中国绅学我术大学 University of Science and Technology of China 第7章原子结构和元素周期律 Chapter 7 The Atomic Structure and Periodic System of Elements
第7章 原子结构和元素周期律 Chapter 7 The Atomic Structure and Periodic System of Elements
材料 晶体结构 宇宙 核外电子排布 质子 化学键理论 (宇观) 夸克 原子核 原子 中子 电子 (离子) 分子一 物质 星体 微观 (介观) 宏观 ·认识原子内部结构的必要性：结构→性质 。 对于元素及化合物的性质： 原子的电子结构，特别是价电子构型
• 认识原子内部结构的必要性：结构性质 • 对于元素及化合物的性质： 原子的电子结构，特别是价电子构型 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 （宇观） 宇宙 物质 星体 （介观） 宏观 化学键理论 晶体结构 材 料 核外电子排布
例如：等电子原理与等电子体 > 等电子原理：原子总数相等且价电子总数相等的物种 ，可具有相似的化学键特征，结构和性质 >等电子体：满足等电子原理的物种 ·无机物或有机物的分子或离子 ·物理性质相似，化学性质不同（如CO和N2) ·结合实际情况不能一概而论（如Si0,2-和C0,2-) ·常见等电子体： √CO2、SCN、NO2、N?相同原子数3/价电子数16，直线形 √SO2、O3、NO2相同原子数3/价电子数18，平面V形结构 √C0,2-、N03、S03相同原子数4/价电子数24，平面三角形 √CH4、NH4+相同原子数5/价电子数为8，正四面体结构 √N2、CO、NO、CN-和C,2,相似三键结构
例如：等电子原理与等电子体 等电子原理：原子总数相等且价电子总数相等的物种 ，可具有相似的化学键特征，结构和性质 等电子体：满足等电子原理的物种 • 无机物或有机物的分子或离子 • 物理性质相似，化学性质不同（如CO 和 N 2 ） • 结合实际情况不能一概而论（如SiO 3 2 和CO 3 2 ） • 常见等电子体： CO 2 、SCN 、NO 2 + 、 N 3 相同原子数3/价电子数16，直线形 SO 2 、 O 3 、NO 2 相同原子数3/价电子数18，平面 V形结构 CO 3 2 、NO 3 、SO 3 相同原子数4/价电子数24，平面三角形 CH 4 、NH 4 + 相同原子数5/价电子数为 8，正四面体结构 N 2 、CO 、NO + 、CN 和 C 2 2 ，相似三键结构
§7.1原子内部的发现 一、亚原子粒子的电荷和质量 >亚原子粒子：组成原子的微粒，电子、质子、中子 particles charge Mass C e.s.u. g a.m.u. proton(P) 1.602×10-194.803×10-10 1.672×10-24 1.007276 neutron (N) 1.675×10-24 1.008665 electron(E) 1.602×10-19 4.803×10-10 9.108×10-28 0.0005484 现代粒子物理模型： 夸克、轻子 種短 第一代 常二因 韩三 中文名稱 上 下 魅 奇 頂 底 英之名稱 p down charm strange top bottom 街號 t 6 带霜荷d 1 ×2 1 1 3 3 背量am山 0.003 0.005 13 0.15 172 42 現時間 1970 1970 1974 1970 1995 1977
一、亚原子粒子的电荷和质量 亚原子粒子：组成原子的微粒，电子、质子、中子 • 现代粒子物理模型：夸克、轻子 §7.1 原子内部的发现 particles charge Mass C e. s. u. g a. m. u. proton (P) 1.602 10 19 4.803 10 10 1.672 10 24 1.007276 neutron (N) 1.675 10 24 1.008665 electron (E) 1.602 10 19 4.803 10 10 9.108 10 28 0.0005484
>什么是科学方法？ ·发现微观粒子的著名实验：寻求问题答案的一种合乎 逻辑的途径 ·科学假说、科学实验、科学理论和定律之间的关系： √实验事实，进行经过仔细筹划的科学实验 √基于大量实验事实，提出科学假设，并进一步实验验证 √上升为科学理论，能够说明某一领域的更大量事实，可以 预见新的事实材料，进一步工作的指导原则 √若理论己达到作为普遍真理而被接受一定律 ·化学中的理论和定律一般不如物理学中的精确： √化学研究对象比物理模型复杂得多 √化学理论不够完美，更多新发现机会
什么是科学方法？ • 发现微观粒子的著名实验：寻求问题答案的一种合乎 逻辑的途径 • 科学假说、科学实验、科学理论和定律之间的关系： 实验事实，进行经过仔细筹划的科学实验 基于大量实验事实，提出科学假设，并进一步实验验证 上升为科学理论，能够说明某一领域的更大量事实，可以 预见新的事实材料，进一步工作的指导原则 若理论已达到作为普遍真理而被接受——定律 • 化学中的理论和定律一般不如物理学中的精确： 化学研究对象比物理模型复杂得多 化学理论不够完美，更多新发现机会
二、原子结构的发现 >近代原子结构的微观理论，源于四方面的物理学工作 基础： (I)Conductivity of low pressure gas:低压气体放电现象， √阴极射线，电子流 (2)Radioactivity:放射性的发现， √提供了研究原子内部结构和发现原子核的方法 √three types of radiation:alpha(a),beta(β)，gamma(y) (3)X-ray diffraction:X-射线的发现，电磁波 √晶体对X-射线的衍射 (4)Spectroscopy:光谱 √光谱线定性确定元素的存在
二、原子结构的发现 近代原子结构的微观理论，源于四方面的物理学工作 基础： (1) Conductivity of low pressure gas：低压气体放电现象， 阴极射线，电子流 (2) Radioactivity：放射性的发现， 提供了研究原子内部结构和发现原子核的方法 three types of radiation：alpha ( α), beta (β), gamma ( γ ) (3) X-ray diffraction：X-射线的发现，电磁波 晶体对X-射线的衍射 (4) Spectroscopy：光谱 光谱线定性确定元素的存在
微观粒子的发现： 1.电子的发现 (+ (Electrically charged plates Thomson测定电子荷质比 √e/m与电极材料和气体无关 Fluorescent √e/m=1.76×108C/g,为常数 Electron screen paths High voltage Magnet Millikan测定电子电量 √油滴实验 Oil spray √油滴所带电量为一最小电量整数倍 Atomizer √最小电荷：e=1.6×10-19C Source of X rays √电子质量：m=9.11×l0-28 ( Electrically charged plates
微观粒子的发现： 1. 电子的发现 •Thomson 测定电子荷质比 e / m 与电极材料和气体无关 e / m = 1.76 108 C/g, 为常数 •Millikan 测定电子电量 油滴实验 油滴所带电量为一最小电量整数倍 最小电荷： e = 1.6 10 19 C 电子质量： m = 9.11 10 28 g
2.原子的有核模型 The Rutherford's nuclear atom: √太阳-行星模型 ·a粒子散射实验：a粒子通过400nm厚金箔 √大偏转的a粒子出现的几率为1/100000 √原子中大部分空间是空的 √原子的正电荷和质量都集中在一体积很小的部分：原子核 VS原子核/S原子=10-8 √r原子核r原子=104 a-particles a-particle source
2. 原子的有核模型 • The Rutherford’s nuclear atom： 太阳-行星模型 • α粒子散射实验：α 粒子通过400nm厚金箔 大偏转的α粒子出现的几率为1/100000 原子中大部分空间是空的 原子的正电荷和质量都集中在一体积很小的部分：原子核 S原子核 / S原子 = 108 r原子核 /r原子 = 104
3.质子的发现 Goldstein发现阳极射线 √多孔阴极，高压放电时有另一种射线与阴极射线反方向 √残留在真空管内的气体正离子 √残留气体H,阳极射线H+,即质子 4.中子的发现 ·Chadwick用oa粒子辐照金属铍 √产生一种有强穿透性、不带电的粒子流 √该射线可从石蜡中撞击出质子而被检测 √云雾室实验证明为原子核的组成微粒之一：中子
3. 质子的发现 •Goldstein发现阳极射线 多孔阴极，高压放电时有另一种射线与阴极射线反方向 残留在真空管内的气体正离子 残留气体H2，阳极射线H＋，即质子 4. 中子的发现 • Chadwick用α粒子辐照金属铍 产生一种有强穿透性、不带电的粒子流 该射线可从石蜡中撞击出质子而被检测 云雾室实验证明为原子核的组成微粒之一：中子
§7.2氢原子光谱和能级的概念 一、量子理论的诞生 ·经典物理学理论： Newton's three mechanics laws Maxwell equations:electricity,magnetism,optics Boltzmann's statistical physics ·十九世纪末的三大著名实验发现： √黑体辐射(Black-body radiation) √光电效应(Photoelectric effect) √氢原子光谱(Spectrum of hydrogen atom) ·经典物理学理论无法解释上述发现
一、量子理论的诞生 • 经典物理学理论： Newton’s three mechanics laws Maxwell equations: electricity, magnetism, optics Boltzmann’s statistical physics • 十九世纪末的三大著名实验发现： 黑体辐射（Black-body radiation ） 光电效应（Photoelectric effect ） 氢原子光谱（Spectrum of hydrogen atom ） • 经典物理学理论无法解释上述发现 §7.2 氢原子光谱和能级的概念