兰州交通大学：《工程化学》课程教学课件（PPT讲稿）第五章 物质结构基础

峰一缘碧棉鹅 使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生 主讲教师： 董文魁、许力、李静萍等

使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等

第五章物质结构基础 第一节氢原子结构 一、人类对原子概念的认识 J.Dalton的“原子论” W.Thomson的原子“浸入模型” E.Rutherford的原子“含核模型” E.Schrodinger的原子“波动模型

第一节 氢原子结构 一、人类对原子概念的认识 第五章 物质结构基础 J.Dalton的“原子论” E.Schrodinger的原子“波动模型” E.Rutherford的原子“含核模型” W.Thomson 的原子“浸入模型

二、氢原子光谱和玻尔理论 (1)氢原子光谱 太阳光或白炽灯发出的白光，通过玻璃三棱镜时，所含不同波长的光可 折射成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的光谱，这类光 谱称为连续光谱。 原子（包括氢原子)得到能量（高温、通电）会发出单色光，经过棱镜 分光得到线状光谱。即原子光谱属于不连续光谱。每种元素都有自己的 特征线状光谱。氢原子光谱如图所示。四条谱线的波长、频率的关系式 一并列出。 氢原子光谱的特征： ★不连续光谱，即线状光谱。 ★其频率具有一定的规律。 Balmer经验公式： v=3289×105(7·元)s n=3,4,5,6

二、氢原子光谱和玻尔理论 (1)氢原子光谱 太阳光或白炽灯发出的白光，通过玻璃三棱镜时，所含不同波长的光可 折射成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等没有明显分界线的光谱，这类光 谱称为连续光谱。 原子（包括氢原子）得到能量（高温、通电）会发出单色光，经过棱镜 分光得到线状光谱。即原子光谱属于不连续光谱。每种元素都有自己的 特征线状光谱。氢原子光谱如图所示。四条谱线的波长、频率的关系式 一并列出。 氢原子光谱的特征： ★不连续光谱，即线状光谱。 ★其频率具有一定的规律。 Balmer经验公式： n = 3,4,5,6

(2)玻尔理论 1913年丹麦物理学家Bor发表了原子结构理论的三 点假设： △核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，且不辐能量。 △通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低一基态；原子 得能量后，电子被激发到高能道上，原子处于激发态。 ■▲从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差。 Yw B2-E 2-1 为

（2）玻尔理论 ◼ 1913年丹麦物理学家Bohr发表了原子结构理论 的三 点假设： ◼ ▲核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动，且不辐能量。 ◼ ▲通常，电子处在离核最近的轨道上，能量最低—基态； 原子 得能量后，电子被激发到高能轨道上，原子处于激发态。 ◼ ▲从激发态回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差

三、 微观粒子的波粒二象性 1924年，法国年轻的物理学家L.de Broglie(1892 1987)指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动 性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人 们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。 L.de Broglie从Cinstein的质能联系公式E=mc2和光子 的能量公式E=hv的联立出发，进行推理： h mc2 hv .'mc2 =h. mc 用P表示动量，则P=mc,故有公式 h

三、 微观粒子的波粒二象性 1924 年，法国年轻的物理学家 L. de Broglie ( 1892 — 1987 )指出，对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动 性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人 们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。 L. de Broglie 从 Einstein 的质能联系公式 E = m c 2 和光子 的能量公式 E = h  的联立出发，进行推理：   =  =   =  h mc c mc h mc h 2 2   = h P 用 P 表示动量，则 P = mc ，故有公式

式子的左侧动量P是表示粒子性的物理量，而右侧波长入是 表示波动性的物理量。二者通过公式联系起来。 de Broglie认为具有动量P的微观粒子，其物质波的波长 为入， h 1927年，de Broglie的预言被电子衍射实验所证实，这种物 质波称为de Broglie波。 研究微观粒子的运动时，不能忽略其波动性。 微观粒子具有波粒二象性

式子的左侧动量 P 是表示粒子性的物理量，而右侧波长  是 表示波动性的物理量。二者通过公式联系起来。 de Broglie 认为具有动量P 的微观粒子，其物质波的波长 为  ， P h  = 1927 年， de Broglie 的预言被电子衍射实验所证实，这种物 质波称为 de Broglie 波。  = h P 研究微观粒子的运动时，不能忽略其波动性。 微观粒子具有波粒二象性

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，类似于光波的衍射环纹。 电子枪 电子束 薄晶体片 感光屏幕 衍射环纹

感光屏幕 薄晶体片 衍射环纹 电 子 枪 电 子 束 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，类似于光波的衍射环纹

四、Sohrodinger方程和波函数 波函数平的几何图象可以用来表示微观粒子活动的 区域。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了 (Sohrodinger)提出了薛定谔方程，波函数乎就是通过 解薛定谔方程得到的。 薛定谔方程 a2Ψa2Ψa2Ψ 8元m 63 (E-V)Ψ=0 (1) Ox2 z2 这是一个二阶偏微分方程 式中：平波函数，E能量，V势能，m微粒的质量， 元 圆周率，h普朗克常数

四、 Sohrodinger方程和波函数 波函数  的几何图象可以用来表示微观粒子活动的 区域。1926 年，奥地利物理学家薛定谔提出了 （Sohrodinger ) 提出了薛定谔方程，波函数  就是通过 解薛定谔方程得到的。 薛定谔方程 (E V) 0 (1) h 8 m x y z 2 2 2 2 2 2 2 2 −  =  +    +    +    这是一个二阶偏微分方程 式中：  波函数 ，E 能量 ，V 势能 ，m 微粒的质量，  圆周率 ， h 普朗克常数

1.四个量子数及含义 波函数平的下标1,0,0；2,0,0；2,1,0所对应的 n,l,m,称为量子数。 (1) 主量子数n 取值：1,2,3,4..…n 为正整数（自然数）， 光谱学上用K,L,M,N 表示。 意义表示原子轨道的大小，核外电子离核的远近，或者说 是电子所在的电子层数。n=1表示第一层(K层)，离核最近。 m越大离核越远。 单电子体系，电子的能量由n决定E=-13.6× E 电子能量，Z原子序数， eV 电子伏特，能量单位，1eV=1.603×10-19J

1. 四个量子数及含义 波函数  的下标 1，0，0； 2，0，0；2，1，0 所对应的 n，l，m，称为量子数。 （1） 主量子数 n 取值： 1， 2， 3， 4 … … n 为正整数( 自然数 ) ， 光谱学上用 K，L，M，N … … 表示 。 意义 表示原子轨道的大小，核外电子离核的远近，或者说 是电子所在的电子层数。n = 1 表示第一层 ( K 层 ) ，离核最近。 n 越大离核越远。 单电子体系，电子的能量由 n 决定 eV n Z E 13.6 2 2 = −  E 电子能量，Z 原子序数， eV 电子伏特，能量单位，1 eV = 1.603  10－19 J

n的数值大，电子距离原子核远， 则具有较高的能量。 对于H原子 n= E=-13.6eV n=2E=-3.40eV n→cE=0即自由电子，其能量最大，为0。 主量子数1只能取1,2,3,4等自然数，故能量只有不连 续的几种取值，即能量是量子化的。所以称为量子数。 (2)角量子数1 取值受主量子数的限制，对于确定的主量子数n,角 量子数1可以为0,1,2,3,4….(n-1),共n个取值， 光谱学上依次用s,p,d,f,g…表示

对于 H 原子 n = 1 E = － 13.6 eV n = 2 E = － 3.40 eV … … n →  E = 0 即自由电子，其能量最大，为0 。 n 的数值大，电子距离原子核远，则具有较高的能量。 主量子数 n 只能取 1，2，3，4 等自然数，故能量只有不连 续的几种取值，即能量是量子化的。所以 n 称为量子数。 （2） 角量子数 l 取值 受主量子数 n 的限制， 对于确定的主量子数n ，角 量子数 l 可以为 0，1，2，3，4 … … ( n － 1 ) ， 共 n 个取值， 光谱学上依次用 s，p，d，f， g … … 表示