原子结构与元素周期表

第四章 原子結構與元素週期表§4-1原子的基本結構一.原子模型的建立：1. 電子的發現：A. 陰極射線：氣體在低氣壓和高電壓下的導電實驗(放電管的實驗)B. 1897年湯木生研究陰極射線的偏折實驗，發現電子，並且測得電子的荷質比(e m )為81076.1⨯庫侖/克。

C. 1909年美人米立坎由油滴實驗測得電子的電量為1.6×10-19庫侖/個 代入電子的荷質比，求得電子的質量為9.1×10-28克 2. 質譜儀A. 陽極射線：1886年德人現陽極射線。

1906年湯木生精確的測出其荷質比。

發現：陽值比電子小，且隨管中之氣體之種類不同而有變化。

(陽離子e m 最大者為H +)B. 質譜儀：(陽極射線的運用)利用質譜儀可以相當精確的測出各種原子、質子、離子與分子的質量 3. 原子核觀念的提出：【拉塞福α粒子的散射實驗】1911年英人拉塞福利用α粒子(氦的原子核：He 2+)打擊各種薄的金屬箔片。

結果發現：(a)大部分(99.9﹪)的α粒子毫無偏差的穿透只有少數的產生微小的偏折。

(b)極少數的α粒子引起大角度的偏離，甚至有的幾乎以直線折回。

(c)核電荷愈大，則α粒子的散射角愈大。

結論：原子是由帶正電的原子核(占有原子的大部分質量)及核外繞著核運動 的電子所組成，原子就像是一個小型的太陽系。

4. 原子序的建立：莫色勒的X 射線實驗1913年英人莫色勒利用X 射線，以電子轟擊不同金屬的陽極，會產生各種不同特定頻率的x －ray ，將實驗結果加以歸納發現下列事實：原子序和x －ray 所生頻率的平方根成正比5. 質子的發現：1919年拉塞福以α粒子撞擊氮原子核發現質子(H 11)7142481711N He O H +→+6. 中子的發現：1932年查兌克使用鐳所放射的α粒子撞擊鈹原子核發現了中子49Be He C n +→+2461201二.原子結構：(1)原【註】1amu=1.662410-⨯克；1單位電荷=1.6021910-⨯庫侖(2)質量數：原子核內質子數和中子數的總和稱之。

即質量數(A)＝質子數(Z)＋中子數(N)(質量數和原子量相近，但質量數為正整數)(3)同位素：原子序(質子數)相同而中子數不同的原子【即：原子序(質子數)相同而質量數不同的原子】【註】(a)同位素具有相同的化學性質，但物理性質不同。

(b)中性原子其核外電子數和核內質子數相等。

如：D 2O 中O 的質量數為16，則一分子D 2O 中含有 個中子，含有 個質子，含有 個電子。

(4)現今的原子模型：原子核 質子(帶一個基本正電荷電量)帶正電直徑約原 子 15-～1410-m 中子(不帶電)電中性，直徑約1010-m核外電子＃＃ 練 習 ＃＃1. 自然界中，硼有兩種同位素(即B &B 1110)其原子量為10.8，則此兩者同位素的含量比(B 10：B 11)為 (A)1：2 (B)1：4 (C)1：6 (D)1：82. 有關拉塞福原子核存在的實驗，下列敘述正確者：(A)拉塞福以β粒子撞擊金箔 (B)拉塞福發現大部分用來撞擊的粒子皆透過金屬箔，只有少數被反彈回來 (C)拉塞福的實驗顯示出湯木生的原子模型和實驗結果不和 (D)拉塞福的實驗證實原子核是帶正電的，並且是原子大部分質量的集中所在。

【74日大】3. 氫有)H (H 1、)D (H 2及)T (H 3三種同位素，含該同位素的分子所生成的各種水分子，化學式分別為H 2，D 2，T 2及H 2O ，D 2O ，T 2O 表示，則(但H 1＝1，H 2＝2，H 3＝3) (A)於STP 下氫的密度：H 2＜D 2＜T 2 (B)氫1克中的電子數：H 2＝D 2＝T 2 (C)氫1莫耳中的質子數：H 2＜D 2＜T 2 (D)於同溫同壓下，水蒸氣密度：H 2O ＜D 2O ＜T 2O (E)於STP 下氫1升中所含的中子數：H 2＜D 2＜T 24. 一元素的同位素具有下列那些項之相同點？ (A)核中子數 (B)核質子數(C)原子半徑 (D)同溫下分子平均速率 (E)核穩定性5. 金屬鋇以多種同位素存在，其一同位素之原子核含56個質子和76個中子，則下列何者為鋇之另一同位素？(A)中子56個，質子76個 (B)中子76個，質子132個 (C)中子76個，質子76個 (D)中子78個，質子56個6. 莫色勒經過多次X-射線實驗提出原子序的概念，其實驗結論為原子序與下列何者成正比？(λ：波長；f ：頻率)(A)λ (B)λ1 (C)λ (D)λ1 (E)f7.氯有兩種同位素，其質量數分別為35及37，而氯的原子量為35.5，則下列何者不為氯分子的分子量？(A)70 (B)71 (C)72 (D)748.下列粒子何者質量最小？(A)質子(B)中子(C)α粒子(D)β粒子9.下列有關原子構造的敘述，何者正確? 甲:原子的質量均勻分佈於整個原子之中乙:原子的質量絕大部分集中在原子核丙:電子和質子的數目一定相等丁:質子和中子的數目一定相等(A)甲丙(B)甲丁(C)乙丙(D)乙丁(84推甄)10.下列關於同位素的敘述，何者正確?(A)質子數相同而中子數不同的原子稱為同位素(B)同位素容易藉著化學方法來分離(C)同位素其化學性質幾乎完全相同(D)1H、2H、3H有相同的中子數(E)12C、13C、14C為同位素。

11.下列為元素甲、乙、丙、丁、戊的原子核中所含有的質子數(p)與中子數(n),試問那兩者是同位數？(A)甲：6p，6n (B)乙：7p，7n (C)丙：8p，8n (D)丁：6p，7n (E)戊：9p，10n在等質量的氫氣、水、食鹽銅中，何者具有最多的電子? (A)氫氣(B)水(C)食鹽(D)銅。

(86推甄)13.下列有關原子的敘述，何者錯誤?(A)原子核內含有質子與中子(B)環繞在原子核周遭高速運動的電子帶負電(C)原子失去一個電子後，變成帶負電的陰離子(D)原子直徑約為10—10公尺，而原子核的直徑僅約1510-～1410-公尺。

14.下列有關原子的敘述，何者錯誤? (A)質子帶正電，中子不帶電(B)原子序8的原子，具有8個質子(C)一個原子內所有的質子與中子的質量總和，可決定一個原子的約略質量(D)原子核由帶正電的質子和帶負電的電子所構成。

15.下列關於現代的原子概念，何者錯誤? (A)絕大部分的原子質量，都集中在原子核(B)一般而言，原子半徑約為原子核半徑的104〜105倍(C)原子的化學性質由中子數決定(D)同一種原子，質子數必定相同，其中質量數不同者稱為同位素。

Ans：1.B 2.BCD 3.ADE 4.BC 5.D 6.DE 7.B 8.D 9C 10.ACE 11.AD 12.A 13.C14.D 15.C§4-2氫原子光譜與波耳理論(一)蒲朗克(Plank)的量子說：能量是不連續的，能量的最小單位稱為“量子(quantum)”；一個量子的能量(E)可用E＝hν(蒲朗克方程式)表之。

h：蒲朗克常數＝6.626×10－34J‧S ν：輻射頻率(sec－1)(二)光電效應：金屬表面受光照射而發射電子產生電流的現象。

1905年愛因斯坦引用蒲朗克的量子理論而主張光是由不連續的光子所組成，而光子的能量(E)＝hν，解釋了光電效應。

(三)氫原子光譜：一種線光譜如圖：將氫氣裝入低壓放電管中，施以高電壓時產生藍色的光，將此光通過細縫，經三稜鏡折射後，在偵測器(感光板)上，可得五組線光譜，稱為氫原子光譜。

每組譜線，以發現它們的人之名字命名，分別為萊曼系、巴耳麥系、帕申系、布拉克系與佈芬土系。

(四)拉塞福原子模型的崩潰：根據古典物理學的觀念，一帶電粒子作加速度運動時必放出光(電磁波)，而光是一種能量，故電子於核外作圓周運動時必漸放出光而得一連續光譜，且能量漸減，最後終必掉入原子核中，但實際上原子卻相當安定，且放出的光譜為線光譜。

(五)波耳理論：(a)氫原子的電子，只能在離開原子核一定距離的軌道上繞核作圓周運動， 在一定軌道上的電子具有一定的能量(稱為定態)，在定態下運動的電 子，既不放出能量也不吸收能量。

(b)原子中可有無限多個定態，各定態是不連續的，必須滿足一定的量子化條件，當電子的角動量=π2nh 時即可維持定態。

即原子中可有一系列允許電子 運動的分離軌道，這些軌道依照離原子核的遠近而有不同的能量，離核最 近的軌道是能量最低的的軌道，電子在最低軌道時，稱為基態。

(氫原子 在正常狀態時，其核外的電子，就在這一軌道中運動)。

如果外界供給能 量時，電子就會躍遷到離核較遠，能量較高的軌道上，這種能量較高的軌 道稱為激發態。

此一系列能量不同的軌道又稱為能階，由核向外分別以n ＝1，2，3，4，5…等量子數表之，或以K ，L ，M ，N …等符號表示之。

(c)電子由一軌道躍遷到另一軌道時，會放出或吸收一定頻率的能量。

其頻率 由兩軌道的能量差決定(△E ＝h ν)。

當電子由能量較高的軌道躍遷到能 量較低的軌道時，遂於光譜上造成一固定的線條。

(六)波耳的氫原子能階公式：E K nn =-⨯12 K=313.6Kcal mol =1312KJ mol =2.179×10－18J/個 現若設電子在較高能階(n 2)的能量以E 2表示，在較低能階(n 1)的能量以E 1表示，則當電子由n 2回到n 1時能量就以光子(電磁波)方式放出。

故可推算出光譜頻率ν＝R(111222n n -) R(瑞得堡常數)=3.289×1015 S －1(七)類氫離子的能階：具有單一電子的離子，如He +，Li 2+，Be 3+等，也可以 波耳理論說明其變化，但要修定為：n 1K E 2n ⨯-=×Z 2 (Z ：原子序)。

同理： ν＝3.289×1015(2221n 1n 1-)×Z 2(八)單位：ν＝C λ (C ：光速＝3×108 m/s) ν：波數(波長的倒數 m －1，或cm －1) 1Å＝10－8cm ，1nm ＝10－9m ，1nm ＝10Å 可見光之波長約為：答：4：1答：10條；128：3答：(1)27：20 (2)∞→2 (3)3648Å＃＃ 練 習 ＃＃1. 有關氫原子光譜中，圖中a ，f ，k 各代表來曼，巴耳麥，帕申線系中頻率最低者，試求： (a)λb ，λc ，λk 三者關係？(b)g 的頻率為何？(c)若紅色光λ=750nm ，紫色光λ=400nm ，則那些光在可見光區？2. 當氫原子電子作如下之轉移時(甲)n=7→n=4 (乙)n=5→n=3 (丙)n=4→n=2(丁)n=2→n=1則甲、乙、丙、丁之波長大小順序為何？3. 氫原子的電子經由n=4之能階躍遷時最多可以生成頻率不同的光線幾條？其中紫外光幾條？可見光幾條？4. 氫原子光譜中，波長為4342Å之明線，是由何能階降至何能階所產生？(A)4→2 (B)4→1 (C)5→2 (D)5→15. 氫原子光譜中，有數群獨立明顯系列，在來曼系與巴耳麥系之間，最靠近的兩條光譜線之能量差為若干kJ/mol ？6. 氫原子光譜，紫外光區與可見光區最低能量兩條光譜線的波長比為？7. 波長6500Å之紅光15.7莫耳被葉綠素吸收時，值物可經光合作用生成一莫耳葡萄糖。