红河学院《无机化学》教学课件第6章 原子结构与元素周期系(1)

6.微观粒 子的波粒 二象性
戴维森和革尔麦通过电子的衍射实 验证明了微观粒子的波动性(1927)。
电子衍射图
6-1-2 氢原子光谱
一、氢原子光谱 1. 量子化
•量子化就是指物理量的变化是不连续的。
•在物理量中，有些是可以取任意大小的值而呈现连续 变化的，例如，时间、长度等，因为它们没有一个最 小的单位； •有的物理量却存在一个最小单位，如，电量的最小单 位为一个电子的电量(1.602×10－19C)，电量就不可能 取任意值连续地变化，我们称这样的物理量是量子化 的。
电子运动的原子轨道离核越近，电子的能量越 低。电子处于最低能量时的状态称为基态。基 态电子吸收能量而跃迁到较高能级上时的状态 称为激发态。 2.179 ×10-18 13.6 E = - ——— eV E = - —————— J 2 2 n n 1eV = 1.602×10-19 J 当n＝1时，就是基态电 子能量。n > 1时的能 量就是激发态电子能量
• 可见光区的谱线称为巴尔麦系光谱。
其他区的光谱线特点可用下列公式表示：
1 1 v＝R·c —— - ——2 n12 n2 (n2>n1,且为整数)
R──称为里德堡常数，等于1.097×107 m-1 c──为光速，等于2.99795×108 m·s-1 R·c──等于3.289×1015 s-1，也称里德堡常数。 n1＝１时，称为拉曼系光谱（紫外光区） n1＝２时，称为巴尔麦系光谱（可见光区） n1＝３时，称为帕邢系光谱（红外光区） n 的物理意义是表示电子的不同能级。n1 =1，n2 = 2， 3，4…，表示电子从较高能级跳回到第二能级时，释 放出来的能量相应于各个谱线的波长。请看下图
玻尔氢原子模型 正常状态下，原子中的电子尽可能在离核 最近、能量最低的轨道上运动(基态)。
吸收能量(跃迁) 基态 激发态(电子处于能 放出能量 量较高的状态) 处于激发态的电子不稳定，要跳回到能量 较低的轨道, 以光的形式放出能量(即光谱 谱线对应的能量)。 h—Planck常数 En(2)-En(1)=hν ν —光的频率
巴尔麦( J. Balmer)经验公式(1883)
: 谱线波长的倒数, 波数(cm-1)
n:大于2的正整数
1 1 v RH ( 2 2 ) 2 n
1
RH：常数, 1.09677576107m-1 n = 3, 4 , 5, 6 分别对应氢光谱中 ↓ ↓ ↓ ↓ H、H、H、H Balmer系
1803）
John Dalton 1766-1844
当甲、乙两种元素互相化合生成两种以 上化合物时，则在这些化合物中，与同 一质量甲元素相化合的乙元素的质量间 互成简单整数比。
二.19世纪—20世纪初建立的原子分子学说
1．道尔顿 原子学说
(1)一切物质都是由不可见的，不可再分 割的原子组成。原子不能自生自灭。
5-2-1 电子的波粒二象性
二、电子的波粒二象性
假如光具有波粒二象性，那么微观粒子在某 1.德布罗意的预 些情况下，也能表现波动性。即微观粒子也 言（1924） 必具有二象性。 波粒二象性──具有粒子性，又具有波动性的性质简称波粒二 象性。 λ ——粒子运动波长 m ——粒子质量 h h = —— = —— v ——粒子运动速度 p——动量 mv p h— 6.626×10-34 J· s
第六章 原子结构和元素周期律
本章内容提要： 本章介绍原子的结构理论，原子核外 电子运动的规律，电子运动状态的描述。
通过核外电子的排布规律阐明原子结构
与元素周期表和周期系的关系，探讨原子结
构和元素性质的规律性联系。
教学要求：
1、了解原子结构基本理论形成的过程：人类认识 原子结构的重大发现、氢原子光谱特点、玻尔原 子模型、微观粒子运动的二象性、现代原子结构 理论的基本内容。
n
玻尔氢原子模型
成功地解释了氢原子和类氢原子(如e+、 Li2+)的光谱现象, 推动了原子结构的发展。
玻尔理论的局限：1. 多电子原子光谱 2. 氢原子的精细光谱
•玻尔理论的缺陷，促使人们去研究和建立能描述原 子内电子运动规律的量子力学原子模型。
6-2 微观粒子运动的特殊性
6－2－1 微观粒子的波粒二象性 一、光的二象性 E=h E=mc2 P = mc = h / c = h /
Hα H β γHδ H ε H
En３-En２ -2.4210-19J- (-5.4510-19J) ν= = h 6.62610-34J· S = 4.571014S-1 8m· -1 c (光速) 3 10 S λ3→2= = = 656.5nm 14 -1 4.5710 S 1 -21.79 ν 3→2
E/10-19J
656.5nm 486.1nm 434.1nm 410.2nm 397.2nm
０ 如 氢原子光谱中的Hα线 -0.445 -0.605 h — Planck 常数 -0.872E -E =hν ν —光的频率 -1.36 n2 n1 -2.42
∞ 7 6 5 4 3 2
-5.45
121.6nm 120.6nm 97.25nm 94.98nm 93.78nm 93.14nm
地解释了氢原子光谱的实验结果。
6.1.3 玻尔理论（1913）
1.量子化物 表征微观粒子某些物理量只能不连续 理量和量子 地变化，即其数值只能是某一最小单 位的整倍数，称这些物理量为“量子 化”的物理量，量子化的物理量的最 小单位称为该物理量的“量子”。 例如，光是量子化的，光的量子称为光子，光的能 量也必是量子化的,一个光子的能量是： hc ＝hv = —— h──称为普朗克常数，等于 6.6256×10-34J·s 所以光量子的能量与光的波长成反比，波长越 短，能量越大。
nm
aa
Hδ H γ
H β
αH
为带状光谱 410.2 434.1 486.1 656.3
（1）特点
①在可见光的区域里，有四条不连续的明线,分别叫 做Hα、Hβ、Hγ、Hδ，即能产生不连续的线状光谱。 这说明能量不连续，若连续则分不出线条，应为 一片。 ②从长波到短波，Hα至Hδ等谱线间的距离越来越小 (这是因为n值越来越大)，表现出明显的规律。 • 1883年，瑞士物理学家巴尔麦( J. Balmer) 提出 了谱线波长(λ)与编号(n)之间的经验方程，即巴尔 麦( J. Balmer)经验公式：
2. 阿佛加德罗的 定律（1811）
同温同压下，同体积气体 含有相同分子数。
3.电子的发现
汤姆逊通过原子的荷质比而发现原 子中电子的存在（1897）。
4.质子的发现
卢塞福通过α 散射实验而发现 原子中质子存在（1911）。
Ernest Rutherfor
5. 玻尔原子模型
玻尔1913提出了原子模型的假设，成功地解 释了氢原子的吸收光谱。
2、掌握四个量子数的函义：取值范围、物理意 义、表示方法。能够区别径向波函数图和角度波 函数图，电子云的径向分布图和角度分布图。
3、掌握核外电子的排布规律：原子轨道能级图、 电子排布三原则、电子排布的周期性规律。
4、了解元素周期律与原子结构间的关系：元素的 电离势、电子亲合势、电负性等变化规律。
6.1 近代原子结构理论的确立
• 一定要明确，在某瞬间一个氢原子只能放出一条
谱线。许多氢原子才能放出不同的谱线。在实验 中能同时观察到全部谱线，是无数个氢原子受到 激发，到了高能级，而后又回到低能级的结果。 • 从上述的讨论，可以提出二个问题：
①核外电子不会毁灭。②原子光谱是不连续的，是
线状的。
• 1913年，玻尔提出了原子结构的量子论，才满意
被称为量子化理论。 • 普朗克认为：物质吸收或发射能量是不连续的。
2.连续光谱(continuous spectrum) 日光通过棱镜分光，可得到红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫连续变化的谱带。 为连续光谱 5-1-3 原子轨道能级 aa 一般白炽的固体、液体、高压下的气体 都能给出连续光谱。 所谓光谱，就是把不同波长的光标在同 一图上，称光谱。
•左边是电子的波长λ，右边是电子的动量，通过普朗 克常数把电子的粒子性和波动性定量地联系起来了。 这就是电子的波粒二象性。这种波通常叫做物质波， 亦称为德布罗意波。
例： 一个电子的质量为9.11×10-31 kg，运动速度为 １×106 m·s-1，则电子运动的波长为： = —— = ——————— = 0.72810-9 (m) = 728 pm
玻尔氢原子模型 氢原子中的电子在原子核周围有确定半径 n越小, 离核越近, 轨道能量越低, 和能量的圆形轨道中运动。电子在这些轨 势能值越负。 道上运动不吸收能量或放出能量。 En/J n 1 -2.17910-18 2 -5.4510-19 3 -2.4210-19 4 -1.3610-19 5 -8.7210-20 6 -6.0510-20
6.1.1 人类认识原子结构的简单历史 一.18世纪建立的化学基本定律 1.质量守恒 参加化学反应的全部物质 定律(罗蒙诺 的质量，等于反应后的全 部产物的质量。 索夫,1756) 一种纯净的化合物不论来 2.定组成定 源如何，各组份元素的质 律(普劳斯特 量间都有一定的比例。 (法),1779,) 3.倍比定 律（道尔顿，
(2)规律
里德堡(Rydberg) ------瑞典 1913
找出能概括谱线之间普遍联系的公式。
= R
3-2
n1、n2正整数, n2 > n1 ：谱线的频率(s-1) R：里德堡(Rydberg) 常数3.289 ×1015 s-1
=
1

＝/c
1
= •

＝ RH
3-3
RH也称里德堡常数。
(2)同种类的原子在质量、形状和性质上都完全相同，不同 种类的原子则不同。 如果甲元素的一个原子能与乙元素的一 化合物的复杂原子是由为数不多的简单 个、两个或多个原子化合形成多种化合 (3)每一种物质都是由它自己的原子组成。单质是由简单原子 原子组成。在复杂原子中所含不同的简 根据原子论的观点，原子是物质参加化 物，乙元素原子量都相同，则与相同质 组成，化合物是由复杂原子组成，而复杂原子又是由为数不 单原子的数目和质量都是确定不变的， 学反应的最小单位，物质在发生化学反 量甲元素化合的乙元素质量之间必成简 多的简单原子组成。复杂原子的质量等于组成它的简单原子 故复杂原子的质量组成一定（定组成定 应时原子的种类和总数并没有变化，各 单整数比（倍比定律）。 的质量的总和。 律）； 原子又有自己确定的质量，因而反应前 道尔顿原子论成功地解 后质量不变（质量守恒定律）； 释了质量守恒定律，定 组成定律，倍比定律。