北京大学：《普通化学》课程教学资源（讲义）第八章 原子结构

第八章原子结构 8.1经典核原子模型的建立 82氢原子光谱和Bohr模型 83微观粒子特性及其运动规律 8.4氢原子量子力学模型 8.5多电子原子结构与周期律 86元素基本性质的周期变化规律

第八章 原子结构 8.1 经典核原子模型的建立 经典核原子模型的建立 8.2 氢原子光谱和Bohr模型 8.3 微观粒子特性及其运动规律 微观粒子特性及其运动规律 8.4 氢原子量子力学模型 氢原子量子力学模型 8.5 多电子原子结构与周期律 多电子原子结构与周期律 8.6 元素基本性质的周期变化规律 元素基本性质的周期变化规律

8.1经典核原子模型的建立

8.1 经典核原子模型的建立 经典核原子模型的建立

Gerd Binnig Heinrich Rohrer Germany Switzerland (1947-) (1933 s(1]面前的厘重构之 IBM Zurich Research Laboratory, Switzerland The nobel Prize in Physics 1986 for their design of the scanning tunneling microscope 利用扫描隧道显微镜获得的第一张实空间内的原子图像(左上 Si(11表面的7×7重构 (1983, Binnig rohrer

Gerd Binnig Gerd Binnig Heinrich Rohrer Heinrich Rohrer Germany Germany Switzerland Switzerland (1947-) (1933-) IBM Zurich Research Laboratory, Switzerland IBM Zurich Research Laboratory, Switzerland The Nobel Prize in Physics 1986 The Nobel Prize in Physics 1986 "for their design of the scanning "for their design of the scanning tunneling microscope" tunneling microscope" Si(111)表面的 7×7重构 利用扫描隧道显微镜获得的第一张实空间内的原子图像(左上) —— Si(111)表面的7×7重构 (1983, Binnig & Rohrer) & Rohrer)

G,Bing和 H Rohrer及其发明的第一台STM(1981, IBMZurich) 大约两个世纪以来,原子与分子是理论科学家想象中的世界, 它们是“任何人始终无法看到的”( Robinson,1984。STM的发明 使科学家得以直接看到单个原子及分子的电子结构

G. Binnig G. Binnig和H. Rohrer H. Rohrer 及其发明的第一台 及其发明的第一台STM (1981, STM (1981, IBM Zürich) 大约两个世纪以来，原子与分子是理论科学家想象中的世界， 它们是“任何人始终无法看到的”(Robinson, 1984)。STM的发明 使科学家得以直接看到单个原子及分子的电子结构

口原子的概念及原子论 古希腊德谟克利特提出的原子学说:世界万物都是由微小 的、不可再分割的微粒—原子组成。原子永恒存在,永不毁 灭。无限多的原子在虚空中不断运动,并相互猛烈碰撞,于是 发生旋转而形成天地间各种物质,产生各种自然现象。原子和 虚空构成了整个茫茫宇宙。古代朴素的原子学说实际上只不过 是一种哲学思辨,并无科学实验依据。 Democritus( Greece) 460BC-370BC 1803年,道尔顿提出了原子学说:元素是由非常微小的、 看不见的、不可再分割的原子组成;原子既不能创造,不能毁 灭,也不能转变,所以在一切化学反应中都保持自己原有的性 质;同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同,不同 元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同,原子的质量而 不是形状)是元素最基本的特征;不同元素的原子以简单的数目 比例相结合,形成化合物。化合物的原子称为复杂原子,它的 质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表《化学哲学 英国化学家道尔顿 (1766-1844) 新体系》,全面阐述了化学原子论的思想

古希腊德谟克利特提出的原子学说：世界万物都是由微小 的、不可再分割的微粒——原子组成。原子永恒存在，永不毁 灭。无限多的原子在虚空中不断运动，并相互猛烈碰撞，于是 发生旋转而形成天地间各种物质，产生各种自然现象。原子和 虚空构成了整个茫茫宇宙。古代朴素的原子学说实际上只不过 是一种哲学思辨，并无科学实验依据。 ‰ 原子的概念及原子论 原子的概念及原子论 1803年，道尔顿提出了原子学说：元素是由非常微小的、 看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁 灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性 质；同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同 元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同，原子的质量 ( 而 不是形状 )是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目 比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的 质量等于其组合原子质量的和。1807年道尔顿发表《化学哲学 新体系》，全面阐述了化学原子论的思想。 英国化学家道尔顿 (1766 -1844) Democritus Democritus (Greece) (Greece) 460 BC -370 BC

口19世纪末的物理学三大发现 1)X射线,又称伦琴射线(1895,伦琴,德国) 2)放射性(1896,贝克勒尔,法国) 3)电子(897,汤姆逊,英国) 这些发现证明了原子具有复杂的结构,揭开了物理学革 命乃至现代科学革命的序幕,继而创立了原子物理学、基本 粒子物理学、量子力学、量子化学、核化学、同位素化学、 放射化学等许多新学科,构成了整个现代自然科学的新的理 论支柱

‰ 19世纪末的物理学三大发现 世纪末的物理学三大发现 1) X射线，又称伦琴射线 射线，又称伦琴射线 (1895，伦琴，德国) 2) 放射性 (1896，贝克勒尔，法国 ，贝克勒尔，法国) 3) 电子 (1897，汤姆逊，英国 ，汤姆逊，英国) 这些发现证明了原子具有复杂的结构，揭开了物理学革 这些发现证明了原子具有复杂的结构，揭开了物理学革 命乃至现代科学革命的序幕，继而创立了原子物理学、基本 命乃至现代科学革命的序幕，继而创立了原子物理学、基本 粒子物理学、量子力学、量子化学、核化学、同位素化学、 粒子物理学、量子力学、量子化学、核化学、同位素化学、 放射化学等许多新学科，构成了整个现代自然科学的新的理 放射化学等许多新学科，构成了整个现代自然科学的新的理 论支柱

Wilhelm Conrad Rontgen Antoine Henri Becquerel Joseph John Thomson (1845-1923) (1852-1908) (1856-1940) Munich Univ, Germany Ecole Polytechnique, France Univ of Cambridge, U.K. The Nobel Prize in The Nobel Prize in Physics The Nobel Prize in Physics Physics 1901 1903 1906 in recognition of the in recognition of the n recognition of the great extraordinary services he extraordinary services he merits of his theoretical and has rendered by the has rendered by his experimental investigations discovery of the discovery of spontaneous on the conduction of remarkable rays radioactivity electricity by gases subsequently named after him

Antoine Henri Antoine Henri Becquerel Becquerel (1852-1908) École Polytechnique cole Polytechnique, France , France The Nobel Prize in Physics The Nobel Prize in Physics 1903 "in recognition of the "in recognition of the extraordinary services he extraordinary services he has rendered by his has rendered by his discovery of spontaneous discovery of spontaneous radioactivity" radioactivity" Joseph John Thomson Joseph John Thomson (1856-1940) Univ. of Cambridge, U.K. Univ. of Cambridge, U.K. The Nobel Prize in Physics The Nobel Prize in Physics 1906 "in recognition of the great "in recognition of the great merits of his theoretical and merits of his theoretical and experimental investigations experimental investigations on the conduction of on the conduction of electricity by gases" electricity by gases" Wilhelm Conrad R Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) Munich Univ., Germany Munich Univ., Germany The Nobel Prize in The Nobel Prize in Physics 1901 Physics 1901 "in recognition of the "in recognition of the extraordinary services he extraordinary services he has rendered by the has rendered by the discovery of the discovery of the remarkable rays remarkable rays subsequently named after subsequently named after him

口电子的发现及电子荷质比的测量 电子是19世纪人们在研究低气压下气体的放电现象时发现的, 最初称为阴极射线。法拉第(1791-1867利用他所制作的第一个阴 极射线管(CRT)发现了这种射线。 Evacuated tube Cathode(c) Invisible cathode ray Hole Anode(a) Phosphor(zinc sulfide- coated)screen detects High voltage position of cathode source ra 阴极射线管及阴极射线的发现

‰ 电子的发现及电子荷质比的测量 电子的发现及电子荷质比的测量 电子是19世纪人们在研究低气压下气体的放电现象时发现的， 世纪人们在研究低气压下气体的放电现象时发现的， 最初称为阴极射线。法拉第 最初称为阴极射线。法拉第(1791-1867)利用他所制作的第一个阴 利用他所制作的第一个阴 极射线管(CRT)发现了这种射线。 发现了这种射线。 阴极射线管及阴极射线的发现 阴极射线管及阴极射线的发现

Thomson的电子荷质比测量方法 Condenser pl Magnet(m) 1897年,JJ. Thomson(1856-1940)利用电场及磁场对带电 质点运动的影响测定了阴极射线的荷质比em,并得出该射线是 带负电荷并存在于所有原子之中的基本粒子,即为后来人们所知 的电子

Thomson Thomson的电子荷质比测量方法 的电子荷质比测量方法 1897年，J. J. Thomson (1856 J. J. Thomson (1856－1940) 利用电场及磁场对带电 利用电场及磁场对带电 质点运动的影响测定了阴极射线的荷质比 质点运动的影响测定了阴极射线的荷质比(e/m)，并得出该射线是 并得出该射线是 带负电荷并存在于所有原子之中的基本粒子，即为后来人们所知 带负电荷并存在于所有原子之中的基本粒子，即为后来人们所知 的电子

在电场E和磁场H的相反作用下,可调节E和H参 数使阴极射线正好回到水平方向,这时电子所受的磁 力(He)和电力(Ee)相等,即有: H·ev=E·e 由此得电子的速度 y=E/H 由经典力学可知,离心力=mv 所以, He.v=E·e=mw 即有 e/m= whr 最后可得, e= eMm=176×101Ckg1

在电场E和磁场H的相反作用下，可调节 的相反作用下，可调节E和H参 数使阴极射线正好回到水平方向，这时电子所受的磁 数使阴极射线正好回到水平方向，这时电子所受的磁 力 (Hev) 和电力 (Ee) 相等，即有： e/m = 1.76 × 1011 C⋅kg−1 H⋅ e⋅ v = E⋅ e 由此得电子的速度： 由此得电子的速度： v = E/H v = E/H 所以， H⋅ e⋅ v = E⋅ e = m⋅ v2/r 由经典力学可知， 由经典力学可知， 离心力 = m⋅ v2/r 即有， e/m = v/Hr e/m = v/Hr 最后可得， H2⋅ r e/m = E