第三编现代化学发展时期精选文档.ppt

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1、第三编现代化学发展时期本讲稿第一页，共五十八页早早期期X X射射线线重重要要的的研研究究者者有有IvanIvanPuluiPului教教授授、威威廉廉.克克鲁鲁克克斯斯爵爵士士、约约翰翰 威威廉廉 希希托托夫夫、EugeneEugeneGoldsteinGoldstein、赫赫兹兹、菲菲利利普普.莱莱纳纳德德、亥亥姆姆赫赫兹兹、特斯拉、爱迪生、特斯拉、爱迪生、CharlesGloverBarklaCharlesGloverBarkla、马克思、马克思 冯冯 劳厄和伦琴。劳厄和伦琴。物物理理学学家家希希托托夫夫观观察察到到真真空空管管中中的的阴阴极极发发出出的的射射线线。当当这这些些射射线线遇遇

2、到到玻玻璃璃管管壁壁会会产产生生荧荧光光。18761876年年这这种种射射线线被被EugeneEugeneGoldsteinGoldstein命命名名为为“阴阴极极射射线线”。随随后后，英英国国物物理理学学家家克克鲁鲁克克斯斯研研究究稀稀有有气气体体里里的的能能量量释释放放，并并且且制制造造了了克克鲁鲁克克斯斯管管。这这是是一一种种玻玻璃璃真真空空管管，内内有有可可以以产产生生高高电电压压的的电电极极。他他还还发发现现，当当将将未未曝曝光光的的相相片片底底片片靠靠近近这这种种管时，一些部分被感光了，但是他没有继续研究这一现象。管时，一些部分被感光了，但是他没有继续研究这一现象。本讲稿第二页，共

3、五十八页18871887年年4 4月月，尼尼古古拉拉 特特斯斯拉拉开开始始使使用用自自己己设设计计的的高高电电压压真真空空管管与与克克鲁鲁克克斯斯管管研研究究X X光光。他他发发明明了了单单电电极极X X光光管管，在在其其中中电电子子穿穿过过物物质质，发发生生了了现现在在叫叫做做韧韧致致辐辐射射的的效效应应，生生成成高高能能X X光光射射线线。18921892年年特特斯斯拉拉完完成成了了这这些些实实验验，但但是是他他并并没没有有使使用用X X光光这这个个名名字字，而而只只是是笼笼统统成成为为放放射射能能。他他继继续续进进行行实实验验，并并提提醒醒科科学学界界注注意意阴阴极极射射线线对对生生物物

4、体体的的危危害害性性，并并他他没没有有公公开开自自己己的的实实验验成成果果。18921892年年赫赫兹兹进进行行实实验验，提提出出阴阴极极射射线线可可以以穿穿透透非非常常薄薄的的金金属属箔箔。赫赫兹兹的的学学生生莱莱纳纳德德进进一一步步研研究究这这一一效效应应，对对很很多多金金属属进进行行了了实实验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。本讲稿第三页，共五十八页18951895年年1111月月8 8日日德德国国科科学学家家伦伦琴琴开开始始进进行行阴阴极极射射线线的的研研究究。18951895年年1212月月2828日日他他完完成成了了初初步步的的实

5、实验验报报告告“一一种种新新的的射射线线”。他他把把这这项项成成果果发发布布在在 维维尔尔茨茨堡堡ssPhysical-MedicalPhysical-MedicalSocietySociety杂杂志志上上。为为了了表表明明这这是是一一种种新新的的射射线线，伦伦琴琴采采用用表表示示未未知知数数的的X X来来命命名名。很很多多科科学学家家主主张张命命名名为为伦伦琴琴射射线线，伦伦琴琴自自己己坚坚决决反反对对，但但是是这这一一名名称称仍仍然然有有人人使使用用。19011901年伦琴获得诺贝尔物理学奖年伦琴获得诺贝尔物理学奖本讲稿第四页，共五十八页81958195年年爱爱迪迪生生研研究究了了材材料料

6、在在X X光光照照射射下下发发出出荧荧光光的的能能力力，发发现现钨钨酸酸钙钙最最为为明明显显。18961896年年3 3月月爱爱迪迪生生发发明明了了荧荧光光观观察察管管，后后来来被被用用于于医医用用X X光光的的检检验验。然然而而19031903年年爱爱迪迪生生终终止止了了自自己己对对X X光光的的研研究究。因因为为他他公公司司的的一一名名玻玻璃璃工工人人喜喜欢欢将将X X光光管管放放在在手手上上检检验验，得得上上了了癌癌症症，尽尽管管进进行行了了截截肢肢手手术术仍仍然然没没能能挽挽回回生生命命。19061906年年物物理理学学家家贝贝克克勒勒耳耳发发现现X X射射线线能能够够被被气气体体散散

7、射射，并并且且每每一一种种元元素素有有其其特特征征X X谱谱线线。他他因因此此获获得得了了19171917年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖。奖。本讲稿第五页，共五十八页在在2020世世纪纪8080年年代代，X X射射线线激激光光器器被被设设置置为为里里根根总总统统的的战战略略主主动动防防御御计计划划的的一一部部分分。然然而而对对该该装装置置（一一种种类类似似激激光光炮炮，或或者者死死亡亡射射线线的的装装置置，由由热热核核反反应应提提供供能能量量）最最初初的的、同同时时也也是是仅仅有有的的试试验验并并没没有有给给出出结结论论性性的的结结果果。同同时时，由由于于政政治治和和技技术术的的原原因因，整整

8、体体的的计计划划（包包括括X X射射线线激激光光器器）被被搁搁置置了了（然然而而该该计计划划后后来来又又被被重重新新启启动动使使用用了了不不同同的的技技术术，并并作作为为不不什什总统国家导弹防御计划的一部分）。总统国家导弹防御计划的一部分）。本讲稿第六页，共五十八页在在2020世世纪纪9090年年代代，哈哈佛佛大大学学建建立立了了ChandraChandraX X射射线线天天文文台台，用用来来观观测测宇宇宙宙中中强强烈烈的的天天文文现现象象中中产产生生的的X X射射线线。与与从从可可见见光光观观测测到到的的相相对对稳稳定定的的宇宇宙宙不不同同，从从X X射射线线观观测测到到的的宇宇宙宙是是不不

9、稳稳定定的的。它它向向人人们们展展示示了了恒恒星星如如何何被被黑黑洞洞绞绞碎碎，星星系系间间的的碰碰撞撞，超超新新星星和和中中子子星。星。本讲稿第七页，共五十八页二、放射性的发现X X射射线线发发现现后后，许许多多科科学学家家被被吸吸引引去去研研究究这这种种新新的的具具有有巨巨大大穿穿透透力的辐射。力的辐射。1896年法国物理学家贝克勒尔（A.H.Becguerel，18521908）对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究。他把这种硫酸盐放在用黑纸包起来的照相底片上，再让它们受阳光照射。因为阳光不能透过黑纸，所以对照相底片不起作用。如果激发出的荧光中含有X射线，它就能穿透黑纸使照相底片感光

10、。结果，底片感光了，他以为这是被激发出的X射线的作用。本讲稿第八页，共五十八页有有一一次次连连续续几几天天阴阴雨雨，实实验验无无法法进进行行，他他便便把把上上面面放放着着硫硫酸酸双双氧氧铀铀钾钾的的底底片片放放在在暗暗房房的的抽抽屉屉里里。几几天天后后，他他把把底底片片冲冲洗洗出出来来，结结果果出出乎乎意意料料：虽虽然然未未经经阳阳光光照照射射，底底片片却却由由于于受受到到很很强强的的辐辐射射而而变变得得很很黑黑。这这使使他他异异常常惊惊奇奇，因因为为这这决决不不是是荧荧光光或或阳阳光光所所造造成成的的。经经过过多多次次实实验验，判判明明它它就就是硫酸双氧铀钾中的铀。是硫酸双氧铀钾中的铀。这就

11、是最早发现的放射性现象；铀是人们第一个发现的放射性元素。这就是最早发现的放射性现象；铀是人们第一个发现的放射性元素。本讲稿第九页，共五十八页l这一发现公布后，玛丽居里（M.S.Curie，18671934）很快投入了这一新的研究领域。她测量了铀的辐射强度，并发现铀的辐射强度正比于铀的数量而与其他任何因素无关。她不知疲倦地测定其他化学元素或化合物，发现钍也具有这种辐射能力。她建议把这种辐射能力叫做“放射性”。后来，她又发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。本讲稿第十页，共五十八页l玛丽.居里大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀的放射性强得多的未知新元素。为了寻找这个未知的新元素，比埃尔居里

12、（P.Curie，18591906）同妻子玛丽居里共同研究。他们通过繁重的劳动，从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素，最后发现了两种新元素，一种取名为“镭”，另一种取名为“钋”，以纪念自己的祖国波兰。本讲稿第十一页，共五十八页l钋的放射性比铀强400倍，镭的放射性比铀强200万倍，但它们的含量极少。这个发现再次轰动了科学界。但是也有些科学家表示怀疑。居里夫妇又花了整整4年的时间，在简陋的工棚里，在原始的条件下，历尽千辛万苦，于1902年终于从几吨粗杂的沥青矿渣中，分离出110克的氯化镭。本讲稿第十二页，共五十八页l镭有许多奇异的特性，它以一定的速度不断地蜕变时，能发出很强的辐射，使近旁的气体电

13、离，使许多物质发出荧光，对生物有机体有杀伤力。l天然放射性元素能够放射出、三种射线，于是，原子不可分的观念被彻底打破了。ll本讲稿第十三页，共五十八页1902年，卢瑟福和索迪（F.Soddy，18771956）提出原子自然衰变的理论，阐明放射性的本质就是放射性元素的原子自发地转变为另一种原子的过程。他们指出，天然放射性元素都以固定的寿命放出射线，逐步地转变为其他放射性元素，最后成为没有放射性的铅，结束衰变过程。这就证明了元素不是不可改变的，而是可以转化的。本讲稿第十四页，共五十八页三、电子的发现三、电子的发现三、电子的发现三、电子的发现 电电电电子子子子的的的的发发发发现现现现和和和和阴阴阴阴

14、极极极极射射射射线线线线的的的的实实实实验验验验研研研研究究究究联联联联系系系系在在在在一一一一起起起起的的的的，而而而而阴阴阴阴极极极极射射射射线线线线的的的的发发发发现现现现和和和和研研研研究又是以真空管放电现象开始的。究又是以真空管放电现象开始的。究又是以真空管放电现象开始的。究又是以真空管放电现象开始的。早早早早在在在在18581858年年年年，德德德德国国国国物物物物理理理理学学学学家家家家普普普普吕吕吕吕克克克克在在在在利利利利用用用用放放放放电电电电管管管管研研研研究究究究气气气气体体体体放放放放电电电电时时时时发发发发现现现现了了了了阴极射线。阴极射线。阴极射线。阴极射线。英国

15、物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，根据偏转算出阴极射线粒子的荷质比(em)，要比氢离子的荷质比大1000倍之多。本讲稿第十五页，共五十八页汤汤姆姆生生设设计计了了新新的的阴阴极极射射线线管管，在在电电场场作作用用下下由由阴阴极极C C发发出出的的阴阴极极射射线线，通通过过 和和B B聚聚焦焦，从从另另一一对对电电极极D D和和E E间间的的电电场场中中穿穿过过右右侧侧管管壁壁上贴有供侧量偏转用的标尺。上贴有供侧量偏转用的标尺。他他利利用用当当时时最最先先进进的的真真空空技技术术获获得得高高真真空空，终终于于使使阴阴极极射射线线在在电电场场中中发

16、发生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子。生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子。通通过过进进一一步步的的实实验验，汤汤姆姆生生发发现现用用不不同同的的物物质质材材料料或或改改变变管管内内气气体体种种类类，测测得得射射线线粒粒子子的的荷荷质质比比e/me/m保保持持不不变变可可见见这这种种粒粒子子是是各各种种材料中的普适成分。材料中的普适成分。本讲稿第十六页，共五十八页l1898年，汤姆生又和他的学生们继续做直接测量带电粒子电量的研究其中之一就是用威尔逊云室，测得了电子电荷是1.1x10-19C，并证明了电子的质量约是氢离子的千分之一于是，汤姆生最终

17、解开了阴极射线之谜这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷值,其中有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e=l.34X10-19C，1913年最后测得e=1.59x10-19C在当时条件下，这是一个高精度的测量值近代精确的电子电荷量e=1.60217733(49)x10-19C(括号中的值是测量误差)本讲稿第十七页，共五十八页18第二节原子结构模型的建立一、电子的发现 原子是物质组成的基本单元吗？其尺寸几何？其内部结构是怎样的？实验上如何探测？带电粒子的荷质比为：汤姆逊实验的结果汤姆逊实验的结果第一步，证明阴极射线是直线传播的第一步，证明阴极射线是直线传播的 第二步，证

18、明阴极射线是由物质的粒子构成的，而不仅仅是一束光线第二步，证明阴极射线是由物质的粒子构成的，而不仅仅是一束光线第三步，证明粒子是带负电荷的第三步，证明粒子是带负电荷的 第四步，阴极粒子的重量约为已知最轻的元素氢原子的两千分之一第四步，阴极粒子的重量约为已知最轻的元素氢原子的两千分之一 第五步，这些粒子是一切物质所共有的，而且始终是一样的第五步，这些粒子是一切物质所共有的，而且始终是一样的 1987年，汤姆逊(J.J.Thomson)测定了这种带电微粒的荷质比e/m，承认电子的存在。他被认为是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。本讲稿第十八页，共五十八页19卢瑟福模型原子内部结构到底是怎

19、样的？实验上如何探测？1.汤姆逊(Thomson)模型即原子中带正电部分均匀分布在原子体内即原子中带正电部分均匀分布在原子体内,电子电子镶嵌在其中，人们称之为镶嵌在其中，人们称之为“葡萄干面包或者西葡萄干面包或者西瓜模型瓜模型.为了检验汤姆逊模型是否正确为了检验汤姆逊模型是否正确,卢瑟福于卢瑟福于19091909年设年设计了计了 粒子散射实验，并建议他的助手盖革粒子散射实验，并建议他的助手盖革（GeigerGeiger）和学生马斯顿（）和学生马斯顿（MarsdenMarsden）实施。根据实）实施。根据实验现象，他于验现象，他于19111911年提出了原子的核式模型。年提出了原子的核式模型。本

20、讲稿第十九页，共五十八页202.原子的核式模型粒子散射实验装置 实验装置如上图所示。放射源实验装置如上图所示。放射源 R R 中发出一细束中发出一细束 粒子，直射到粒子，直射到金属箔上以后，由于各金属箔上以后，由于各 粒子所受金属箔中原子的作用不同，所以粒子所受金属箔中原子的作用不同，所以沿着不同的方向散射。荧光屏沿着不同的方向散射。荧光屏S S及放大镜及放大镜MM可以沿着以可以沿着以F F为中心的为中心的圆弧移动。当圆弧移动。当S S和和MM对准某一方向上对准某一方向上,通过通过F F而在这个方向散射的而在这个方向散射的 粒粒子就射到子就射到S S上而产生闪光，用放大镜上而产生闪光，用放大镜

21、MM观察闪光，就能记录下单观察闪光，就能记录下单位时间内在这个方向散射的位时间内在这个方向散射的 粒子数。从而可以研究粒子数。从而可以研究 粒子通粒子通过金属箔后按不同的散射角过金属箔后按不同的散射角 的分布情况。的分布情况。本讲稿第二十页，共五十八页21粒子散射实验发现过程1.1.用闪烁法观测用闪烁法观测 散射散射2.2.盖革的盖革的 散射曲线散射曲线3.3.用一金属板反射观测到用一金属板反射观测到 粒子的大角度散射粒子的大角度散射4.4.大角度散射大角度散射(将金将金AuAu换成铂换成铂Pt)Pt)本讲稿第二十一页，共五十八页221.1.被散射的被散射的 粒子大部分分布在小角度粒子大部分分

22、布在小角度区域。区域。2.2.少数（大约有少数（大约有1/80001/8000）的）的 粒子散射角粒子散射角 90900 0。3.3.有的甚至被弹回，偏转角几乎达到了有的甚至被弹回，偏转角几乎达到了 1801800 0。“就像你用一枚15英寸的炮弹轰击一张薄纸被弹回并击中你一样不可思议。”卢瑟福注：1英寸=2.54厘米实验现象实验现象本讲稿第二十二页，共五十八页23u核式模型：正电荷集中核式模型：正电荷集中在原子中心很小的区域，在原子中心很小的区域，所以无限接近核时，作用所以无限接近核时，作用力会变得的很大。力会变得的很大。u汤姆逊模型：在原子中心附汤姆逊模型：在原子中心附近则不能提供很强的作

23、用力。近则不能提供很强的作用力。两模型区别：两模型区别：本讲稿第二十三页，共五十八页三、波尔模型三、波尔模型l1911年，英国物理学家卢瑟福根据1910年进行的粒子散射实验，提出了原子结构的行星模型。在这个模型里，电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至瞬间坍缩到原子核里。这与实际情况不符，卢瑟福无法解释这个矛盾。本讲稿第二十四页，共五十八页l尼玻尔(NielsBohr，1885-1962），在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。l1912

24、年，正在英国曼彻斯特大学工作的玻尔将一份被后人称作卢瑟福备忘录的论文提纲提交给他的导师卢瑟福。l在这份提纲中，玻尔在行星模型的基础上引入了普朗克的量子概念，认为原子中的电子处在一系列分立的稳态上。回到丹麦后玻尔急于将这些思想整理成论文，可是进展不大。本讲稿第二十五页，共五十八页l1913年2月4日前后的某一天，玻尔的同事汉森拜访他，提到了1885年瑞士数学教师巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻尔顿时受到启发。后来他回忆到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬间，突然一切都清楚了，”“就像是七巧板游戏中的最后一块。”这件事被称为玻尔的“二月转变”。l1913年7月、9月、11月，经由卢瑟福推荐，哲学杂志接连

25、刊载了玻尔的三篇论文，标志着玻尔模型正式提出。这三篇论文成为物理学史上的经典，被称为玻尔模型的“三部曲”。本讲稿第二十六页，共五十八页l玻尔的原子理论给出这样的原子图像：l1.电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；l2.可能的轨道由电子的角动量必须是可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2的整数倍决定；的整数倍决定；l3.当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射当电子从一个轨道

26、跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由 E=h给出。给出。h为为普朗克常数。普朗克常数。h=6.62610(-34)Js本讲稿第二十七页，共五十八页玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年，德国物理学家索末菲（ArnoldSommerfeld，1868-1951）把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。本讲稿第二十八页，共五十八页量子力学

27、是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。四、量子力学模型四、量子力学模型本讲稿第二十九页，共五十八页1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。本讲稿第三十页，共五十八页1913年，玻尔在卢瑟

28、福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。本讲稿第三十一页，共五十八页在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意的物质波方程：E=，p=h/，其中h/2，可以由E=p/2m得到

29、(h/2mE)。本讲稿第三十二页，共五十八页由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时，它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。本讲稿第三十三页，共五十八页l为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。当微观粒子处于某一状态时，它的力

30、学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年，海森伯得出的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。本讲稿第三十四页，共五十八页量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯（又称海森堡，下同）和泡利（pauli）等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的。旧量子论对经典物理理论加以某种

31、人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量子论不能令人满意，人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了量子力学。本讲稿第三十五页，共五十八页1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。海森堡还提出了测不准原理，原理的公式表达如下：x

32、p/2。本讲稿第三十六页，共五十八页建立在量子理论基础上的原子结构模型，为现代元素周期律的理论奠定了基础，莫斯莱（英）根据大量晶体X射线衍射的实验结果并结合当时的原子结构理论得出周期律是按照原子序数排列的，而不是原子量。对于放射性的进一步研究，人们发现，原子量不同的同种原子，放射性也不同，1913年索弟（英）提出同位素假说。第三节 莫斯莱定律、原子量测定和同位素发现本讲稿第三十七页，共五十八页l第四节第四节 超铀元素的合成与现代元素周期律理论超铀元素的合成与现代元素周期律理论20世纪30年代，元素周期表上的最后一个元素是92号元素铀。1934年E.费密认为，元素周期表的终点不是铀，铀以后还应存

33、在“超铀元素”。他从中子照射过的铀中分出了放射性产物，并称之为“超铀元素”。1938年发现核裂变现象后,判明以前所谓的“超铀元素”实际上是某些裂变产物元素。1940年，美国科学家E.M.麦克米伦等利用中子照射氧化铀薄片，发现了第一个人工合成的超铀元素93号元素镎。本讲稿第三十八页，共五十八页随着反应堆、加速器以及核物理和放射化学探测、分离技术的发展，1940年以后,已用人工方法合成了从93号到107号的15个超铀元素,约160种核素;1982年和1984年，又报道合成了109号和108号元素。超铀元素中前11个（Z=93103,即镎到铹）属于锕系元素。如同镧以后填充4f亚电子壳层的14个元素（

34、Z=5871，从铈到镥）组成镧系元素一样，锕(Z=89)以后填充5f亚电子壳层的14个元素(Z=90103，从钍到铹)组成锕系元素,在元素周期表中也占有特殊的位置。由于这些元素逐个填充5f内电子壳层，它们彼此在化学性质上是相似的，需用特殊的萃取剂和离子交换剂进行化学分离。本讲稿第三十九页，共五十八页铹(Z103)以后的元素总称超锕元素(或超铹元素)，目前只人工合成了104、105、106、107、108和109号元素（这些元素的化学命名尚未最后确定）。它们继续填充6d电子壳层,因而，104号元素的化学行为同副族的铪相似,105号元素同副族的钽相似，106和107号元素则相应同钨和铼相似。尽管已

35、发现在天然铀矿中存在极微量的镎和钚，但供研究和应用的全部超铀元素仍都由人工方法制备。人工合成超铀元素主要通过两大类型核反应的途径实现，即：中子俘获反应和带电粒子核反应 本讲稿第四十页，共五十八页上述两种合成的方法中，只有中子俘获法能获得可称量的 Z100的元素的合成，因其生成截面极小，往往一次实验仅可产生几十甚至几个原子。第一次合成钔时，用 粒 子 轰 击Es，三个小时才产生一个Md原 子。人工合成的超铀元素对核能的发展和利用有重要意义。Pu是反应堆及核电站等的重要核燃料Pu、Cm和Cm制成的热源和热电池已用于气象卫星和航天事业,P u还用于制造心脏起搏器。此外，人工合成超重元素对扩展元素周期

36、表、预言更重的原子核的结构 和 探 索 星 际 起 源 等 方 面 都 有 重 要 意 义。本讲稿第四十一页，共五十八页第十五章 现代结构化学（下）量子化学理论l第一节第一节 经典价键结构理论经典价键结构理论l弗兰克兰特从锑、砷、磷、氮仅能结合确定数量的有机基团出发，认识到一个元素原子能和另一个元素原子化合的原子数目是一定的，这是初步的原子价概念，是经典价键理论的开端。l荷兰范霍夫，法国勒贝尔提出碳原子价键的空间结构学说，由于碳的四个价键上取代基不同，导致了光学异构体，并预计了异构体的数目，也指出双键的存在将引起顺反异构，这是立体化学的开端。本讲稿第四十二页，共五十八页l瑞士苏黎世大学名教授维

37、尔纳首先提出“配位数”概念，建立了络合物的配位理论。l1893年，他发表了“论无机化合物的结构”一文，大胆提出了划时代的配位理论，这是无机化学和配位化学结构理论的开端。l维尔纳的配位理论很好地解释了已知的同分异构现象。他认为内界的构型可以是平面的，也可以是立体的。并且，他还预言了后来证实存在的一些同分异构现象，从而配位理论得到了化学家的普遍承认。本讲稿第四十三页，共五十八页l早在1900年，阿培格阿培格就指出：原子的原子数概念和借助于它得出的化学式是有机化合物分类的基础，但对于无机化合物却远非是充分的。对于各种无机化合物，原子或原子团对电荷的亲和力是非常重要的。尽管这种思想并不十分清晰和明确，

38、但已具备了化学键电子理论的萌芽。l1904年，阿培格阿培格又进一步发展了他的思想，在题为亲和力和原子价的论文中提出了“电价”的概念。l尽管他在论文中把电价和化学元素周期表联系了起来，并提出正常价和反常价的新观点，但他没有提出任何原子模型。本讲稿第四十四页，共五十八页l阿培格阿培格的电价理论，也没有依靠任何原子模型。只是把电价定义为：表观为原子在生成离子化合物时，以其离子所带的电荷数来量度电子价。由此可见，阿培格阿培格的电价理论还是经验性的，是不成熟的。但他的电价理论，指明了后人研究化学键的方向。l1913年，玻尔在提出原子模型的同时，还曾提出关于分子的动态模型，这一模型的合理内容，经过一系列的

39、发展，才使化学键的电子理论得以完善。本讲稿第四十五页，共五十八页l1916年，德国化学家柯塞尔提出了他的化合价理论：必须用原子结构的理论来解释化学行为，化学中稳定离子的形成，是由于原子获得电子或失去电子以达到惰性气体稳定电子结构而造成的。克塞尔的理论主要以极性分子与离子化合物为对象，成功地解释了典型金属和非金属相互作用的化学行为。l他的理论是建立在化学元素的原子中电子完全得失的极端化的基础上的，没有考虑到互相若即若离的过渡状态，因此，在解释离子化合物时是成功的，而对于非离子化合物，如氧气、氯气等则无法解释。本讲稿第四十六页，共五十八页l柯塞尔的理论只是解决了矛盾的一个方面。他的功绩在于他把离子

40、化合物区别出来了，并把这种化个物的形成与玻尔的原子结构模型相联系，这在化合价的电子理论的发展中是一 大进步。l美国科学家路易斯于同年发表了原子和分子的论文，解释的问题正是克塞尔遗留的问题，即矛盾的另一方面。本讲稿第四十七页，共五十八页l路易斯原子模型的叙述是有错误的，但是，路易斯的观点中，包括着许多合理的思想。其中，最重要的是认为两个原子可以共享电子以达到“八偶体状态”，从而解释了非极性键 的生成。也使得人们对化合价理论有了更深刻和更完善的认识。路易斯的共价键理论因为受 当时条件的限制，只能解释一些简单分子，对复杂的多原子共价化合物还无法解释。美国化学家朗缪尔在刘易斯理论的基础上进行了深入的研

41、究，使刘易斯的共价键理论得 到了补充和发展。本讲稿第四十八页，共五十八页第二节第二节 共振理论共振理论共共振振论论是是美美国国化化学学家家L.PauLingL.PauLing在在十十九九世世纪纪三三十十年年代代初初提提出出来来的的，一一种种分分子子结结构构理理论论，他他认认为为分分子子的的真真实实结结构构是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的经经典典价价键键结结构构式式共共振振而而成成的的，共共振振论论包包括括离离域域键键、键键长长、键键能能等等概概念念，表表示示电电子子离离域域化化的的电电子子式方法一共振。式方法一共振。共共振振论的应用主要包括说明有机化合物的物理性质和化学性质两个方面，在

42、物理性质方面可以用来说明分子的极性（偶极矩）键长，离域键、键能等，在化学性质方面可以用来预测反应的产物比较化合物酸碱性的强弱；判断反应条件稳定，电荷的分布位置和解释多重反应性能等，但只应当适当选用而不能过分强调它的应用。本讲稿第四十九页，共五十八页总总之之，任任何何一一个个化化学学反反应应是是电电子子云云的的分分布布价价键键的的变变化化和和共共共共振振振振的的结结果果。所所以以解解释释绝绝大大多多数数化化学学或或立立体体化化学学问问题题时时共共共共振振振振论论、共共价价键键论论（价价键键和和分分子子轨轨道道理理理理论论论论）量量子子力力学学等等理理理理论论论论要要结结合合起起来来，要要确确实实

43、掌掌握握共共共共振振振振的的定定量量概概念念，因因为为，它它们们相相互互补补充充也也有有它它们们的的缺缺点点，属属于于共共扼扼效效应应有有一一些些问问题题，也也是是要要运运用用分分子子轨轨道道理理理理论论论论方方法法来来解解决决。用用共共共共振振振振式式来来形形式式化化地地（定定性性地地）描描述述电电子子离离域域化化系系统统很很方方便便，在在实际用上很有价值，因此用仍很广泛。实际用上很有价值，因此用仍很广泛。本讲稿第五十页，共五十八页现现代代化化化化学学键键理理论论是是建建立立在在薛薛定定鄂鄂方方程程的的基基础础上上的的，人人们们用用波波函函数数来来描描述述电电子子的的状状态态，1927192

44、7年年海海特特勒勒和和伦伦敦敦解解氢氢分分子子的的薛薛定定鄂鄂方方程程建建立立量量子子化化学学，他他们们计计算算出出氢氢分分子子的的两两个个能能量量状状态态1 1和和2 2得得到到了了实实验验验验证证，继继而而建建立了全新的化学键理论。立了全新的化学键理论。在在化化学学发发展展中中，对对于于共共价价键键，形形成成了了两两种种等等价价的的理理论论，其其一一是是价价键键理理论论，先先由由海海特特勒勒和和伦伦敦敦提提出出，后后经经鲍鲍林林（美美）和和斯斯莱莱特特（美美）充充实实发发展展而而成成；其其二二是分子轨道理论，由马利肯（美）和洪特（德）等人提出来的。是分子轨道理论，由马利肯（美）和洪特（德）

45、等人提出来的。第三节 现代化学键理论本讲稿第五十一页，共五十八页由由于于有有机机合合成成的的进进一一步步发发展展，19651965年年伍伍德德瓦瓦德德（美美）和和霍霍夫夫曼曼（美美）在在合合成成维维生生素素B12B12时时总总结结出出分分子子轨轨道道对对称称守守恒恒原原理理，19811981年年，福福井井谦谦一一（日日）和和霍霍夫夫曼曼因因为为他他们们各各自自提提出出前前线线轨轨道道理理论论和和分分子子轨轨道对称守恒原理而被授予诺贝尔奖。道对称守恒原理而被授予诺贝尔奖。本讲稿第五十二页，共五十八页们对晶体一般规律的探索也是从研究晶体的外形开始的。们对晶体一般规律的探索也是从研究晶体的外形开始的

46、。16691669年年，丹丹麦麦人人斯斯登登诺诺（Steno,N.1638-1686Steno,N.1638-1686），17831783年年法法国国矿矿物物学学家家爱爱斯斯尔尔（DeIDeIIsle,R.1736-1790Isle,R.1736-1790）分分别别在在观观测测各各种种矿矿物物晶晶体体时时发发现现了了晶晶体体的的第第一一个个定定律律晶晶面面夹夹角角守守恒恒定定律律。在在1919世世纪纪初初，晶晶体体测测角角工工作作曾曾盛盛极极一一时时，积积累累了了关关于于大大量量天天然然矿矿物物和和人人工工晶晶体体的的精精确确观观测测数数据据。这这为为进进一一步步发发现现晶晶体体外外形形的的规

47、规律律性性（特特别是关于晶体对称性的规律）创造了条件。别是关于晶体对称性的规律）创造了条件。第四节第四节 晶体结构的测定晶体结构的测定本讲稿第五十三页，共五十八页在晶体对称性的研究中，关于对称群的数学理论起了很大作用。在晶体对称性的研究中，关于对称群的数学理论起了很大作用。在在1805180518091809年年间间，德德国国学学者者魏魏斯斯（Weiss,C.S.1780-1856Weiss,C.S.1780-1856）开开始始研究晶体外形的对称性。研究晶体外形的对称性。18301830年年德德国国人人赫赫塞塞尔尔（Hessel,J.F.Ch.Hessel,J.F.Ch.1796-187217

48、96-1872），18671867年年俄俄国国人人加加多多林林分分别别独独立立地地推推导导出出，晶晶体体外外形形对对称称元元素素的的一一切切可可能能组组合合方方式式（也就是晶体宏观宏观对称类型）共有（也就是晶体宏观宏观对称类型）共有3232种（称为种（称为3232种点群）。种点群）。人人们们又又按按晶晶体体对对称称元元素素的的特特征征将将晶晶体体合合理理地地分分为为立立方方晶晶系系、六六方方晶晶系等七个晶系。系等七个晶系。本讲稿第五十四页，共五十八页1919世世纪纪4040年年代代，德德国国人人弗弗兰兰根根海海姆姆和和法法国国人人布布拉拉维维发发展展前前人人的工作，奠定了晶体结构空间点阵理论（

49、即空间格子理论）的基础。的工作，奠定了晶体结构空间点阵理论（即空间格子理论）的基础。弗弗兰兰根根海海姆姆首首行行提提出出晶晶体体内内部部结结构构应应以以点点为为单单位位，这这些些点点在在三三度度空空间间周周期期性性的的重重复复排排列列。他他于于18421842年年推推出出了了1515种种可可能能的的空空间间点点阵阵形式。形式。其其后后，布布拉拉维维明明确确地地提提出出了了空空间间格格子子理理论论。他他认认为为晶晶体体内内物物质质微微粒粒的的质质心心分分布布在在空空间间格格子子的的平平行行六六面面体体单单位位的的顶顶角角、面面心心或或体体心心上，从而它们在三度空间作周期性的重复排列。上，从而它们

50、在三度空间作周期性的重复排列。布布拉拉维维于于18481848年年指指出出，弗弗兰兰根根海海姆姆的的1515种种空空间间点点阵阵形形式式中中有有两两种种实实质上是相同的，确定了空间点阵的质上是相同的，确定了空间点阵的1414种形式。种形式。本讲稿第五十五页，共五十八页关于晶体的微观对称性，德国人松克（Sohncke,L.1842-1897）在前人工作的基础上进行深入研究以后，提出晶体全部可能的微观对称类型共有230种（称为230个空间群）。在18851890年间，俄国结晶学家弗多罗夫完成了230个空间群的严格的推引工作。在19世纪的最后十年中，几何晶体学理论已全部完成了。几何晶体学虽然在19世