大学物理原子及微观粒子性质课件.ppt

1、1第五章第五章 物质结构基础物质结构基础 原子结构的近代概念原子结构的近代概念 多电子原子的电子分布方式和周多电子原子的电子分布方式和周期系期系 化学键与分子间相互作用力化学键与分子间相互作用力 晶体结构晶体结构25.1 原子结构的近代概念原子结构的近代概念一一.原子结构理论的发展概况原子结构理论的发展概况 l从小家境很穷，少年时代自学，从小家境很穷，少年时代自学，12岁在乡村学岁在乡村学校教书；校教书；l自学数学、哲学、希腊文、法文和拉丁文等；自学数学、哲学、希腊文、法文和拉丁文等；l27岁移居曼彻斯特，从此，这个没有受过高等岁移居曼彻斯特，从此，这个没有受过高等教育的人开始在大学里讲授数学

2、和哲学；教育的人开始在大学里讲授数学和哲学；l1816年当选法国科学院通讯院士，年当选法国科学院通讯院士，1822年成为年成为皇家学会会员；皇家学会会员；l道尔顿一生大量的工作就是观察天气，他一生道尔顿一生大量的工作就是观察天气，他一生记录了记录了20万条观察记录。万条观察记录。1801年年总结出总结出气体分气体分压定律压定律；l1803年发表年发表化学原子论，认为元素是由非常微化学原子论，认为元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成小的、看不见的、不可再分割的原子组成；3一一.原子结构理论的发展概况原子结构理论的发展概况 1885年年天然放射性天然放射性1897年年电子电子1895

3、年年X射线射线物理学上物理学上三大发现三大发现汤姆逊汤姆逊(Thomson，Joseph John)(18561940)英国物理学家英国物理学家1906年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖学奖贝克勒尔贝克勒尔(Becquerel，Antoine Henri，18521908)法国物理学家，法国物理学家，1903年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖伦琴伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen)(18541923)德国物理学家德国物理学家1901年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖1.19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现4一一.原子结构理论的发展概况原子结构理论的发展概况 l出生于新西兰，毕

4、业于新西兰大学和剑桥大学；出生于新西兰，毕业于新西兰大学和剑桥大学；l1898年任加拿大马克歧尔大学物理学教授，这年任加拿大马克歧尔大学物理学教授，这期间他在放射性方面的研究贡献很多；期间他在放射性方面的研究贡献很多；l1907年任曼彻斯特大学物理学教授；年任曼彻斯特大学物理学教授；l1908年因对放射化学的研究获诺贝尔化学奖年因对放射化学的研究获诺贝尔化学奖；l1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任；主任；l1909年他指导他的两个学生做了著名的实验：年他指导他的两个学生做了著名的实验：用用 粒子轰击金箔，从而提出粒子轰击金箔，从而提出含核原子模

5、型含核原子模型：原：原子核带正电，位于原子中心，电子在它的周围旋子核带正电，位于原子中心，电子在它的周围旋转，于转，于1911年发表。年发表。2.原子的含核模型原子的含核模型(1911年年)卢瑟福卢瑟福 (Ernest Rutherford)(1871-1937)英籍新西兰物理学家英籍新西兰物理学家 5一一.原子结构理论的发展概况原子结构理论的发展概况 l1911年获哥本哈根大学博士学位后开始研究金年获哥本哈根大学博士学位后开始研究金属中电子运动的理论属中电子运动的理论；l1911年进入剑桥大学和曼彻斯特大学深造，并年进入剑桥大学和曼彻斯特大学深造，并结识了良师益友卢瑟福；结识了良师益友卢瑟福

6、；l玻尔大胆地把卢瑟福的模型和普朗克的量子理玻尔大胆地把卢瑟福的模型和普朗克的量子理论结合起来，把原子只用于能量的量子概念推广论结合起来，把原子只用于能量的量子概念推广的到角动量，的到角动量，创立了量子化轨道原子结构理论创立了量子化轨道原子结构理论；为以后各种物理量的量子化打开了大门；为以后各种物理量的量子化打开了大门；l1913年初年初，玻尔提出了他著名的，玻尔提出了他著名的原子理论原子理论，这，这个理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的个理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的成功；成功；l因他对原子结构模型的研究成果，他获得了因他对原子结构模型的研究成果，他获得了1922年的诺贝尔物理

7、奖。年的诺贝尔物理奖。3.原子结构的玻尔模型原子结构的玻尔模型(1913年年)玻尔玻尔(Niel H.D.Bohr)(1885-1937)丹麦物理学家丹麦物理学家4.原子结构的波动力学方程原子结构的波动力学方程(1926年年)薛定谔方程薛定谔方程6二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性1.光的波、粒二象性光的波、粒二象性(1)光的波动性光的波动性(2)光的微粒性光的微粒性(1900年年)Plank公式：公式：E=hv光的能量与光的能量与频率的关系频率的关系普朗克认为普朗克认为,物体只能按物体只能按hv的整数倍的整数倍(如如1,2,3等等)一份一份一份一份地吸收或释出

8、光能地吸收或释出光能,而不可能是而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整数倍等任何非整数倍能量量子化概念能量量子化概念。h为普朗克常数，为普朗克常数，h=6.626 10-34Js-1 普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)(18581947)德国物理学家德国物理学家1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖7(2)光的微粒性光的微粒性(1905年年)Einstein 光子学说：光子学说：E=mc2爱因斯坦认为爱因斯坦认为,入射光本身的能量也按入射光本身的能量也按普朗克方程量子化普朗克方程量子化,并将这一份数值为并将这一份数值为1的能量叫的能量叫光子光子(ph

9、otons)。c=v hv=mc2=mc v =h/mc 爱因斯坦爱因斯坦(Albert Einstein)(18791955)德裔美国科学家德裔美国科学家二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性1.光的波、粒二象性光的波、粒二象性8二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性微粒的波、粒二象性德布罗依德布罗依(L.de Broglie)法国物理学家法国物理学家=h/mv体现粒子波动性体现粒子波动性体现粒子粒子性体现粒子粒子性戴维逊戴维逊(Davission)美国物理学家美国物理学家1927年，美国年，美国Davission

10、和和Germeer应用应用Ni晶体晶体进行电子衍射实验，证实了电子具有波动性。进行电子衍射实验，证实了电子具有波动性。9电子衍射示意图电子衍射示意图定向电子射线定向电子射线晶片光栅晶片光栅衍射图象衍射图象L.de Broglie和和 Davission等分别获得等分别获得1929年和年和1937年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性微粒的波、粒二象性10电子通过电子通过Al箔箔(a)和石墨和石墨(b)的衍射图的衍射图物质波或德布罗依波物质波或德布罗依波 微观粒子遵循特有的运动特征和规律，即能量的微观粒子遵循特有的

11、运动特征和规律，即能量的量子化量子化、波粒二象性波粒二象性和和统计性统计性。空间任意一点物质波的强度与微粒出现的几率密度成正比。空间任意一点物质波的强度与微粒出现的几率密度成正比。物质波是具有统计性的几率波（概率波）。物质波是具有统计性的几率波（概率波）。二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性微粒的波、粒二象性11核外运动的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动核外运动的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布没有确定的轨道，只有一定的空间几率分布，即电子的波，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系

12、。动性与其微粒行为的统计性规律相联系。微粒的运动微粒的运动没有确定的位置，没有确定的位置，只有一定的只有一定的和波的强度成正比的和波的强度成正比的空间几率分布空间几率分布规律。规律。波的微粒性波的微粒性电子微粒性的实验电子微粒性的实验Plank 的的 量子论量子论Einstein 的光子学说的光子学说量子力学量子力学(quantum mechanics)二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性微粒的波、粒二象性12二二.微观粒子的运动特征波、粒二象性微观粒子的运动特征波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性微粒的波、粒二象性2008年瑞典科学家首次通过

13、年瑞典科学家首次通过飞秒激光飞秒激光成功拍摄到了电子运动成功拍摄到了电子运动的连贯影片。的连贯影片。13三三.波函数波函数(Wave functions)()薛定谔薛定谔(E.Schrodinger)(1887-1961)奥地利物理学家奥地利物理学家l1910年获物理学博士学位后在维也纳第二物年获物理学博士学位后在维也纳第二物理研究所工作；理研究所工作；l1921年他受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理年他受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授；学教授；l1926年在年在德布罗依波粒二象性基础上德布罗依波粒二象性基础上，独立，独立创立了波动力学，提出了薛定谔方程，确定了创立了波动力学，提出了薛定谔方程

14、，确定了波函数的变化规律波函数的变化规律，成为，成为波动力学的创始人；波动力学的创始人；l1927年他接替普朗克任柏林大学理论物理学年他接替普朗克任柏林大学理论物理学教授，同年当选普鲁士科学院院士；教授，同年当选普鲁士科学院院士；l1933年，年，受纳粹迫害，离开苏黎士到牛津大受纳粹迫害，离开苏黎士到牛津大学任物理学教授，同年和狄拉克一起荣获学任物理学教授，同年和狄拉克一起荣获诺贝诺贝尔物理奖。尔物理奖。14三三.波函数波函数(Wave functions)()1.薛定谔方程薛定谔方程)(822222222VEhmzyx空间坐标空间坐标核外电子总能量核外电子总能量核外电子的势能核外电子的势能电

15、子的质量电子的质量p 解此方程可得解此方程可得：系统的能量系统的能量E，波函数波函数；p是描述电子运动状态的数学函数式。是描述电子运动状态的数学函数式。p 方程中既体现微粒性方程中既体现微粒性(m)，也体现波动性，也体现波动性()；151.薛定谔方程薛定谔方程(1)直角坐标直角坐标(x,y,z)与球坐标与球坐标(r,)的转换的转换 球面坐标变换球面坐标变换 rsin zxyP(x,y,z)z=rcosx=rsincosy=rsinsinrx=r sin cos y=r sin sin z=r cos r2=x2+y2+z2 2222222sin1)(sinsin1)(1rrrrrr0)(822

16、VEhm161.薛定谔方程薛定谔方程 求解过程中，需引入三个参数求解过程中，需引入三个参数n、l 和和 m。解得的。解得的不是具不是具 体的数值，体的数值，而是包括三个常数而是包括三个常数(n,l,m)和三个变量和三个变量(r,)的函数式的函数式：=n,l,m(r,)(2)求解求解 数学上可以解得多个数学上可以解得多个n,l,m(r,)，但其物理意义并非都，但其物理意义并非都 合理合理;有有合理解的函数式叫做波函数，合理解的函数式叫做波函数，它们以它们以n，l，m 的合的合 理取值为前提。理取值为前提。参数的取值是非连续的，参数的取值是非连续的，n、l 和和 m称为称为量子数量子数。当当n、l

17、 和和 m 的值确定时，波函数的值确定时，波函数(原子轨道原子轨道)便可确定。便可确定。即：每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运即：每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。动状态。172.波函数波函数用空间坐标用空间坐标(x,y,z)来描述电子运动状态的数学表达式来描述电子运动状态的数学表达式原子轨道原子轨道波函数波函数空间图象空间图象数学表达式数学表达式原子轨道：原子轨道：特定能量的电子在核外空间出现最多区域。特定能量的电子在核外空间出现最多区域。一条原子轨道是一个数学函数，很难阐述其的物理意义，一条原子轨道是一个数学函数，很难阐述其的物理意义，它它不是不是行星绕太阳

18、运行的行星绕太阳运行的“orbit”，不是不是火箭的火箭的弹道弹道，也不也不是是电子在原子中的电子在原子中的运动途径运动途径，只能只能将其想象为特定电子在将其想象为特定电子在原子核外原子核外可能出现的某个区域可能出现的某个区域的数学描述的数学描述(概率概率)。183.描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数(1)主量子数主量子数 n(principal quantum number)确定确定电子出现几率最大处离核的电子出现几率最大处离核的距离距离和和能级能级；不同的不同的n 值，对应于不同的值，对应于不同的电子层电子层(能级能级)。1 2 3 4 5.K L M N O.n值越

19、大，表示电子离核的平均距离越远，值越大，表示电子离核的平均距离越远，所处状态的能级越高。所处状态的能级越高。n 的取值的取值 1，2，3n；u 对于氢原子，电子能量唯一决定于对于氢原子，电子能量唯一决定于n；19(2)角量子数角量子数l(angular momentum quantum number)l 的取值的取值 0，1，2，3n1；nl1234subshell symbol0000s111p22d3fs 轨道轨道球形球形p 轨道轨道哑铃形哑铃形d轨轨道道有有两两种种形形状状 确定确定亚层亚层，决定决定的原子轨道的的原子轨道的形状形状；对于多电子原子，与对于多电子原子，与n共同共同确定确定

20、原子轨道的原子轨道的能量能量。3.描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数20主量子数主量子数(n)和角量子数和角量子数(l)相同的轨道，能量相等，称为相同的轨道，能量相等，称为等价等价轨道轨道(equivalent orbital)或或简并轨道简并轨道；(3)磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)描述原子轨道在空间的描述原子轨道在空间的伸展方向伸展方向；m可取可取 0，1,2l(2l+1个个)；lmnumber of orbital 0(s)1(p)2(d)3(f)0 1 0 1 2 1 0 1 2 3 2 1 0 1 2 31357(2)角量

21、子数角量子数l(angular momentum quantum number)3.描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数213.描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)s 轨道轨道(l=0,m=0):m 一种取值一种取值,空间一种取向空间一种取向,一条一条 s 轨道轨道.p 轨道轨道(l=1,m=+1,0,-1)m 三种取值三种取值,三种取向三种取向,三条等价三条等价(简并简并)p 轨道轨道.22d 轨道轨道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2)m 五五种取值种取值,空间五种取向空间五种取向,五条等价五条等价(简并简并)d 轨道轨道.3.描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)23本课程本课程不要求不要求记住记住 f 轨道轨道具体形状具体形状!f 轨道轨道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)m 七种取值七种取值,空间七种取向空间七种取向,七条等价七条等价(简并简并)f 轨道轨道.3.描述电子运动状态的四个量子数描述电子运动状态的四个量子数(3)磁量子数磁量子数m (magnetic quantum number)