大學物理原子及微觀粒子性質(zhì)課件

1第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)★

原子結(jié)構(gòu)的近代概念★

多電子原子的電子分布方式和周期系★

化學鍵與分子間相互作用力★

晶體結(jié)構(gòu)1第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)★原子結(jié)構(gòu)的近代概念★多電子原子的25.1原子結(jié)構(gòu)的近代概念一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

從小家境很窮，少年時代自學，12歲在鄉(xiāng)村學校教書；自學數(shù)學、哲學、希臘文、法文和拉丁文等；27歲移居曼徹斯特，從此，這個沒有受過高等教育的人開始在大學里講授數(shù)學和哲學；1816年當選法國科學院通訊院士，1822年成為皇家學會會員；道爾頓一生大量的工作就是觀察天氣，他一生記錄了20萬條觀察記錄。1801年總結(jié)出氣體分壓定律；1803年發(fā)表化學原子論，認為元素是由非常微小的、看不見的、不可再分割的原子組成；25.1原子結(jié)構(gòu)的近代概念一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況從小3一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

1885年天然放射性1897年電子1895年X射線物理學上三大發(fā)現(xiàn)湯姆遜(Thomson，JosephJohn)(1856~1940)英國物理學家1906年諾貝爾物理學獎貝克勒爾(Becquerel，AntoineHenri，1852~1908)法國物理學家，1903年諾貝爾物理學獎倫琴(WilhelmKonradRontgen)(1854~1923)德國物理學家1901年諾貝爾物理學獎1.19世紀末物理學的三大發(fā)現(xiàn)3一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況1885年1897年1895年4一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

出生于新西蘭，畢業(yè)于新西蘭大學和劍橋大學；1898年任加拿大馬克歧爾大學物理學教授，這期間他在放射性方面的研究貢獻很多；1907年任曼徹斯特大學物理學教授；1908年因?qū)Ψ派浠瘜W的研究獲諾貝爾化學獎；1919年任劍橋大學教授，并任卡文迪許實驗室主任；1909年他指導他的兩個學生做了著名的實驗：用粒子轟擊金箔，從而提出含核原子模型：原子核帶正電，位于原子中心，電子在它的周圍旋轉(zhuǎn)，于1911年發(fā)表。2.原子的含核模型(1911年)盧瑟福(ErnestRutherford)(1871-1937)英籍新西蘭物理學家

4一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況出生于新西蘭，畢業(yè)于新西蘭大學5一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

1911年獲哥本哈根大學博士學位后開始研究金屬中電子運動的理論；1911年進入劍橋大學和曼徹斯特大學深造，并結(jié)識了良師益友盧瑟福；玻爾大膽地把盧瑟福的模型和普朗克的量子理論結(jié)合起來，把原子只用于能量的量子概念推廣的到角動量，創(chuàng)立了量子化軌道原子結(jié)構(gòu)理論；為以后各種物理量的量子化打開了大門；1913年初，玻爾提出了他著名的原子理論，這個理論隨即被用于分析各種譜線，獲得了巨大的成功；因他對原子結(jié)構(gòu)模型的研究成果，他獲得了1922年的諾貝爾物理獎。3.原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型(1913年)玻爾

(NielH.D.Bohr)(1885-1937)丹麥物理學家4.原子結(jié)構(gòu)的波動力學方程(1926年)－薛定諤方程5一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況1911年獲哥本哈根大學博士學6二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性(1)光的波動性(2)光的微粒性(1900年)Plank公式：E=hv光的能量與頻率的關(guān)系普朗克認為,物體只能按hv的整數(shù)倍(如1,2,3等)一份一份地吸收或釋出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整數(shù)倍－能量量子化概念。h為普朗克常數(shù)，h=6.62610-34J·s-1普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)(1858~1947)德國物理學家1918年諾貝爾物理學獎6二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子學說：E=mc2愛因斯坦認為,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并將這一份數(shù)值為1的能量叫光子(photons)。c=vhv=mc2=mcv

=h/mc

愛因斯坦(AlbertEinstein)(1879~1955)德裔美國科學家二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子學說8二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性德布羅依(L.deBroglie)法國物理學家λ=h/mv體現(xiàn)粒子波動性體現(xiàn)粒子粒子性戴維遜

(Davission)美國物理學家1927年，美國Davission和Germeer應(yīng)用Ni晶體進行電子衍射實驗，證實了電子具有波動性。8二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二9電子衍射示意圖定向電子射線晶片光柵衍射圖象L.deBroglie和

Davission等分別獲得1929年和1937年諾貝爾物理學獎二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性9電子衍射示意圖定向電子射線晶片光柵衍射圖象L.deBro10電子通過Al箔(a)和石墨(b)的衍射圖物質(zhì)波或德布羅依波★微觀粒子遵循特有的運動特征和規(guī)律，即能量的量子化、

波粒二象性和統(tǒng)計性?！锟臻g任意一點物質(zhì)波的強度與微粒出現(xiàn)的幾率密度成正比。★物質(zhì)波是具有統(tǒng)計性的幾率波（概率波）。二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性10電子通過Al箔(a)和石墨(b)的衍射圖物質(zhì)波或德布羅依11核外運動的電子，已不再遵守經(jīng)典力學規(guī)律，它們的運動沒有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，即電子的波動性與其微粒行為的統(tǒng)計性規(guī)律相聯(lián)系。微粒的運動沒有確定的位置，只有一定的和波的強度成正比的空間幾率分布規(guī)律。波的微粒性電子微粒性的實驗Plank

的量子論Einstein

的光子學說量子力學(quantum

mechanics)二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性11核外運動的電子，已不再遵守經(jīng)典力學規(guī)律，它們的運動沒有確12二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性2008年瑞典科學家首次通過飛秒激光成功拍攝到了電子運動的連貫影片。12二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒13三.波函數(shù)(Wavefunctions)

(ψ)薛定諤(E.Schrodinger)(1887-1961)奧地利物理學家1910年獲物理學博士學位后在維也納第二物理研究所工作；1921年他受聘到瑞士蘇黎士大學任數(shù)學物理學教授；1926年在德布羅依波粒二象性基礎(chǔ)上，獨立創(chuàng)立了波動力學，提出了薛定諤方程，確定了波函數(shù)的變化規(guī)律，成為波動力學的創(chuàng)始人；1927年他接替普朗克任柏林大學理論物理學教授，同年當選普魯士科學院院士；1933年，受納粹迫害，離開蘇黎士到牛津大學任物理學教授，同年和狄拉克一起榮獲諾貝爾物理獎。13三.波函數(shù)(Wavefunctions)(ψ)薛14三.波函數(shù)(Wavefunctions)

(ψ)1.薛定諤方程空間坐標核外電子總能量核外電子的勢能電子的質(zhì)量

解此方程可得：系統(tǒng)的能量E

，波函數(shù)ψ；ψ是描述電子運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式。

方程中既體現(xiàn)微粒性(m)，也體現(xiàn)波動性(ψ)；14三.波函數(shù)(Wavefunctions)(ψ)1.151.薛定諤方程(1)直角坐標(x,y,z)與球坐標(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換球面坐標變換rsinzxy?P(x,y,z)z=rcosθx=rsinθcosφy=rsinθsinφφθrx=rsinθcosφ

y=rsinθsinφz=rcosθ

r2=x2+y2+z2

151.薛定諤方程(1)直角坐標(x,y,z)與161.薛定諤方程●求解過程中，需引入三個參數(shù)n、l

和m。解得的ψ不是具體的數(shù)值，而是包括三個常數(shù)(n,l,m)和三個變量(r,θ,φ)

的函數(shù)式：

=n,l,m(r,,)(2)求解●

數(shù)學上可以解得多個Ψn,l,m(r,θ,φ)，但其物理意義并非都合理;有合理解的函數(shù)式叫做波函數(shù)，它們以n，l，m的合理取值為前提?！駞?shù)的取值是非連續(xù)的，n、l

和m稱為量子數(shù)。當n、l

和m

的值確定時，波函數(shù)(原子軌道)便可確定。即：每一個由一組量子數(shù)確定的波函數(shù)表示電子的一種運動狀態(tài)。161.薛定諤方程●求解過程中，需引入三個參數(shù)n、l172.波函數(shù)用空間坐標(x,y,z)來描述電子運動狀態(tài)的數(shù)學表達式原子軌道波函數(shù)空間圖象數(shù)學表達式原子軌道：特定能量的電子在核外空間出現(xiàn)最多區(qū)域。一條原子軌道是一個數(shù)學函數(shù)，很難闡述其的物理意義，它不是行星繞太陽運行的“orbit”，不是火箭的彈道，也不是電子在原子中的運動途徑，只能將其想象為特定電子在原子核外可能出現(xiàn)的某個區(qū)域的數(shù)學描述(概率)。172.波函數(shù)用空間坐標(x,y,z)來描述電子運動狀態(tài)的183.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(1)主量子數(shù)

n

(principalquantumnumber)◆

確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離和能級；◆

不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層(能級)。

1

2

3

4

5……..

KLMNO……..◆

n值越大，表示電子離核的平均距離越遠，所處狀態(tài)的能級越高。◆

n的取值1，2，3……n；

對于氫原子，電子能量唯一決定于n；183.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(1)主量子數(shù)n19(2)角量子數(shù)l(angularmomentumquantumnumber)◆

l的取值0，1，2，3……n－1；nl1234subshellsymbol0000s111p22d3fs

軌道球形p

軌道啞鈴形d軌道有兩種形狀◆確定亞層，決定ψ的原子軌道的形狀；◆對于多電子原子，與n共同確定原子軌道的能量。3.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)19(2)角量子數(shù)l(angularmomentum20主量子數(shù)(n)和角量子數(shù)(l)相同的軌道，能量相等，稱為等價軌道(equivalentorbital)或簡并軌道；(3)磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)◆

描述原子軌道在空間的伸展方向；◆m可取0，±1,±2……±l(2l+1個)；lmnumberoforbital0(s)1(p)2(d)3(f)0

＋10－1

＋2＋10－1－2

＋3＋2＋10－1－2－31357(2)角量子數(shù)l(angularmomentumquantumnumber)3.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)20主量子數(shù)(n)和角量子數(shù)(l)相同的軌道，能量相等，稱為213.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(3)磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)s軌道(l=0,m=0):m

一種取值,空間一種取向,一條s軌道.

p軌道(l=1,m=+1,0,-1)

m

三種取值,三種取向,三條等價(簡并)p軌道.213.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(3)磁量子數(shù)m22d

軌道(l=2,m=+2,+1,0,-1,-2)

m

五種取值,空間五種取向,五條等價(簡并)d軌道.3.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(3)磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)22d軌道(l=2,m=+2,+1,0,23本課程不要求記住f

軌道具體形狀!

f軌道(l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)

m七種取值,空間七種取向,七條等價(簡并)f軌道.3.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(3)磁量子數(shù)m(magneticquantumnumber)23本課程不要求記住f軌道具體形狀!f軌道(l24第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)★

原子結(jié)構(gòu)的近代概念★

多電子原子的電子分布方式和周期系★

化學鍵與分子間相互作用力★

晶體結(jié)構(gòu)1第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)★原子結(jié)構(gòu)的近代概念★多電子原子的255.1原子結(jié)構(gòu)的近代概念一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

從小家境很窮，少年時代自學，12歲在鄉(xiāng)村學校教書；自學數(shù)學、哲學、希臘文、法文和拉丁文等；27歲移居曼徹斯特，從此，這個沒有受過高等教育的人開始在大學里講授數(shù)學和哲學；1816年當選法國科學院通訊院士，1822年成為皇家學會會員；道爾頓一生大量的工作就是觀察天氣，他一生記錄了20萬條觀察記錄。1801年總結(jié)出氣體分壓定律；1803年發(fā)表化學原子論，認為元素是由非常微小的、看不見的、不可再分割的原子組成；25.1原子結(jié)構(gòu)的近代概念一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況從小26一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

1885年天然放射性1897年電子1895年X射線物理學上三大發(fā)現(xiàn)湯姆遜(Thomson，JosephJohn)(1856~1940)英國物理學家1906年諾貝爾物理學獎貝克勒爾(Becquerel，AntoineHenri，1852~1908)法國物理學家，1903年諾貝爾物理學獎倫琴(WilhelmKonradRontgen)(1854~1923)德國物理學家1901年諾貝爾物理學獎1.19世紀末物理學的三大發(fā)現(xiàn)3一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況1885年1897年1895年27一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

出生于新西蘭，畢業(yè)于新西蘭大學和劍橋大學；1898年任加拿大馬克歧爾大學物理學教授，這期間他在放射性方面的研究貢獻很多；1907年任曼徹斯特大學物理學教授；1908年因?qū)Ψ派浠瘜W的研究獲諾貝爾化學獎；1919年任劍橋大學教授，并任卡文迪許實驗室主任；1909年他指導他的兩個學生做了著名的實驗：用粒子轟擊金箔，從而提出含核原子模型：原子核帶正電，位于原子中心，電子在它的周圍旋轉(zhuǎn)，于1911年發(fā)表。2.原子的含核模型(1911年)盧瑟福(ErnestRutherford)(1871-1937)英籍新西蘭物理學家

4一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況出生于新西蘭，畢業(yè)于新西蘭大學28一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況

1911年獲哥本哈根大學博士學位后開始研究金屬中電子運動的理論；1911年進入劍橋大學和曼徹斯特大學深造，并結(jié)識了良師益友盧瑟福；玻爾大膽地把盧瑟福的模型和普朗克的量子理論結(jié)合起來，把原子只用于能量的量子概念推廣的到角動量，創(chuàng)立了量子化軌道原子結(jié)構(gòu)理論；為以后各種物理量的量子化打開了大門；1913年初，玻爾提出了他著名的原子理論，這個理論隨即被用于分析各種譜線，獲得了巨大的成功；因他對原子結(jié)構(gòu)模型的研究成果，他獲得了1922年的諾貝爾物理獎。3.原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型(1913年)玻爾

(NielH.D.Bohr)(1885-1937)丹麥物理學家4.原子結(jié)構(gòu)的波動力學方程(1926年)－薛定諤方程5一.原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展概況1911年獲哥本哈根大學博士學29二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性(1)光的波動性(2)光的微粒性(1900年)Plank公式：E=hv光的能量與頻率的關(guān)系普朗克認為,物體只能按hv的整數(shù)倍(如1,2,3等)一份一份地吸收或釋出光能,而不可能是0.5,1.6,2.3等任何非整數(shù)倍－能量量子化概念。h為普朗克常數(shù)，h=6.62610-34J·s-1普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)(1858~1947)德國物理學家1918年諾貝爾物理學獎6二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象30(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子學說：E=mc2愛因斯坦認為,入射光本身的能量也按普朗克方程量子化,并將這一份數(shù)值為1的能量叫光子(photons)。c=vhv=mc2=mcv

=h/mc

愛因斯坦(AlbertEinstein)(1879~1955)德裔美國科學家二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性1.光的波、粒二象性7(2)光的微粒性(1905年)Einstein光子學說31二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性德布羅依(L.deBroglie)法國物理學家λ=h/mv體現(xiàn)粒子波動性體現(xiàn)粒子粒子性戴維遜

(Davission)美國物理學家1927年，美國Davission和Germeer應(yīng)用Ni晶體進行電子衍射實驗，證實了電子具有波動性。8二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二32電子衍射示意圖定向電子射線晶片光柵衍射圖象L.deBroglie和

Davission等分別獲得1929年和1937年諾貝爾物理學獎二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性9電子衍射示意圖定向電子射線晶片光柵衍射圖象L.deBro33電子通過Al箔(a)和石墨(b)的衍射圖物質(zhì)波或德布羅依波★微觀粒子遵循特有的運動特征和規(guī)律，即能量的量子化、

波粒二象性和統(tǒng)計性?！锟臻g任意一點物質(zhì)波的強度與微粒出現(xiàn)的幾率密度成正比?！镂镔|(zhì)波是具有統(tǒng)計性的幾率波（概率波）。二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性10電子通過Al箔(a)和石墨(b)的衍射圖物質(zhì)波或德布羅依34核外運動的電子，已不再遵守經(jīng)典力學規(guī)律，它們的運動沒有確定的軌道，只有一定的空間幾率分布，即電子的波動性與其微粒行為的統(tǒng)計性規(guī)律相聯(lián)系。微粒的運動沒有確定的位置，只有一定的和波的強度成正比的空間幾率分布規(guī)律。波的微粒性電子微粒性的實驗Plank

的量子論Einstein

的光子學說量子力學(quantum

mechanics)二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性11核外運動的電子，已不再遵守經(jīng)典力學規(guī)律，它們的運動沒有確35二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒二象性2008年瑞典科學家首次通過飛秒激光成功拍攝到了電子運動的連貫影片。12二.微觀粒子的運動特征－波、粒二象性2.微粒的波、粒36三.波函數(shù)(Wavefunctions)

(ψ)薛定諤(E.Schrodinger)(1887-1961)奧地利物理學家1910年獲物理學博士學位后在維也納第二物理研究所工作；1921年他受聘到瑞士蘇黎士大學任數(shù)學物理學教授；1926年在德布羅依波粒二象性基礎(chǔ)上，獨立創(chuàng)立了波動力學，提出了薛定諤方程，確定了波函數(shù)的變化規(guī)律，成為波動力學的創(chuàng)始人；1927年他接替普朗克任柏林大學理論物理學教授，同年當選普魯士科學院院士；1933年，受納粹迫害，離開蘇黎士到牛津大學任物理學教授，同年和狄拉克一起榮獲諾貝爾物理獎。13三.波函數(shù)(Wavefunctions)(ψ)薛37三.波函數(shù)(Wavefunctions)

(ψ)1.薛定諤方程空間坐標核外電子總能量核外電子的勢能電子的質(zhì)量

解此方程可得：系統(tǒng)的能量E

，波函數(shù)ψ；ψ是描述電子運動狀態(tài)的數(shù)學函數(shù)式。

方程中既體現(xiàn)微粒性(m)，也體現(xiàn)波動性(ψ)；14三.波函數(shù)(Wavefunctions)(ψ)1.381.薛定諤方程(1)直角坐標(x,y,z)與球坐標(r,θ,φ)的轉(zhuǎn)換球面坐標變換rsinzxy?P(x,y,z)z=rcosθx=rsinθcosφy=rsinθsinφφθrx=rsinθcosφ

y=rsinθsinφz=rcosθ

r2=x2+y2+z2

151.薛定諤方程(1)直角坐標(x,y,z)與391.薛定諤方程●求解過程中，需引入三個參數(shù)n、l

和m。解得的ψ不是具體的數(shù)值，而是包括三個常數(shù)(n,l,m)和三個變量(r,θ,φ)

的函數(shù)式：

=n,l,m(r,,)(2)求解●

數(shù)學上可以解得多個Ψn,l,m(r,θ,φ)，但其物理意義并非都合理;有合理解的函數(shù)式叫做波函數(shù)，它們以n，l，m的合理取值為前提。●參數(shù)的取值是非連續(xù)的，n、l

和m稱為量子數(shù)。當n、l

和m

的值確定時，波函數(shù)(原子軌道)便可確定。即：每一個由一組量子數(shù)確定的波函數(shù)表示電子的一種運動狀態(tài)。161.薛定諤方程●求解過程中，需引入三個參數(shù)n、l402.波函數(shù)用空間坐標(x,y,z)來描述電子運動狀態(tài)的數(shù)學表達式原子軌道波函數(shù)空間圖象數(shù)學表達式原子軌道：特定能量的電子在核外空間出現(xiàn)最多區(qū)域。一條原子軌道是一個數(shù)學函數(shù)，很難闡述其的物理意義，它不是行星繞太陽運行的“orbit”，不是火箭的彈道，也不是電子在原子中的運動途徑，只能將其想象為特定電子在原子核外可能出現(xiàn)的某個區(qū)域的數(shù)學描述(概率)。172.波函數(shù)用空間坐標(x,y,z)來描述電子運動狀態(tài)的413.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(1)主量子數(shù)

n

(principalquantumnumber)◆

確定電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離和能級；◆

不同的n值，對應(yīng)于不同的電子層(能級)。

1

2

3

4

5……..

KLMNO……..◆

n值越大，表示電子離核的平均距離越遠，所處狀態(tài)的能級越高?！?/p>

n的取值1，2，3……n；

對于氫原子，電子能量唯一決定于n；183.描述電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)(1)主量子數(shù)n42(2)角量子數(shù)l(angularmomentumquantumnumber)◆

l的取值0，1，2，3……n－1；nl1234subshellsymbol0000s111p22d3fs

軌道球形p

軌道啞