第一篇 物 质 结 构 基 础第1章 原子结构与元素周期系11 道尔顿原子论 12 相对原子质量（原子量） 13 原子的起源和演化 14 原子结构的玻尔行星模型 15 氢原子结构的量子力学模型 16 基态原子电子组态 17 元素周期系 18 元素周期性作业 p61: 19，21，25，26，27，28 ，30，33，34，35，42，43， 44 1-1 道尔顿原子论1-1-1原子论发展简史 古希腊哲学家德谟谟克利特（Democritus)臆想出原子是物质质最小的，不可再分的，永存不变变的微粒。 17至18世纪纪，波意耳第一次给给出了化学元素的定义义用物理方法不能再分解的最基本的物质组质组 分。1732年，尤拉提出自然界存在多少种原 子，就有多少种元素。 1785年，拉瓦锡锡用实验证实验证 明了质质量守恒 定律化学反应发应发 生了物质组质组 成的变变化，但 反应应前后物质质的总质总质 量不变变。 1797年，希特发现发现 了当量定律。 1799年，普鲁鲁斯特发现发现 了定比定律。 19世纪纪初，道尔顿创顿创 立了化学原子论论。1-1-2 原子论的优点与缺点 优优点：解释释了当时时已知的化学反应应的定量关系。 缺点：不能给给出许许多元素的原子量 总总体：原子论论极大地推动动了化学的发发展。1-2 相对原子质量（原子量）1-2-1 元素、原子序数 元素：具有一定核电电核数的(一类类)原子(的总总称)。 原子序数：按元素的核电电核数进进行排序所得的序号。 1.核素:具有一定质子数和一定中子数的原子称为一种 核素。可以分为稳定核素和放射性核素；对元素还可 以分为单核素元素和多核素元素。 核素符号, 质子数， 中子数， 质量数。 2.同位素: 具有相同核电核数，不同中子数的核素互 称同位素。如氢的3种同位素氕，氘，氚。 3.同位素丰度:某元素的各种天然同位素的分数组成（ 原子百分比）。1-2-2 核素、同位素和同位素丰度1-2-3 原子的质量一个原子的质质量很小，但是不等于构成它的质质子和中子(又称核子)质质量的简单简单 加和。 例如: 1摩尔氘氘原子的质质量比1摩尔质质子和1摩尔中子的质质量和小0.00431225g。这这一差值值称为为质质量亏损损，等于核子结结合成原子核释释放的能量-结结合能。单单位是百万电电子伏特（Mev）。 不同数量的核子结结合成原子释释放的能量与核子的数量不成比例，一般比结结合能(原子核的结结合能除以其核子数)越大，原子核越稳稳定。 原子质量：以原子质量单位 u(amu、mu、dalton)为单位的某核素一个原子的质量。 1u等于核素 12C 原子质量的1/12。最新的测定结果 1u=1.660 566(9)10-24g。 相对原子质量：核素质量与 12C 原子质量1/12的比值。它在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。1-2-4 元素的相对原子质量（原子量）原子量：指一种元素的1摩尔质质量对对核素12C 1摩尔质质量1/12的比值值。 1）元素的相对对原子质质量是纯纯数。 2）单单核素的相对对原子质质量等于该该元素的核素的相对对原子质质量。 3）多核素元素的相对对原子质质量等于该该元素的天然同位素相对对原子质质量的加权权平均值值。 Ar = fi*Mi (见见P20)13 原子的起源和演化大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说，英文说法为Big Bang，也称为 大爆炸宇宙论。大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40 年代得到补充和发展，但一直寂寂无闻。直到50年代，人们才开始广泛注意这个理论。 一、大爆炸宇宙学模型提出的背景20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了 旋涡星云正快速远离人们而去。1929年哈勃总结出了著名 的哈勃定律：星系的退行速度v与它的距离r成正比。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信 宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变稀。由此 反推，宇宙的结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演 化的产物。因而1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型。 1948年，美籍俄裔理论物理学家伽莫夫（G. Gamow）等在美国物理评论杂志上发表了关于大爆炸宇宙学模型的文章提出：宇宙是由甚早期温度 极高且密度极大，体积极小的物质迅速膨胀形成的， 这是一个由热到冷、由密到稀，不断膨胀的过程，尤 如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据该学说，在宇宙的最早期（距今大约150亿年前），今天所观测到的全部物质世界统统都集中在 一个很小的范围内，温度极高，密度极大。 大爆炸开始后0.01秒，宇宙的温度约为1000 亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子(如 光子、电子或中微子)，而质子和中子只占十亿分之一。所有这些粒子都处于热平衡状 态。由于整个体系在快速膨胀，因此温度很 快下降。 大爆炸后0.1秒，温度下降到300亿摄氏度， 中子与质子之比从原来的1下降到0.61。 1秒钟后，温度已下降到100亿摄氏度。随着密 度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始 向外逃逸。中子与质子之比进一步下降到0.3 。但这时温度还很高，核子仍不足以把中子和 质子束缚在一起 大爆炸13.8秒后，宇宙温度下降到30亿摄氏度 。这时质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定 的原子核。化学元素从这时候开始形成。 35分钟后，宇宙温度进一步下降到3亿摄氏度， 核形成停止了。氦和自由质子的质量之比大致 保持在0.220.28这一范围内。由于温度还很高 ，质子仍不能和电子结合形成中性原子。 大爆炸发生后30万年才开始形成中性原子，这 时的温度已降到3 000摄氏度，化学结合作用已 足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子中， 到这一阶段，宇宙的主要成份是气态物质，随 着温度的进一步降低，它们慢慢地凝聚成密度 较高的气体云。 到109年后，进一步形成各种星系，1010年形成 恒星系统。这些恒星系统又经历了漫长的演化 ，才形成了我们今天所看到的宇宙。二、大爆炸的核合成大爆炸宇宙学认为最初的宇宙中，既没有分子，也没有原子。第一批原子核是在大爆 炸后0.01秒到分钟这一时间内，由质子和中子组合而成并遗留至今的。因而预言了宇宙 中轻元素的丰度，如氦的丰度约为25，氢 的丰度约为75。多年来人们对天体范围内的轻元素丰度的观测结果，正好与大爆炸的 预言相一致。从而成为大爆炸宇宙学的最早 证据。精确的理论计算表明，大爆炸后应有23.6的物质质量聚合成了氦核。英国皇家天文台对众多星系中原始星云的发射光谱进行观测的结果表明，宇宙 中氦的实际丰度为23.5。这一结果与大爆炸的理论预言极为相符。1-4 原子结构的玻尔行星模型 1-4-1 氢原子光谱巴尔麦( J. Balmer)经验经验 公式(1885)：: 谱线波长的倒数, 波数(cm-1). n2=n1+1、n1+2 、n1+3 等. n1 = 1, 莱曼系（Lyman）紫外光谱。n1 = 2, 巴尔麦系，可见光谱。 n1 = 3, 帕邢系(Pashen)红外光谱。 RH：常数, 1.09677576107m-1 1-4-2 波尔理论 1913年建立了氢氢原子核外电电子模型，解释释了氢氢原子光谱谱。 后被称波尔理论论。 1.理论论要点 1）行星模型 假定氢氢原子核外电电子是处处在一定的线线形轨轨 道上绕绕核运行的。 2）定态态假设设 假定氢氢原子核外电电子在轨轨道运行时时有一定 的不变变的能量，这这种状态态称为为定态态。 基态态-能量最底的定态态；激发态发态 -能量高于基态态的定态态。 3）量子化条件 假设氢设氢 原子核外电电子的轨轨道是不连连 续续的，在轨轨道运行的电电子具有一定的角动动量。 4)跃跃迁规则规则 电电子吸收光子就会跃跃迁到能量较较高的激发态发态 ，反之，激发态发态 的光子会放出光子返回基态态或者能量较较底的激 发态发态 。光子的能量就是跃跃迁前后2个能级级的能量之差。2. 优优缺点 波尔理论论并未彻彻底抛弃经经典力学，使其在计计算稍复杂杂的原子光谱时谱时 有较较大的误误差；但是其合理的内核（核外电电子处处于定态时态时 有确定的能量，原子光谱谱源自核外电电子的变变化），被后来的量子力学所继继承发发展，其“轨轨道”概念，也被量子力学赋赋予了新的内涵。 1-5 氢原子结构的量子力学模型1-5-1 光的波粒二象性 对对于光：P = mc = h / c = h / 对对于微观观粒子： = h / P = h /m 1-5-2 微粒的波粒二象性 (Louis de Broglie, 1924) = h /P = h / m 1-5-3 德布罗意关系式 1927年，法国博士德布罗罗意（de Brolie）大胆假定光的波粒二象性不仅仅表示光的特性，而且表示所有像电电子，质质子，中子，原子等实实物微粒的特性。 对对于宏观观物体，不必考察其波动动性，而对对于高速运动动的微观观物体，就不能不考察起波动动性。1-5-4 测不准原理 (Werner Heisenberg, 1926) x 粒子的位置不确定量 粒子的运动动速度不确定量 微观观粒子，不能同时时准确测测量其位置和动动量。 测测不准关系式：1-5-5 氢原子的量子力学模型 1. 电电子云 概率密度指粒子在空间间任意微小区域出现现的概率。 定态电态电 子在核外空间间的概率密度分布规规律可以用波的振幅方程来描述。 电电子云是电电子在原子核外空间间概率密度分布的形象描述。电电子云图图象中的每一个小黑点表示电电子出现现 在核外空间间的一次概率（不表示一个电电子），概率密度越大，电电子云图图象中的小黑点越密。处处于不同定态态的电电子的电电子云图图象具有不同特征，主要包括： 1）电电子云在核外空间扩间扩 展程度 能层层：K、L、M、N、O、P、Q . 2)电电子云的形状 能级级：1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s 3）电电子云在空间间的取向 轨轨道：电电子在核外空间间概率密度较较大的区域。2. 电子的自旋 自旋只有2种方向顺时针和逆时针 3. 核外电子的可能运动状态 4个量子数 主量子数 n n=1、2、3, 角量子数l l=0、1、2, 、(n-1) 磁量子数 m m=l, -l+1, ，0， l1, l 自旋量子数 ms主量子数n：与电电子能量有关，对对于氢氢原子，电电子能量唯 一决定于n： 不同的n值值，对应对应 于不同的电电子层层： K L M N O 角量子数l ： l 的取值值 0，1，2，3n1 对应对应 着 s, p, d, f. (亚层亚层 ) l 决定了的角度函数的形状。磁量子数m：m可取 0，1, 2l ； 其值值决定了角度函数的空间间取向。n、l、 m 一定，轨轨道也确定l = 0 1 2 3 轨轨道 s p d f 例如: n =2， l =0， m =0， 2s n =3， l =1， m =0， 3pz n =3， l =2， m =0， 3dz2 4.描述核外电电子空间间运动动状态态的波函数及其图图 象 薛定谔谔方程Erwin Schrodinger奥地利物理学家 直角坐直角坐标标标标与球坐与球坐标标标标之之间间间间的关系的关系 (n,l,m)(x,y,z) (r，) (n,l,m)(x,y,z) = R(n,l)(r) Y(l,m)(，) 波