原子结构 [兼容模式].pdf

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1、Chapter 4 Structural ChemistryChapter 4 Structural Chemistry结构化学结构化学结构化学结构化学结构化学结构化学结构化学结构化学从分子从分子原子水平上原子水平上入到电子层次上入到电子层次上从分子从分子原子水平上原子水平上入到电子层次上入到电子层次上从分子从分子、原子水平上原子水平上，深，深入到电子层次上入到电子层次上，从分子从分子、原子水平上原子水平上，深，深入到电子层次上入到电子层次上，研究物质微观结构与宏观性质关系的科学。研究物质微观结构与宏观性质关系的科学。，研究物质微观结构与宏观性质关系的科学。研究物质微观结构与宏观性质关系的科学

2、。不同物质表现出不同的物理不同物质表现出不同的物理化学性质化学性质是是不同物质表现出不同的物理不同物质表现出不同的物理、化学性质化学性质，是是和它们各自不同的微观结构密切相关的。和它们各自不同的微观结构密切相关的。热力学热力学热力学热力学共性共性动力学动力学动力学动力学化学平衡化学平衡化学平衡化学平衡原子结构原子结构原子结构原子结构物质的个性物质的个性-物质结构物质结构物质结构物质结构原子结构原子结构原子结构原子结构分子结构分子结构分子结构分子结构晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构第四章第四章第四章第四章原子结构与原子结构与原子结构与原子结构与元素元素元素元素周期周期周期周期系系系系第四章第四章

3、第四章第四章原子结构与原子结构与原子结构与原子结构与元素元素元素元素周期周期周期周期系系系系Atomic Structure and ElementalAtomic Structure and ElementalAtomic Structure and Elemental Atomic Structure and Elemental PeriodicityPeriodicity 微观粒子的运动规律微观粒子的运动规律微观粒子的运动规律微观粒子的运动规律 原子的量子力学模型原子的量子力学模型原子的量子力学模型原子的量子力学模型 原子核外电子排布和元素周期律原子核外电子排布和元素周期律原子核外电子排

4、布和元素周期律原子核外电子排布和元素周期律 元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性元素基本性质的周期性人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史公元前公元前400400年，希腊唯年，希腊唯公元前公元前400400年，希腊唯年，希腊唯物者德模克利特提出万物物者德模克利特提出万物物者德模克利特提出万物物者德模克利特提出万物由由“原子原子”产生的思想产生的思想。由由“原子原子”产生的思想产生的思想。由由原子原子产生的思想产生的思想由由原子原子产生的思想产生的思想道尔顿道尔顿18081808年提出原子年提出原子道尔顿道

5、尔顿18081808年提出原子年提出原子论论论论论论：论论：一切物质由不可见的、不：一切物质由不可见的、不可分割的原子构成。可分割的原子构成。人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史人类认识原子结构的简单历史18111811年意大利化学家年意大利化学家18111811年意大利化学家年意大利化学家阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论阿佛加德罗提出分子论原子虽然是构成物质的原子虽然是构成物质的原子虽然是构成物质的原子虽然是构成物质的最小微粒最小微粒，但不能独

6、但不能独立立最小微粒最小微粒，但不能独但不能独立立最小微粒最小微粒但不能独但不能独最小微粒最小微粒但不能独但不能独存在。原子只有相互结存在。原子只有相互结存在。原子只有相互结存在。原子只有相互结合形成分子合形成分子，才能独才能独立立合形成分子合形成分子，才能独才能独立立合形成分子合形成分子才能独才能独合形成分子合形成分子才能独才能独存在。存在。存在。存在。一、经典物理学一、经典物理学19世纪末叶以前，原子不可再分19世纪末叶以前，原子不可再分汤姆生发现电子汤姆生发现电子（阴极射线管放电阴极射线管放电）汤姆生发现电子汤姆生发现电子（阴极射线管放电阴极射线管放电）卢瑟福含核原子模型（粒子散射实验）

7、卢瑟福含核原子模型（粒子散射实验）电子电子ElectronElectron的发现的发现电子电子ElectronElectron的发现的发现1897189718971897年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在。年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在。年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在年汤姆逊通过阴极射线发现了电子的存在汤姆逊汤姆逊汤姆逊汤姆逊提出原子的西瓜模型提出原子的西瓜模型认为电子处于认为电子处于提出原子的西瓜模型提出原子的西瓜模型认为电子处于认为电

8、子处于在带正电荷的球内在带正电荷的球内在带正电荷的球内在带正电荷的球内在带正电荷的球内在带正电荷的球内在带正电荷的球内在带正电荷的球内。原子内正电荷均匀分布原子内正电荷均匀分布负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷负电荷包罗于正电荷原可分原可分原原子子可分可分质子质子ProtonProton与中子与中子 NeutronNeutron的发现的发现质子质子ProtonProton与中子与中子 NeutronNeutron的发现的发现揭示了原子由质子揭示了原子由质子中子和电子组成中子和电子组成揭示了原子由质子揭示

9、了原子由质子中子和电子组成中子和电子组成揭示了原子由质子揭示了原子由质子、中子和电子组成中子和电子组成揭示了原子由质子揭示了原子由质子、中子和电子组成中子和电子组成电子、质子、中子的性质电子、质子、中子的性质Particle Atomic Mass Unit Charge SymbolElectron0 0005486 1eElectron 0.0005486 1 eProton 1.007276 +1 p Neutron 1.008665 0 n 散射实验散射实验散射实验散射实验 scattering experiment1911年英国科学家卢瑟福进行了著名的 粒子散射实验1911年英国科学

10、家卢瑟福进行了著名的 粒子散射实验 考察粒子在金箔上的散射。考察粒子在金箔上的散射。发现大多数粒子未偏转。发现大多数粒子未偏转。一部分粒子偏转。一部分粒子偏转。deflected sourcedeflectedreflectedundeflected结论结论：原子中的正电荷集中在原子中的正电荷集中在一一个很小的核上个很小的核上，其余大部分其余大部分结论结论原子中的正电荷集中在个很小的核上原子中的正电荷集中在个很小的核上，其余大部分其余大部分是空的。由此提出了原子的有核模型。是空的。由此提出了原子的有核模型。行星式行星式有核原子模型有核原子模型行星式行星式有核原子模型有核原子模型原子核位于原子中

11、心原子核位于原子中心在原子中占有很小的在原子中占有很小的，在原子中占有很小的在原子中占有很小的体积，却几乎集中了原体积，却几乎集中了原子的全部质量子的全部质量子的全部质量子的全部质量。核外电子带负电，沿核外电子带负电，沿一定轨道绕核运转，如同行星绕日一般。一定轨道绕核运转，如同行星绕日一般。对原子结构理论的建立起了重大作用对原子结构理论的建立起了重大作用对原子结构理论的建立起了重大作用对原子结构理论的建立起了重大作用行星式行星式行星式行星式有核原子模型有核原子模型有核原子模型有核原子模型却与经典电磁理论却与经典电磁理论原子的原子的却与经典电磁理论却与经典电磁理论原子的原子的行星式行星式行星式行

12、星式有核原子模型有核原子模型有核原子模型有核原子模型却与经典电磁理论却与经典电磁理论、原子的原子的却与经典电磁理论却与经典电磁理论、原子的原子的稳定性、原子线性光谱发生了矛盾稳定性、原子线性光谱发生了矛盾稳定性、原子线性光谱发生了矛盾稳定性、原子线性光谱发生了矛盾。经典电磁理论经典电磁理论经典电磁理论经典电磁理论：带正电原子核吸引电子带正电原子核吸引电子带正电原子核吸引电子带正电原子核吸引电子 电子在电场中运动，会辐射能量电子在电场中运动，会辐射能量电磁波，最电磁波，最电子在电场中运动，会辐射能量电子在电场中运动，会辐射能量电磁波，最电磁波，最终撞击原子核终撞击原子核自毁自毁终撞击原子核终撞击

13、原子核自毁自毁终撞击原子核终撞击原子核，自毁自毁终撞击原子核终撞击原子核，自毁自毁.原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱原子光谱应为连续光谱二、二、氢原子光谱和波尔理论氢原子光谱和波尔理论1、氢原子光谱、氢原子光谱将一只装有氢气的放电管，通过高压电流，氢原将一只装有氢气的放电管，通过高压电流，氢原子被激发后所发出的光经过分光镜子被激发后所发出的光经过分光镜就得到就得到氢原氢原子被激发后所发出的光经过分光镜子被激发后所发出的光经过分光镜，就得到就得到氢原氢原子光谱子光谱。氢原子氢原子氢原子氢原

14、子是是是是线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱氢原子氢原子氢原子氢原子是是是是线状光谱线状光谱线状光谱线状光谱364.5397.0 410.2434.1486.1656.5/nm紫外光区红外光区紫外光区红外光区可见光区可见光区可见光区可见光区氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱氢原子线状光谱氢原子线状光谱氢原子线状光谱氢原子线状光谱氢原子在可见光区有五条明线氢原子在可见光区有五条明线 Balmer（巴尔麦）（巴尔麦）线系线系。2线系线系。)4(22=nnB4nB=364.57 nm，为巴尔麦常数；为巴尔麦常数；n(整数整数)2；波长波长HaHHHH:波长波长。656.3 nm486.1nm 4

15、34.1nm 410.2nm397.0nm氢原子的氢原子的线状线状光谱光谱氢原子的氢原子的线状线状光谱光谱红外光)11(22=Rnn2221可见光R=1.09737 mR=1.09737 m-1,-1,里德堡里德堡常数常数;紫外光里德堡里德堡常数常数;n n1 1 n n2 2(正整正整数数)Fig.Hydrogen atom spectrum数数)巴尔麦巴尔麦公式公式及及里德堡公式里德堡公式均是均是巴尔麦巴尔麦公式公式及及里德堡公式里德堡公式均是均是经验公式。经验公式。经验公式。经验公式。并不能从理论上说明氢原子的线状光谱。也未能说明并不能从理论上说明氢原子的线状光谱。也未能说明R R、并不

16、能从理论上说明氢原子的线状光谱。也未能说明并不能从理论上说明氢原子的线状光谱。也未能说明R R、各代表什么物理意义各代表什么物理意义各代表什么物理意义各代表什么物理意义n n n n1 1 1 1、n n、n n2 2 2 2各代表什么物理意义各代表什么物理意义。各代表什么物理意义各代表什么物理意义。经典物理学无法解释氢原子光谱经典物理学无法解释氢原子光谱经典物理学无法解释氢原子光谱经典物理学无法解释氢原子光谱 经典物理学无法解释氢原子光谱经典物理学无法解释氢原子光谱经典物理学无法解释氢原子光谱经典物理学无法解释氢原子光谱 二十世纪初量子论和光子学说对原子结构的认识发二十世纪初量子论和光子学说

17、对原子结构的认识发生二十世纪初量子论和光子学说对原子结构的认识发二十世纪初量子论和光子学说对原子结构的认识发生了质的飞跃了质的飞跃。产产生生了了生生了质的飞跃了质的飞跃。产产生生了了原子结构的近代概念原子结构的近代概念了质的飞跃了质的飞跃产了产了了质的飞跃了质的飞跃产了产了原子结构的近代概念原子结构的近代概念2 2、氢原子结构的近代概念氢原子结构的近代概念2 2、氢原子结构的近代概念氢原子结构的近代概念玻尔原子模型玻尔原子模型玻尔原子模型玻尔原子模型原子结构的近代概念原子结构的近代概念原子结构的近代概念原子结构的近代概念微观粒子并不遵循经典物理学的规律微观粒子并不遵循经典物理学的规律，而是而是

18、微观粒子并不遵循经典物理学的规律微观粒子并不遵循经典物理学的规律，而是而是遵循量子力学的规则。遵循量子力学的规则。微观粒子的运动特征：微观粒子的运动特征：量子化特征及波粒二象性量子化特征及波粒二象性“量子化”是指微观粒子的运动以及运动过程中“量子化”是指微观粒子的运动以及运动过程中能量的变化是不连续的能量的变化是不连续的而是以某最小量为而是以某最小量为能量的变化是不连续的能量的变化是不连续的，而是以某而是以某一一最小量为最小量为单位呈现跳跃式的变化。单位呈现跳跃式的变化。普朗克量子说普朗克量子说普朗克量子说普朗克量子说普朗克量子说普朗克量子说普朗克量子说普朗克量子说能量是不连续的能量是不连续的

19、，能量是不连续的能量是不连续的，物质吸收或发射的物质吸收或发射的能量总是某一最小能量总是某一最小能量总是某一最小能量总是某一最小能量单位（能量单位（量子量子能能量量）的整数倍的整数倍量量）的整数倍的整数倍。E=h=hc/h=6 62610-34Js比较斜坡上与楼梯上砖块的势能比较斜坡上与楼梯上砖块的势能h=6.62610J s比较斜坡上与楼梯上砖块的势能比较斜坡上与楼梯上砖块的势能。爱因斯坦光量子概念爱因斯坦光量子概念爱因斯坦光量子概念爱因斯坦光量子概念1905年解释光电效应1905年解释光电效应时指出时指出光的能量变化光的能量变化时指出时指出：光的能量变化光的能量变化也具有量子化的特征。也具

20、有量子化的特征。若能量以光的形式传播若能量以光的形式传播时，其最小单位称为光时，其最小单位称为光若能量以光的形式传播若能量以光的形式传播时，其最小单位称为光时，其最小单位称为光量子，也称为光子。量子，也称为光子。量子，也称为光子。量子，也称为光子。玻尔玻尔玻尔玻尔（原子结构学说之父原子结构学说之父）（原子结构学说之父原子结构学说之父）理论理论理论理论玻尔玻尔玻尔玻尔（原子结构学说之父原子结构学说之父）（原子结构学说之父原子结构学说之父）理论理论理论理论19131913年，丹麦物理学家玻尔将量子论的概念引年，丹麦物理学家玻尔将量子论的概念引进到原子结构理论中去进到原子结构理论中去-核外电子运动的

21、能核外电子运动的能进到原子结构理论中去进到原子结构理论中去核外电子运动的能核外电子运动的能量具有量子化的特征。量具有量子化的特征。原子光谱是分立的线光谱而不是连续光谱的事实，是微观粒子运动呈现“量子化”特征的一个很，是微观粒子运动呈现量子化特征的个很好的证据。玻尔理论是原子物理学发展中的重要里程碑。玻尔理论是原子物理学发展中的重要里程碑。玻尔理论是原子物理学发展中的重要里程碑。玻尔理论是原子物理学发展中的重要里程碑。玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型玻尔氢原子模型（1）电子绕核做圆形轨道运动，不同的轨道有不同的能量（不同定态）这些

22、能量是不连续的。这些不连续的能量值称（1）电子绕核做圆形轨道运动，不同的轨道有不同的能量（不同定态）这些能量是不连续的。这些不连续的能量值称轨道半径轨道半径 r=n=n2 2a ao o能级。能级。o o电子能量电子能量J J1021.8 1021.81818=Ea ao o基态基态基态基态J Jn n2 2=E基态基态基态基态激发态激发态激发态激发态激发态激发态激发态激发态原子核外电子所具有的能量原子核外电子所具有的能量是量子化的是量子化的是量子化的是量子化的（2)2)电子的轨道离核越远电子的轨道离核越远能量越高能量越高1 1时基时基（2)2)电子的轨道离核越远电子的轨道离核越远，能量越高能

23、量越高。n=。n=1 1时基时基态。当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁态。当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的轨道上取到离核较远的轨道上取即原子处于激发态即原子处于激发态到离核较远的轨道上取到离核较远的轨道上取，即原子处于激发态即原子处于激发态。（3）原子接受能量后，由一种定态(（3）原子接受能量后，由一种定态(E E1 1)激发到)激发到另另一种一种定态定态（E E2 2）。）。激发态激发态不不稳定稳定，瞬时恢复瞬时恢复另定态另定态2 2激发态稳定激发态稳定，瞬时恢复瞬时恢复到基态(或能量较低的定态)跃迁，同时辐射到基态(或能量较低的定态)跃迁，同时辐射出光子出光子。出光子出光

24、子光子的能量为二定态能量之差：光子的能量为二定态能量之差：h h=E E2 2-E E1 1玻尔理论的贡献玻尔理论的贡献玻尔理论的贡献玻尔理论的贡献 1 1 1 1、比较成功地解释氢原子光谱比较成功地解释氢原子光谱、比较成功地解释氢原子光谱比较成功地解释氢原子光谱 1 1 1 1、比较成功地解释氢原子光谱比较成功地解释氢原子光谱、比较成功地解释氢原子光谱比较成功地解释氢原子光谱（1 1）氢原子的稳定性）氢原子的稳定性（1 1）氢原子的稳定性）氢原子的稳定性（2 2 2 2）氢原子光谱氢原子光谱）氢原子光谱氢原子光谱只能是线状光谱只能是线状光谱只能是线状光谱只能是线状光谱。（）氢原子光谱氢原子光

25、谱）氢原子光谱氢原子光谱只能是线状光谱只能是线状光谱只能是线状光谱只能是线状光谱。（3 3）经验公式的吻合）经验公式的吻合解释了里德堡经验公式中的解释了里德堡经验公式中的n n（3 3）经验公式的吻合）经验公式的吻合解释了里德堡经验公式中的解释了里德堡经验公式中的n n1 1 1 1、n n、n n2 2 2 2及里德堡常数的及里德堡常数的及里德堡常数的及里德堡常数的物理意物理意物理意物理意1 1 1 12 2 2 2义义义义：n n：n n1 1 1 1、n n、n n2 2 2 2分别代表不同层的轨道（主量子数），分别代表不同层的轨道（主量子数），R R分别代表不同层的轨道（主量子数），分

26、别代表不同层的轨道（主量子数），R RH H H H指氢原子的电子从由基态（指氢原子的电子从由基态（n=1n=1）激发到完全电离状态）激发到完全电离状态指氢原子的电子从由基态（指氢原子的电子从由基态（n=1n=1）激发到完全电离状态）激发到完全电离状态（n n=n n=）时时所需吸收的光辐射的波数所需吸收的光辐射的波数）时时所需吸收的光辐射的波数所需吸收的光辐射的波数（n n n n）时时，所需吸收的光辐射的波数所需吸收的光辐射的波数）时时，所需吸收的光辐射的波数所需吸收的光辐射的波数。可见光区的巴尔麦线系（电子从可见光区的巴尔麦线系（电子从n n可见光区的巴尔麦线系（电子从可见光区的巴尔麦线

27、系（电子从n n2 2 2 2=3=3、4 4、5 5，的轨道跳到的轨道跳到n n=3=3、4 4、5 5，的轨道跳到的轨道跳到n n1 1 1 1=2=2的）；的）；=2=2的）；的）；紫外线区的赖曼紫外线区的赖曼（从从紫外线区的赖曼紫外线区的赖曼（从从2 2 2 23 3 3 34 4 4 4跳到跳到跳到跳到1 1 1 1）紫外线区的赖曼紫外线区的赖曼（从从紫外线区的赖曼紫外线区的赖曼（从从n n n n2 2 2 2=2 2=2 2、3 3 3 3、4 4 4 4，跳到跳到跳到跳到n n n n1 1 1 1=1 1=1 1）；）；近红外光区的帕邢线系（从近红外光区的帕邢线系（从n n；

28、近红外光区的帕邢线系（从近红外光区的帕邢线系（从n n2 2 2 2=4=4、5 5、6 6，跳到跳到n n=4=4、5 5、6 6，跳到跳到n n1 1 1 1=3=3）；）；=3=3）；）；布喇开体系布喇开体系（从从布喇开体系布喇开体系（从从n n n n2 2 2 2=5=5、6 6、7 7=5=5、6 6、7 7，的轨跳到的轨跳到的轨跳到的轨跳到n n n n1 1 1 1=4=4=4=4）布喇开体系布喇开体系（从从布喇开体系布喇开体系（从从2 2 2 2，的轨跳到的轨跳到的轨跳到的轨跳到1 1 1 1）2 2、计算氢原子电离能、计算氢原子电离能2 2、计算氢原子电离能、计算氢原子电离

29、能玻尔理论的玻尔理论的玻尔理论的玻尔理论的不足不足不足不足玻尔理论的玻尔理论的玻尔理论的玻尔理论的不足不足不足不足1、1、玻尔理论不能解释玻尔理论不能解释氢原子光谱的精细结构氢原子光谱的精细结构，更不能解释更不能解释多电子原子、分子的光谱特征多电子原子、分子的光谱特征2 2、原因：虽引用了量子化概念，但属于旧量子论的范畴，、原因：虽引用了量子化概念，但属于旧量子论的范畴，2 2、原因：虽引用了量子化概念，但属于旧量子论的范畴，、原因：虽引用了量子化概念，但属于旧量子论的范畴，只是只是只是只是在经典力学概念的基础上在经典力学概念的基础上加上加上一一些认为的量子化些认为的量子化只是只是只是只是在经

30、典力学概念的基础上在经典力学概念的基础上，加上些认为的量子化加上些认为的量子化条件，对经典力学作局部的修补，条件，对经典力学作局部的修补，因此不能正确反映微因此不能正确反映微因此不能正确反映微因此不能正确反映微观粒子运动的规律。观粒子运动的规律。观粒子运动的规律。观粒子运动的规律。不存在任何按经典力学观点所描述的确定的轨道。不存在任何按经典力学观点所描述的确定的轨道。不存在任何按经典力学观点所描述的确定的轨道。不存在任何按经典力学观点所描述的确定的轨道。原的力学模型原的力学模型原的力学模型原的力学模型三三三三原原子子的的量子量子力学模型原力学模型原子子的的量子量子力学模型力学模型1 1、微观粒

31、子的运动规律、微观粒子的运动规律、微观粒子的运动规律、微观粒子的运动规律质量极小，速质量极小，速度极大的电子，其运动完全不同于宏观物体,不遵守经典力学规律度极大的电子，其运动完全不同于宏观物体,不遵守经典力学规律量子化特征量子化特征量子化特征量子化特征微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性爱因斯坦通过爱因斯坦通过普朗克常数普朗克常数(h)把光的波粒二象性统一起来，把光的波粒二象性统一起来，揭示光的本质揭示光的本质 于于年提出光的波粒象性年提出光的波粒象性揭示

32、光的本质揭示光的本质,于于1905年提出光的波粒年提出光的波粒二二象性象性。光在空间传播过程中发生的干涉光在空间传播过程中发生的干涉、衍射现象表现了衍射现象表现了光在空间传播过程中发生的干涉光在空间传播过程中发生的干涉、衍射现象表现了衍射现象表现了光的波动性光的波动性光的波动性光的波动性，而而，而而能量能量频率频率E=hE=hv v光在空间传播过程中发生的干涉光在空间传播过程中发生的干涉、衍射现象表现了衍射现象表现了光在空间传播过程中发生的干涉光在空间传播过程中发生的干涉、衍射现象表现了衍射现象表现了光的波动性光的波动性光的波动性光的波动性，而而，而而且光具有一定的波长和频率；又例如光与实物接

33、触进行能量交换时且光具有一定的波长和频率；又例如光与实物接触进行能量交换时表现出表现出且光具有一定的波长和频率；又例如光与实物接触进行能量交换时且光具有一定的波长和频率；又例如光与实物接触进行能量交换时表现出表现出粒子性粒子性粒子性粒子性，而且不同波长的光具有不同的能量，太阳能、光电，而且不同波长的光具有不同的能量，太阳能、光电，而且不同波长的光具有不同的能量，太阳能、光电，而且不同波长的光具有不同的能量，太阳能、光电动量动量波长波长P=h/P=h/效应就是由光能与热能、电能的转换。从而可见光具有波、粒二象效应就是由光能与热能、电能的转换。从而可见光具有波、粒二象性。性。效应就是由光能与热能、

34、电能的转换。从而可见光具有波、粒二象效应就是由光能与热能、电能的转换。从而可见光具有波、粒二象性。性。粒子性粒子性波动性波动性19241924年法国物理学家年法国物理学家年法国物理学家年法国物理学家德布罗依德布罗依德布罗依德布罗依Louis de Louis de Broglie(1892Broglie(1892-1987)1987)大胆假设，若光有大胆假设，若光有大胆假设，若光有大胆假设，若光有波粒两像性波粒两像性，微粒微粒也也应有波粒两像性应有波粒两像性。波粒两像性波粒两像性，微粒微粒也也应有波粒两像性应有波粒两像性。波粒两像性波粒两像性微粒应有波粒两像性微粒应有波粒两像性波粒两像性波粒两

35、像性微粒应有波粒两像性微粒应有波粒两像性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性德布罗意关系式德布罗意关系式：=h h/p p=h h/(mv)(mv)德布罗意关系式德布罗意关系式：h h/p ph h/(mv)(mv)速度速度质量质量 速度速度质量质量物质波的波长物质波的波长物质波的波长物质波的波长动量动量动量动量这种实物粒子的波称这种实物粒子的波称物质波物质波又称又称德布洛依波德布洛依波。例如：一个电子例如：一个电子 m=9.1110=9.1110-11-11g g =1

36、06m.s-1按德布洛依关系此电子按德布洛依关系此电子=727pm=727pm电子也具有波电子也具有波粒二象性粒二象性我们通常称电波的传播及电子流也表明我们通常称电波的传播及电子流也表明电子也具有波电子也具有波粒二象性粒二象性我们通常称电波的传播及电子流也表明我们通常称电波的传播及电子流也表明电子也具有波电子也具有波、粒二象性粒二象性，我们通常称电波的传播及电子流也表明我们通常称电波的传播及电子流也表明电子也具有波电子也具有波、粒二象性粒二象性，我们通常称电波的传播及电子流也表明我们通常称电波的传播及电子流也表明出电子的特征。出电子的特征。出电子的特征。出电子的特征。物质波物质波物质波物质波M

37、atter WaveMatter WaveA hypothesized relationship of matter wave:hhmhph=p微粒的动量愈大微粒的动量愈大其其微粒的动量愈大微粒的动量愈大其其波长就波长就波长就波长就愈短愈短因粒子的静质因粒子的静质愈短愈短因粒子的静质因粒子的静质微粒的动量愈大微粒的动量愈大，其其微粒的动量愈大微粒的动量愈大，其其波长就波长就波长就波长就愈短愈短。因粒子的静质因粒子的静质愈短愈短。因粒子的静质因粒子的静质量不变，换言之，微粒的速度愈大，波长愈短。量不变，换言之，微粒的速度愈大，波长愈短。量不变，换言之，微粒的速度愈大，波长愈短。量不变，换言之，微

38、粒的速度愈大，波长愈短。例例：电：电子波子波和和棒球波棒球波电子质量电子质量m=9 1110 29g and 速度速度v=5 97 106m.s 1电子的波电子的波例例子波棒球波子波棒球波Electron Wave and Baseball Wave电子质量电子质量m=9.111029 g and 速度速度v=5.97 106m.s1.电子的波电子的波长长：1011063632234kJh fhlhi il1101.1)/1097.5)(1011.9(1063.61032262934kggJsmkgsmgJsmvh=rays-Xofh wavelengttheSimilar to 122.01

39、022.110nmm=棒球质量棒球质量m m=0.145 kg and=0.145 kg and 速度速度v v=100 km=100 km.hrhr 1 1.波长波长360010001011063632234kJh if lblbllF106513600110001101.1)/100)(145(1063.63432234hrskmmkggJsmkghrkmgJsmvh=meaningfulor-measurable betosmallFar too 1065.134m=几种物质的德布罗意波长几种物质的德布罗意波长几种物质的德布罗意波长几种物质的德布罗意波长物质物质质量质量物质物质质量质量/

40、g/g速度速度速度速度/cm/cm s s-1 1/m/m波动性波动性波动性波动性慢速电子慢速电子慢速电子慢速电子9 19 1101028285 95 910107 71 21 2 10109 9显著显著显著显著慢速电子慢速电子慢速电子慢速电子9.19.11010-28285.95.910107 71.2 1.2 1010-9 9显著显著显著显著快速电子快速电子快速电子快速电子9.19.11010-28285.95.910109 91.21.2 1010-1111显著显著显著显著快速电子快速电子快速电子快速电子9.19.110105.95.910101.2 1.2 1010显著显著显著显著a

41、a粒子粒子粒子粒子6.66.61010-24241.51.510109 91.0 1.0 1010-1515显著显著显著显著1 g1 g小球小球小球小球1.01.01.01.06.66.61010-2929不明显不明显不明显不明显垒球垒球垒球垒球2 12 110102 23 03 010103 31 11 110103434不明显不明显不明显不明显垒球垒球垒球垒球2.12.110102 23.03.010103 31.11.11010-3434不明显不明显不明显不明显地球地球地球地球6.06.0101027273.43.410104 43.33.31010-6161不明显不明显不明显不明显地球

42、地球地球地球6.06.010103.43.410103.33.31010不明显不明显不明显不明显物质波的证明物质波的证明物质波的证明物质波的证明晶体衍射晶体衍射晶体衍射晶体衍射19271927年，戴维森（年，戴维森（DavissonDavisson，18811881-19581958）和杰尔麦）和杰尔麦19271927年，戴维森（年，戴维森（DavissonDavisson，18811881-19581958）和杰尔麦）和杰尔麦（GermerGermer）在纽约贝尔电话实验室用已知能量的电子）在纽约贝尔电话实验室用已知能量的电子在镍晶体上的衍射实验验证了德布罗意假设在镍晶体上的衍射实验验证了德

43、布罗意假设（GermerGermer）在纽约贝尔电话实验室用已知能量的电子）在纽约贝尔电话实验室用已知能量的电子在镍晶体上的衍射实验验证了德布罗意假设在镍晶体上的衍射实验验证了德布罗意假设当电子通过晶体时，在屏幕上产生明暗交替的衍射当电子通过晶体时，在屏幕上产生明暗交替的衍射环环。这说明电子射线同这说明电子射线同X射线射线一一样有衍射现象样有衍射现象，证明证明环环。这说明电子射线同这说明电子射线同X射线样有衍射现象射线样有衍射现象，证明证明德布罗意假设的正确性，亦证明了电子具有波动性。德布罗意假设的正确性，亦证明了电子具有波动性。质子射线质子射线，a a射线射线，中子射线中子射线，质子射线质子

44、射线，a a射线射线，中子射线中子射线，原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象原子射线等均具有衍射现象，且符合且符合德布罗意关系式，且符合且符合德布罗意关系式电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射ltdifftiltdiffti电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射electron diffractionelectron diffraction电子的波长与电子的波长与X-射线相当射线相当(1 pm)。电子衍射实验证明了电子衍射实验证明了德布罗意的假设德布罗意的假设：电子的波动性

45、电子的波动性.德布罗意的假设德布罗意的假设电子的波动性电子的波动性X-ray 衍射图电子衍射图X-ray 衍射图电子衍射图电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射Electron DiffractionElectron DiffractionX-raysElectron 两种衍射图相似，因电子的波长与两种衍射图相似，因电子的波长与两种衍射图相似，因电子的波长与两种衍射图相似，因电子的波长与X X射线接近射线接近射线接近射线接近测不准原理测不准原理测不准原理测不准原理19271927年德国物理学家海森年德国物理学家海森堡堡年德国物理学家海森年德国物理学家海森堡堡Heisenberg(19011976)H

46、eisenberg(19011976)指出指出指出指出：对微观粒子：对微观粒子：对微观粒子：对微观粒子,不能同时准确测出它在某一瞬间的运动速不能同时准确测出它在某一瞬间的运动速率（或动量）和位置。即率（或动量）和位置。即不能同时准确测出它在某一瞬间的运动速不能同时准确测出它在某一瞬间的运动速率（或动量）和位置。即率（或动量）和位置。即不能同时精确测定微粒的位置不能同时精确测定微粒的位置不能同时精确测定微粒的位置不能同时精确测定微粒的位置和动量。和动量。和动量。和动量。x phx p h动量误差位置误差动量误差位置误差微观粒子的运动使用统计规律描述微观粒子的运动使用统计规律描述，即概率描述即概率

47、描述：核核微观粒子的运动使用统计规律描述微观粒子的运动使用统计规律描述，即概率描述即概率描述：核核外电子在某一空间范围内出现的几率外电子在某一空间范围内出现的几率测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征从而彻底地否定从而彻底地否定测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征从而彻底地否定从而彻底地否定测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征，从而彻底地否定从而彻底地否定测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征测不准关系很好地反映了微观粒子的运动特征，从而彻底地否定从而彻底地否定了

48、玻尔提出的原子结构模型了玻尔提出的原子结构模型了玻尔提出的原子结构模型了玻尔提出的原子结构模型(3 3)统计性统计性(3 3)统计性统计性。电子的波动性是大量电子(或少量电子的大量)电子的波动性是大量电子(或少量电子的大量)找到电子的区域找到电子的区域行为的统计结果。行为的统计结果。找到电子的区域找到电子的区域电子的波动性具有统计含义。电子的波动性具有统计含义。电子的行为具有统计含义电子的行为具有统计含义电子的行为具有统计含义电子的行为具有统计含义。物质波也称统计波、几率波。物质波也称统计波、几率波。原子的视图原子的视图原子的视图原子的视图原子的视图原子的视图原子的视图原子的视图2 2、原子的

49、量子力学模型原子的量子力学模型、原子的量子力学模型原子的量子力学模型波函数和原子轨道波函数和原子轨道波函数和原子轨道波函数和原子轨道电子云和几率密度电子云和几率密度电子云和几率密度电子云和几率密度原子轨道及电子云的角度分布图原子轨道及电子云的角度分布图四个量子数四个量子数描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本描述核外电子运动状态的基本方程方程方程方程-薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程方程方程方程方程薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程薛定谔方程宏观物

50、体-牛顿方程宏观物体-牛顿方程微观粒子运动-薛定谔方程微观粒子运动-薛定谔方程用用一一个空间位置坐标个空间位置坐标（x y zx y z）的函数的函数(x y zx y zx y zx y z)用个空间位置坐标用个空间位置坐标（x x,y y,z z）的函数的函数(x x,y y,zxzx,y y,z z)来具体描述原子中电子的运动状况，而这个函来具体描述原子中电子的运动状况，而这个函来具体描述原子中电子的运动状况，而这个函来具体描述原子中电子的运动状况，而这个函数数数数本身应遵循某种波动的规律本身应遵循某种波动的规律本身应遵循某种波动的规律本身应遵循某种波动的规律数数数数本身应遵循某种波动的