿共111张，创作于星期日52德布罗意（德布罗意（deBroglie）关系式）关系式19241924年，年，de Brogliede Broglie 在光有波粒二象性的启示下，大胆提出了在光有波粒二象性的启示下，大胆提出了微观粒子也具有波粒二象性的假说。他认为在对光的研究上，重微观粒子也具有波粒二象性的假说。他认为在对光的研究上，重视了光的波动性而忽略了微粒性。但对实体的研究上，则过分重视了光的波动性而忽略了微粒性。但对实体的研究上，则过分重视了粒子性而忽略了波动性。对质量为视了粒子性

39、而忽略了波动性。对质量为m m、运动速度为、运动速度为v v的粒子，的粒子，其波长其波长可以由下式求出：可以由下式求出：动量动量 p pmvmv （A A）de Brogliede Broglie关系式关系式当粒子为电子时，当粒子为电子时，是电子的波长，表明波动性，左边是电子的动是电子的波长，表明波动性，左边是电子的动量量p p，代表粒子性，通过，代表粒子性，通过h h把电子的粒子性和波动性定量地联系把电子的粒子性和波动性定量地联系起来了起来了电子的波粒二象性电子的波粒二象性。第37页，讲稿共111张，创作于星期日例：分别求：例：分别求：质量质量10g10g、以、以800m.s800m.s-1

40、-1飞行的子弹的运动波长；飞行的子弹的运动波长；质量质量9.11109.1110-31-31KgKg、以、以10106 6m.sm.s-1-1运动的电子所产生的波长。运动的电子所产生的波长。解解：子弹子弹h/(mv)h/(mv)6.63106.63103434/(0.01800)/(0.01800)8.29108.29103535 （m m）电子电子h/(mv)h/(mv)6.63106.63103434/(9.1110/(9.1110313110106 6)7.28107.28101010 （m m）728 728 （pmpm）德布罗意假说的正确性，在德布罗意假说的正确性，在1927年为戴维

41、森（年为戴维森（Davisson）和革尔麦（）和革尔麦（Germer）所）所做的电子衍射实验所证实。当一束已知能量的电子穿过金属箔或晶体粉末时，做的电子衍射实验所证实。当一束已知能量的电子穿过金属箔或晶体粉末时，得到了与得到了与x射线相似的衍射图样。射线相似的衍射图样。第38页，讲稿共111张，创作于星期日感光屏幕感光屏幕薄晶体片薄晶体片电电子子枪枪电子衍射实验示意图电子衍射实验示意图用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。从而证明了微观粒子均具有波粒二象性。的衍射环纹。

42、从而证明了微观粒子均具有波粒二象性。电电子子束束衍射环纹衍射环纹第39页，讲稿共111张，创作于星期日实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物颗粒的质量、速度与波长的关系实物实物质量质量m/kg速度速度v/(m.s-1)波长波长/pm1V电压加速的电子电压加速的电子9.110-315.91051200100V电压加速电子电压加速电子9.110-315.91061201000V电压加速的电子电压加速的电子9.110-311.91073710000V电压加速电子电压加速电子9.110-315.910712He原子（原子（300K）6.610-271.410372Xe原子（原子（300K）2.310-2

43、52.410212垒球垒球2.010-1301.110-22枪弹枪弹1.010-21.01036.610-23第40页，讲稿共111张，创作于星期日电电子子衍衍射射实实验验早期电子衍射照片（金箔）早期电子衍射照片（金箔）第41页，讲稿共111张，创作于星期日53不确定（测不准）原理不确定（测不准）原理（1927德德物物Heisenberg）测测不不准准原原理理：对对微微观观体体系系粒粒子子，不不能能同同时时而而又又准准确确地地测测量量其其位位置置和和速速度：度：xxp h xp h xp hp h 测不准关系式测不准关系式xxx x方向上位置偏差（不准量）方向上位置偏差（不准量）ppx x方向

44、上动量偏差（不准量）方向上动量偏差（不准量）h hPlanck Planck 常数常数 6.625106.625103434J JS S-1-1 当当x0 x0时，位置测准确时，时，位置测准确时，ppx x很大，速度测不准；很大，速度测不准；当当p0p0时，速度测准确时，时，速度测准确时，xx很大，位置测不准。很大，位置测不准。这这样样，对对于于像像电电子子这这样样的的微微观观体体系系，则则不不能能用用经经典典的的“轨轨道道”来来描描述述。对对于于宏宏观观物物体体，测测不不准准关关系系照照样样适适用用，只只是是实实际际上上起起不不了了什什么么作作用。用。第42页，讲稿共111张，创作于星期日5

45、4核外电子运动状态的描述核外电子运动状态的描述 由于微观体系具有波由于微观体系具有波粒二象性和满足测不准粒二象性和满足测不准原理，所以，经典力学原理，所以，经典力学运动轨道的概念在微观运动轨道的概念在微观世界中也就不复存在了。世界中也就不复存在了。19251925年以来，海森堡、年以来，海森堡、薛定谔创立了薛定谔创立了“量子量子力学力学”（波动力学），（波动力学），完全摆脱了经典物理学完全摆脱了经典物理学的束缚。的束缚。奥地利物理学家奥地利物理学家.Schrdinger第43页，讲稿共111张，创作于星期日一波函数和四个量子数一波函数和四个量子数1波函数（波函数（）电子具有波粒二象性，描述电子

46、运动的波可用三维波。对于核外运动电子具有波粒二象性，描述电子运动的波可用三维波。对于核外运动的电子，的电子，19261926年奥地利物理学家薛定谔提出了一个将电子波动性年奥地利物理学家薛定谔提出了一个将电子波动性和其能量联系起来的方程式：和其能量联系起来的方程式：m m质量（粒子、电子）质量（粒子、电子）V V势能势能 E E粒子总能量（动势）粒子总能量（动势）方程意义方程意义：在原子体系中，任一电子在势能为在原子体系中，任一电子在势能为V的势场中（原子体系）的势场中（原子体系）运动，运动状态可由薛定谔方程描述，此方程的每一个合理解代表了该运动，运动状态可由薛定谔方程描述，此方程的每一个合理解

47、代表了该电子的一个运动状态，与电子的一个运动状态，与解相联系的能量解相联系的能量E，代表了该电子处于这种，代表了该电子处于这种运动状态时的能量运动状态时的能量。第44页，讲稿共111张，创作于星期日将将三维直角坐标系变换成球坐标系，然后求解之。三维直角坐标系变换成球坐标系，然后求解之。rOP的长度的长度（0）OP与与z轴的夹角轴的夹角（0）OP在在xoy平面平面内内的投影的投影OP与与x轴的夹角轴的夹角（02）P为空间一点为空间一点 根据根据 r r，的定义，有的定义，有x=rsin cos y=rsin sin z=rcos r2=x2+y2+z2将直角坐标三变量将直角坐标三变量x，y，z变

48、换成球坐标三变量变换成球坐标三变量r，。yzxoPP r第45页，讲稿共111张，创作于星期日解上述偏微分方程，可得：解上述偏微分方程，可得：空间波函数空间波函数径向部分径向部分角度部分角度部分 1 1.E.E1 1,2 2.E.E2 2,n n.E.En n合理解满足合理解满足：单值：单值：在空间任一处（在空间任一处（x,y,zx,y,z）只有一个值；只有一个值；连续：连续：随随x.y.zx.y.z的变化是连续的，而不是间断的；的变化是连续的，而不是间断的；有限：有限：在空间任一处（在空间任一处（x,y,zx,y,z）的值是确定的；的值是确定的；归一化：归一化：即电子出现的总几率即电子出现的

49、总几率100100。为为了了得得到到电电子子运运动动状状态态合合理理的的解解，必必须须引引入入只只能能取取某某些些整整数值的三个参数，称它们为量子数。数值的三个参数，称它们为量子数。第46页，讲稿共111张，创作于星期日2四个量子数四个量子数电电子子在在核核外外运运动动不不任任意意，只只能能取取一一定定的的运运动动状状态态，为为了了确确定定这这一一定定的的运运动动状状态态，需需要要引引入入四四个个量量子子数数，换换句句话话说说，四四个个量量子子数数的的一一组组值值，才才可可确确定定某某一一个个运运动动状状态态，亦亦即即一一条条原原子子轨轨道道。反反过过来来，一一条条原原子子轨轨道可用四个量子数

50、来确定。道可用四个量子数来确定。四个量子数：四个量子数：n l m mn l m ms s 主量子数主量子数 角量子数角量子数 磁量子数磁量子数 自旋量子数自旋量子数 合理解合理解SchrSchr方程所必须引入方程所必须引入 实验实验,理论的需要理论的需要量量子子数数是是表表征征微微观观粒粒子子运运动动状状态态的的一一些些特特定定数数字字，只只能能不不连连续续地地、跳跳跃跃式的变化。式的变化。第47页，讲稿共111张，创作于星期日主量子数主量子数n：表示电子出现几率最大地方离核的远近；表示电子出现几率最大地方离核的远近；是决定电子能量状态的主要因素。是决定电子能量状态的主要因素。取值取值：n