第八章原子结构与元素周期律-HanMin.ppt

原子结构和元素周期系道尔顿原子论核外电子运动状态作业本章要求基态原子电子组态元素周期系元素周期性基本要求1．要求理解四个量子数的物理意义2．理解近似能级图的意义，能够运用核外电子排布的三个原则，写出元素的原子核外电子排布式3．学会利用电离势、原子半径等数据，讨论各种元素的某些性质与电子层结构的关系4．重点掌握原子结构与元素同期律间的关系道尔顿原子论如果说近代化学达到了对物质的原子、分子水平 的认识,那么在19世纪初,电子、x－射线、放射性的发 现，则拉开了探索原子、分子内部微观结构的序幕， 使化学进入到一个新的境界原子结构和分子结构是 结构化学研究的课题,也是无机化学的基本理论这两 部分内容对如何解释和揭示化学反应的本质是很重要 的化学工作者着眼于化学反应，而化学反应则以原 子相互作用为基础的通常在化学反应中，原子核不 发生变化那么什么在变呢？电子的运动状态在变， 通俗地说，是核外电子在“跳来跳去”，所以研究核外 电子的运动的规律是化学工作者要探索的重要问题本章用了一些量子化学的公式来解释无机化学的 现象和本质，对量子化学公式的推导不作要求从1787年开始，中学教员出身的道尔顿持续不断 地观测气象，为了解释“复杂的大气”为什么“竟是均匀 的混合物”，他于1801年引入原子的假说。

1805年,道尔 顿明确地提出了他的原子论，这个理论的要点有：每 一种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同 种原子质量不同；原子不可再分;一种原子不会转变为 另一种原子;化学反应只是改变了原子的结合方式,使反 应前的物质变成反应后的物质道尔顿原子论道尔顿提出了原子量的概念，实质上就是原子相 对质量的概念，并用大量实验测定了一些元素的原子 的相对质量道尔顿原子论十分圆满地解释了当时已 知的化学反应的定量关系道尔顿原子论不久，道尔顿用自己的原子论导出了倍比定律—若 两种元素化合得到不止一种化合物，这些化合物中的元 素的质量比存在整数倍的比例关系—并用实验予以证实 ,例如,他用实验证实,碳和氧有2种化合物—一氧化碳和 二氧化碳,其中碳与氧的质量比是4:3和8:3尽管道尔顿提出了原子量的概念，却不能正确给出 许多元素的原子量例如：设氢的原子量为1，作为相 对原子质量的标准，已知水中氢和氧的质量比是1:8， 若水分子是由1个氢原子和1个氧原子构成的，氧的原子 量是8，若水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的， 氧的原子量便是16道尔顿武断地认为，可以从“思维 经济原则”出发，认定水分子由1个氢原子和1个氧原子 构成，因而就定错了氧的原子量。

道尔顿原子论道尔顿用来表 示原子的符号,是最 早的元素符号图 中他给出的许多分 子组成是错误的 这给人以历史的教 训——要揭示科学 的真理不能光凭想 象，更不能遵循道 尔顿提出的所谓“ 思维经济原则”,客 观世界的复杂性不 会因为人类或某个 人主观意念的简单 化而改变道尔顿原子论但道尔顿原子论极大地推动了化学的发展特别是在1818和1826年,瑞典化学家贝采里乌斯(C-L. Berzelius 1779-1848)通过大量实验正确地确定了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原子量的误值，为化学发展奠定了坚实的实验基础（如表）同时，贝采里乌斯还创造性地发展了一套表达物质化学组成和反应的符号体系，他用拉丁字母表达元素符号,一直沿用至今一、氢原子光谱焰火是热致发光把气体装进真空管，真空管 两端施以高压电，气体也会发光，叫做电致发光 如霓虹灯、高压汞灯、高压钠灯就是气体的电致发 光现象例如，氢、氖发红光，氩、汞发蓝光光谱” (spectrum)一词是牛顿根据太阳光通过 三棱镜后得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫而提出 的到1859年，德国海德堡大学的基尔霍夫和本生 发明了光谱仪，奠定了光谱学的基础,使光谱分析成 为认识物质和鉴定元素的重要手段。

第一节 核外电子运动状态核外电子运动状态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用光谱分析发现了许 多元素,如铯、铷、氦、镓、铟等十几种从上到下）氢、氦、锂、钠、钡、汞、氖的发射光谱然而，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核外电子运动状态核外电子运动状态氢光谱是所有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 Hα Hβ Hγ Hδ H … 编号 (n) １ ２ ３ ４ ５ … 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 ｎ>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(λ)与 编号(n)之间存在如下经验方程：核外电子运动状态后来，里德堡(J.R.Rydberg 1854-1919)把巴尔麦 的经验方程改写成如下的形式：上式中的常数Ｒ后人称为里德堡常数，其数值为 1.09677×107m-1。

氢的红外光谱和紫外光谱的谱线也符合里德堡方 程，只需将1/22改为1/n12,n1=1,2,3,4;而把后一个n改写 成n2=n1+1,n1+2,…即可当ｎ1=2时,所得到的是可见光 谱的谱线,称为巴尔麦系,当n1=3,得到氢的红外光谱,称 为帕逊系,当n1=1,得到的是氢的紫外光谱,称为来曼系 核外电子运动状态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核外电子运动状态二、玻尔理论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等）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 为玻尔理论玻尔理论的要点如下：1、行星模型假定氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕 核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样这是一种“类比”的科学思维方法。

因此，玻尔的 氢原子模型形象地称为行星模型后来的新量子论根 据新的实验基础完全抛弃了玻尔行星模型的“外壳”， 而玻尔行星模型的合理“内核”却被保留了，并被赋予 新的内容核外电子运动状态2、定态假设假定氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的 、不变的能量,不会释放能量,这种状态被称为定态能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫 做激发态据经典力学，电子在原子核的正电场里运行，应不 断地释放能量，最后掉入原子核如果这样，原子就会 毁灭，客观世界就不复存在因此，定态假设为解释原子能够稳定存在所必需 玻尔从核外电子的能量的角度提出的定态、基态、激发 态的概念至今仍然是说明核外电子运动状态的基础核外电子运动状态3、量子化条件玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的 ，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角 动量（L=mvr，其中m电子质量，v电子线速度，r电 子线性轨道的半径），只能按下式取值：这一要点称为量子化条件这是玻尔为了解释 氢原子光谱提出它的模型所作的突破性假设如果氢原子核外电子不具有这样的量子化条件 ，就不可能有一定的能量量子化条件是违背经典 力学的，是他受到普朗克量子论和爱因斯坦光子论 的启发提出来的。

上式中的正整数n称为量子数核外电子运动状态4、跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差，这就是跃迁规则，可以用下式来计算任一能级的能量及从一个能级跃迁到另一个能级时放出光子的能量：当n=1时能量最低，此时能量为2.179×10-18J,此 时对应的半径为52.9pm,称为玻尔半径由理论计算得到的波长与实验值惊人的吻合，误 差小于千分之一因此，玻尔理论曾风行一时核外电子运动状态由公式 ：及E=E2-E1=h核外电子运动状态例：求激发态氢原子的电子从n=4能级跃迁到n=2能级时所发射的辐射能的频率、波长及能量？解：由核外电子运动状态行星轨道和行星模型是玻尔未彻底抛弃经典物理 学的必然结果，用玻尔的方法计算比氢原子稍复杂的 氦原子的光谱便有非常大的误差新量子力学证明了电子在核外的所谓“行星轨道” 是根本不存在的玻尔理论合理的是：核外电子处于 定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量 变化这一真理为后来的量子力学所继承玻尔理论的基本科学思想方法是，承认原子体系 能够稳定而长期存在的客观事实，大胆地假定光谱的 来源是核外电子的能量变化，用类比的科学方法，形 成核外电子的行星模型，提出量子化条件和跃迁规则 等革命性的概念。

尽管玻尔理论已被新量子论所代替，玻尔的科学思想却永远值得我们学习，而且，玻尔理论中的核心概念——定态、激发态、跃迁、能级等并没有被完全抛弃，而被新量子力学继承发展，甚至“轨道”的概念，量子力学赋予了新的内涵玻尔及早把握了最新的科学成就信息是他获得成功的基本条件单单这一点也值得我们学习——努力把握科技发展的最新成就——而这恰恰是许多人欠缺的三、波粒二象性在20世纪初，有的物理学家持光的粒子观，认为 光是粒子流，光的粒子称为光子光的强度I等于光子 的密度 和光子的能量 (=h，其中是光的频率)的 乘积：光的强度：I = h而有的物理学家持光的波动观，认为光是电磁波 ，光的强度I和光的电磁波的振幅的平方成正比：光的强度：I = 2/4后来，物理学家们把光的粒子说和光的波动说统一 起来，提出光的波粒二象性，认为光兼具粒子性和波 动性两重性因此有：光的强度：I = h = 2/4上式等号的成立意味着： I = h = 2/4(1)在光的频率一定时，光子的密度()与光的振 幅的平方(Y2)成正比：  ∝Y2这就是说，光的强度大，则光子的密度大，光波 的振幅也大。

2)光子的动量(P = mc，E = mc2其中m是光子的质 量，c是光速)与光的波长()成反比： P = mc = E/c = h/c = h/ 或  = h/P这意味着动量是粒子的特性，波长是波的特性， 因而上式就是光的波粒二象性的数学表达式，这表明 ，光既是连续的波又是不连续的粒子流四、德布罗意关系式 1927年,年轻的法国博士生德布罗意（de Broglie 1892-1987）在他的博士论文中大胆地假定：所有的实 物粒子都具有跟光一样的波粒二象性，引起科学界的 轰动这就是说，表明光的波粒二象性的关系式不仅是 光的特性，而且是所有像电子、质子、中子、原子等 实物粒子的特性这就赋予这个关系式以新的内涵， 后来称为德布罗意关系式：  = h/P = h/mv按德布罗意关系式计算的各种实物粒子的质量、 速度和波长实物质量m/kg速度v/(m.s-1)波长λ/pm1 V 电压加速的电子9.1×10-315.9×1051200100 V 电压加速的电子9.1×10-315.9×1061201000 V 电压加速的电子9.1×10-311.9×1073710000 V电压加速的电子9.1×10-315.9×10712He原子（300 K）6.6×10-271.4×10372Xe原子（300 K）2.3×10-252.4×10212垒球2.0×10-1301.1×10-。