西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 1 第 1 章 原子结构和元素周期表 Chapter 1 Atomic Structure and Periodic Table of Elements 教学要求 1． 初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函 数）和电子云概念。 2． 熟悉四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范 围； 3． 熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向； 4． 理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和 s、p、d、f 区 元素的原子结构特点； 5． 会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电离能、电子亲合能和电负 性的周期性变化。 课时分配（8 学时） 1．原子结构理论的发展和亚原子粒子（3 学时） 微观粒子的波粒二象性： 玻尔模型 波动力学模型 2．原子轨道概念的图形描述及四个量子数（3 学时） 对核外电子运动状态的描述 3．周期表与原子结构（2 学时） 原子参数 1.1 亚原子粒子 化学是一门发展极为迅速而其信息量又十分巨大的学科。就化学研究的对象，可分为下 面的各个层次： 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 （宇观） 宇宙 单质 化合物 星体 宏观 纳 米 材料 （介观） 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 （宇观） 宇宙 单质 化合物 星体 宏观 纳 米 材料 （介观）
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 1 第 1 章 原子结构和元素周期表 Chapter 1 Atomic Structure and Periodic Table of Elements 教学要求 1． 初步了解原子核外电子运动的近代概念、原子能级、波粒二象性、原子轨道（波函 数）和电子云概念。 2． 熟悉四个量子数对核外电子运动状态的描述，掌握四个量子数的物理意义、取值范 围； 3． 熟悉 s、p、d 原子轨道的形状和方向； 4． 理解原子结构的近似能级图，掌握原子核外电子排布的一般规则和 s、p、d、f 区 元素的原子结构特点； 5． 会从原子的电子层结构了解元素性质，熟悉原子半径、电离能、电子亲合能和电负 性的周期性变化。 课时分配（8 学时） 1．原子结构理论的发展和亚原子粒子（3 学时） 微观粒子的波粒二象性： 玻尔模型 波动力学模型 2．原子轨道概念的图形描述及四个量子数（3 学时） 对核外电子运动状态的描述 3．周期表与原子结构（2 学时） 原子参数 1.1 亚原子粒子 化学是一门发展极为迅速而其信息量又十分巨大的学科。就化学研究的对象，可分为下 面的各个层次： 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 （宇观） 宇宙 单质 化合物 星体 宏观 纳 米 材料 （介观） 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 夸克 质子 中子 原子核 电子 原子 (离子) 分子 微观 （宇观） 宇宙 单质 化合物 星体 宏观 纳 米 材料 （介观）
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 2 夸克 1963 年美国科学家盖尔曼提出质子和中子是由夸克组成的假说，在此基础上日本小林 和益川教授又于 1973 年提出完整的夸克模型。夸克共有以下 6 类： 名 称 下夸克 上夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克 符 号 d U S C b t 电 荷 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 质 量 约为质子的 1/100 或 1/200 质子 200 倍 发现年代 1974 1977 1995 顶夸克是 6 类夸克中最后发现的一类。1994 年 4 月 26 日发布顶夸克可能存在的实验证 据，1995 年 3 月 2 日宣布发现顶夸克。 （这里要讲一下化学的任务） 原子结构理论的发展 （目的是让学生从中学的概念有个过度） 原子学说的萌芽（公元前 500 年，墨翟“非半不斫则不动，说在端”） 定量的定律（定比、倍比定律等）的发现。 原子学说（1803 年，Dalton，美国的一位中学教师，恩格斯说“化学的新世纪开始于原子学说”） 阴极射线，放射性现象等的发现。 原子“侵入模型”（Thomson,1897 年发现电子并测定 e/m 比，28 岁开始领导剑桥大学 Cavendish 实 验室，1906 年获 Nobel 奖） α质点散射现象（Geiger、Marsden，1911 年在曼彻斯特大学完成） 原子的“行星式模型”（1911 年，Rutherford 成功地解释了α散射现象。1908 年获 Nobel 奖） 氢原子光谱 Moseley 定律（金属的阳极产生的 X-射线的 λ 1 -Z 成直线关系） Plank 量子论（quanfize 量子化） Einstein 光子学说（E=hv） 玻尔理论（1913 年，Bohr.N.曾就读于 Thomson、Rutherford，1922 年获 Nobel 物理奖） 精细原子光谱 宋麦非尔理论（椭圆形轨道） de Broglie 波（1924 年法国， mv h λ = ） 晶体衍射实验（1927 年，Davisson t Germer） 波动力学（Wave mechanics）：讨论微粒波动性的科学 量子学理论（1926 年，Schrodinger E） 从上面我们可以看出： 1．科学家要有敏锐的观察力，一代要比一代强；
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 2 夸克 1963 年美国科学家盖尔曼提出质子和中子是由夸克组成的假说，在此基础上日本小林 和益川教授又于 1973 年提出完整的夸克模型。夸克共有以下 6 类： 名 称 下夸克 上夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克 符 号 d U S C b t 电 荷 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 质 量 约为质子的 1/100 或 1/200 质子 200 倍 发现年代 1974 1977 1995 顶夸克是 6 类夸克中最后发现的一类。1994 年 4 月 26 日发布顶夸克可能存在的实验证 据，1995 年 3 月 2 日宣布发现顶夸克。 （这里要讲一下化学的任务） 原子结构理论的发展 （目的是让学生从中学的概念有个过度） 原子学说的萌芽（公元前 500 年，墨翟“非半不斫则不动，说在端”） 定量的定律（定比、倍比定律等）的发现。 原子学说（1803 年，Dalton，美国的一位中学教师，恩格斯说“化学的新世纪开始于原子学说”） 阴极射线，放射性现象等的发现。 原子“侵入模型”（Thomson,1897 年发现电子并测定 e/m 比，28 岁开始领导剑桥大学 Cavendish 实 验室，1906 年获 Nobel 奖） α质点散射现象（Geiger、Marsden，1911 年在曼彻斯特大学完成） 原子的“行星式模型”（1911 年，Rutherford 成功地解释了α散射现象。1908 年获 Nobel 奖） 氢原子光谱 Moseley 定律（金属的阳极产生的 X-射线的 λ 1 -Z 成直线关系） Plank 量子论（quanfize 量子化） Einstein 光子学说（E=hv） 玻尔理论（1913 年，Bohr.N.曾就读于 Thomson、Rutherford，1922 年获 Nobel 物理奖） 精细原子光谱 宋麦非尔理论（椭圆形轨道） de Broglie 波（1924 年法国， mv h λ = ） 晶体衍射实验（1927 年，Davisson t Germer） 波动力学（Wave mechanics）：讨论微粒波动性的科学 量子学理论（1926 年，Schrodinger E） 从上面我们可以看出： 1．科学家要有敏锐的观察力，一代要比一代强；
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 3 2．每一次的理论发展都要有一次技术的发展为前提； 3. 究的层次在逐步深入，新的更小的微粒的发现，人们认识的层次也在不断提高。 亚原子粒子（Subatomic particles） 亚原子粒子叫基本粒子（elementary particle）：泛指比原子核为小的物质单元。包括电 子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中发现的一系列粒子。已经发现的 基本粒子有 30 余种（参见下页“基本粒子表”，连同共振态共有三百余种。每一种基本粒子 都有确定的质量、电荷、自旋、平均寿命等；它们多数是不稳定的，在经历一定平均寿命后 转化为别种基本粒子。基本粒子有的是中性的，有的带正电或负电，电量大小与电子相同。 它们质量的大小有很大差别。一般可按其质量大小及其他性质的差异而把基本粒子分为光 子、轻子、介子、重子（包括核子、超子）四类。许多基本粒子都有对应的*反粒子。基本 粒子之间存在着强弱不同的*相互作用，并且按一定方式相互转化。物质是无限可分的。基 本粒子的要领是随着人们对物质结构认识的进展而不断发展的，不能把它看作物质最后的、 最简单的组成单元，实验结果已经显示基本粒子也还有其内部的结构。关于基本粒子的内部 结构，理论上有各种模型和预测，有待于进一步研究。 基本粒子表 分类 名称 符号 静止质量 （以 MeV 为 单位） 自旋 (以 h 为 单位） 电荷 （以电子 电荷|e| 为单位） 平均寿命 （秒） 光子 光子 γ 0(<7×10-22) 1 0 稳定 0(<60eV) 1/2 0 稳定 s s v v 0(<60eV) 1/2 0 稳定 0(<0.65) 1/2 0 稳定 中微子 µ µ v v 0(<0.65) 1/2 0 稳定 电子 e - 0.511003 1/2 -1 稳定(>5×1021年) 正电子 e+ 0.511003 1/2 +1 稳定(>5×1021年) 105.6595 1/2 -1 2.1971×10-6 轻 子 µ 子 + − µ µ 105.6595 1/2 +1 2.1971×10-6 134.965 0 0 0.83×10-16 139.569 0 +1 2.603×10-8 π 介子 − + π π π0 139.569 0 -1 2.603×10-8 493.71 0 +1 1.2371×10-8 493.71 0 -1 1.2371×10-8 497.7 0 0 0.893×10-10 K 介子 − + 0 0 0 L S K K K K K 497.7 0 0 5.181×10-8 介 子 η 介子 η 548.8 0 0 2.52×10-19 质子 p 938.28 1/2 +1 稳定(>2×1030年) 反质子 p 938.28 1/2 -1 稳定(>2×1030年) 中子 n 939.573 1/2 0 918 反中子 n 939.573 1/2 0 918 Λ 超子 Λ 1115.6 1/2 0 2.578×10-10 反 Λ 超子 Λ 1115.6 1/2 0 2.578×10-10 1189.37 1/2 +1 0.800×10-10 1192.47 1/2 0 <1.0×10-14 重 ∑ 超子 ∑ ∑ ∑ − + 0 1197.35 1/2 -1 1.48×10-10
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 3 2．每一次的理论发展都要有一次技术的发展为前提； 3. 究的层次在逐步深入，新的更小的微粒的发现，人们认识的层次也在不断提高。 亚原子粒子（Subatomic particles） 亚原子粒子叫基本粒子（elementary particle）：泛指比原子核为小的物质单元。包括电 子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中发现的一系列粒子。已经发现的 基本粒子有 30 余种（参见下页“基本粒子表”，连同共振态共有三百余种。每一种基本粒子 都有确定的质量、电荷、自旋、平均寿命等；它们多数是不稳定的，在经历一定平均寿命后 转化为别种基本粒子。基本粒子有的是中性的，有的带正电或负电，电量大小与电子相同。 它们质量的大小有很大差别。一般可按其质量大小及其他性质的差异而把基本粒子分为光 子、轻子、介子、重子（包括核子、超子）四类。许多基本粒子都有对应的*反粒子。基本 粒子之间存在着强弱不同的*相互作用，并且按一定方式相互转化。物质是无限可分的。基 本粒子的要领是随着人们对物质结构认识的进展而不断发展的，不能把它看作物质最后的、 最简单的组成单元，实验结果已经显示基本粒子也还有其内部的结构。关于基本粒子的内部 结构，理论上有各种模型和预测，有待于进一步研究。 基本粒子表 分类 名称 符号 静止质量 （以 MeV 为 单位） 自旋 (以 h 为 单位） 电荷 （以电子 电荷|e| 为单位） 平均寿命 （秒） 光子 光子 γ 0(<7×10-22) 1 0 稳定 0(<60eV) 1/2 0 稳定 s s v v 0(<60eV) 1/2 0 稳定 0(<0.65) 1/2 0 稳定 中微子 µ µ v v 0(<0.65) 1/2 0 稳定 电子 e - 0.511003 1/2 -1 稳定(>5×1021年) 正电子 e+ 0.511003 1/2 +1 稳定(>5×1021年) 105.6595 1/2 -1 2.1971×10-6 轻 子 µ 子 + − µ µ 105.6595 1/2 +1 2.1971×10-6 134.965 0 0 0.83×10-16 139.569 0 +1 2.603×10-8 π 介子 − + π π π0 139.569 0 -1 2.603×10-8 493.71 0 +1 1.2371×10-8 493.71 0 -1 1.2371×10-8 497.7 0 0 0.893×10-10 K 介子 − + 0 0 0 L S K K K K K 497.7 0 0 5.181×10-8 介 子 η 介子 η 548.8 0 0 2.52×10-19 质子 p 938.28 1/2 +1 稳定(>2×1030年) 反质子 p 938.28 1/2 -1 稳定(>2×1030年) 中子 n 939.573 1/2 0 918 反中子 n 939.573 1/2 0 918 Λ 超子 Λ 1115.6 1/2 0 2.578×10-10 反 Λ 超子 Λ 1115.6 1/2 0 2.578×10-10 1189.37 1/2 +1 0.800×10-10 1192.47 1/2 0 <1.0×10-14 重 ∑ 超子 ∑ ∑ ∑ − + 0 1197.35 1/2 -1 1.48×10-10
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 4 1189.37 1/2 -1 0.800×10-10 1192.47 1/2 0 <1.0×10-14 反 ∑ 超子 ∑ ∑ ∑ + − 0 1197.35 1/2 +1 1.48×10-10 1314.9 1/2 0 3×10-10 E 超子 + E E0 1321.3 1/2 -1 1.65×10-10 1314.9 1/2 0 3×10-10 反 E 超子 + E E 0 1321.3 1/2 +1 1.65×10-10 子 Ω 超子 1672.2 3/2 -1 1.3×10-10 1.2 波粒二象性 — 赖以建立现代模型的量子力学概念 波粒二象性（wave-particle duality） 波的微粒性： （1）Plank 公式：E=hv，提出能量量子化的概念（微观世界有些物理量只能以最小单 位或最小单位的整倍数变化） （2）Einstein 的光子学说（1905.photons；临界频率、光电效应 P5.Fig.1.2） （3）电子的微粒性 微粒的波动性 （4）de Broglie 波（P6,Fig.1.3） 德布罗依（de brolie L V，1892-1987）法国理论物理学家，最初从巴黎大学获得历史学学士学位。他 曾说道，“通过历史学考试后，我感到我对哲学和科学更感兴趣。”后来他转到巴黎大学并获理学博士学位。 他一生经历的大部分时间都奉献于教育事业。曾任巴黎大学教授，法兰西科学院院士，英国皇家学会会员， 美国全国科学院院士。1924 年首先把光具有“波粒二象性”的概念加以推广，提出微观粒子同时具有波动 性，称这种波为“物质波”，即德布罗依波，并建议用电子在晶体上的衍射来验证。1927 年物理学家戴维 逊和盖革首先用慢电子进行电子衍射实验，同时乔治、佩吉特、汤姆逊也独立用快电子完成了类似实验， 从而证实了德布罗依的预言。1929 年因其在电子的波动性质方面的工作而荣膺诺贝尔物理学奖。他的理论 工作奠定了电子显微镜和电子衍射技术基础。著有《量子理论》、《波动力学的研究导论》、《光的一种新理 论》、《波动力学的新解释》等。 Question 1：为什么说微观粒子有波粒二象性，而宏观粒子不具有波粒二象性？ 对电子：其粒子性已知，求其波长： m=9.10×10-31kg，电场加速下，v=106 ~107 m·s -1 由 mv h λ = = ⋅ = × = ⋅ = × − − − − 10 m s , 7.36 10 m 10 m s , 7.36 10 m 7 1 9 6 1 10 λ λ 时 时 v v 这些波长都在 X 射线的波长范围内，通过晶体粉末时能产生衍射，得到衍射图象。 宏观物质的质量大，v 小，λ 就小；如对 10-7kg 的物体： v=10m·s -1，则λ =6.626×10-28 m。 没有任何仪器能够测出这样短的波长。 一些运动粒子的波长 物体粒子 m/kg v/m·s -1 λ /pm
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 4 1189.37 1/2 -1 0.800×10-10 1192.47 1/2 0 <1.0×10-14 反 ∑ 超子 ∑ ∑ ∑ + − 0 1197.35 1/2 +1 1.48×10-10 1314.9 1/2 0 3×10-10 E 超子 + E E0 1321.3 1/2 -1 1.65×10-10 1314.9 1/2 0 3×10-10 反 E 超子 + E E 0 1321.3 1/2 +1 1.65×10-10 子 Ω 超子 1672.2 3/2 -1 1.3×10-10 1.2 波粒二象性 — 赖以建立现代模型的量子力学概念 波粒二象性（wave-particle duality） 波的微粒性： （1）Plank 公式：E=hv，提出能量量子化的概念（微观世界有些物理量只能以最小单 位或最小单位的整倍数变化） （2）Einstein 的光子学说（1905.photons；临界频率、光电效应 P5.Fig.1.2） （3）电子的微粒性 微粒的波动性 （4）de Broglie 波（P6,Fig.1.3） 德布罗依（de brolie L V，1892-1987）法国理论物理学家，最初从巴黎大学获得历史学学士学位。他 曾说道，“通过历史学考试后，我感到我对哲学和科学更感兴趣。”后来他转到巴黎大学并获理学博士学位。 他一生经历的大部分时间都奉献于教育事业。曾任巴黎大学教授，法兰西科学院院士，英国皇家学会会员， 美国全国科学院院士。1924 年首先把光具有“波粒二象性”的概念加以推广，提出微观粒子同时具有波动 性，称这种波为“物质波”，即德布罗依波，并建议用电子在晶体上的衍射来验证。1927 年物理学家戴维 逊和盖革首先用慢电子进行电子衍射实验，同时乔治、佩吉特、汤姆逊也独立用快电子完成了类似实验， 从而证实了德布罗依的预言。1929 年因其在电子的波动性质方面的工作而荣膺诺贝尔物理学奖。他的理论 工作奠定了电子显微镜和电子衍射技术基础。著有《量子理论》、《波动力学的研究导论》、《光的一种新理 论》、《波动力学的新解释》等。 Question 1：为什么说微观粒子有波粒二象性，而宏观粒子不具有波粒二象性？ 对电子：其粒子性已知，求其波长： m=9.10×10-31kg，电场加速下，v=106 ~107 m·s -1 由 mv h λ = = ⋅ = × = ⋅ = × − − − − 10 m s , 7.36 10 m 10 m s , 7.36 10 m 7 1 9 6 1 10 λ λ 时 时 v v 这些波长都在 X 射线的波长范围内，通过晶体粉末时能产生衍射，得到衍射图象。 宏观物质的质量大，v 小，λ 就小；如对 10-7kg 的物体： v=10m·s -1，则λ =6.626×10-28 m。 没有任何仪器能够测出这样短的波长。 一些运动粒子的波长 物体粒子 m/kg v/m·s -1 λ /pm
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 5 1V 电子 9.1×10-31 5.9×105 1 200 10 000V 电子 9.1×10-31 5.9×107 12 垒 球 2.0×10-1 30 1.1×10-22 枪 弹 1.0×10-2 1.0×103 6.6×10-23 从这里可以看出 h 的重要性，h 是个很小的值，m 接近于 h 时，λ 不能忽略；当 m>>h 时，因λ 很小，波动性失去了意义。 波粒二象性对化学的重要性在于：玻尔以波的微粒性（即能量量 子化概念）为基础建立了他的氢原子模型；薛定锷等以微粒波动性为 基础建立起原子的波动力学模型。 薛定谔（Schrodinger E, 1887-1961）奥地利物理学家，量子力学奠基人之一。出生于维也纳，并受教 于维也纳大学。历任德国、波兰和瑞士几所大学教授。自 1940 年 1956 年在爱尔兰都柏林高等研究院任教 授。其主要工作在数学物理学，特别是在原子物理学方面。在德布罗依的物质波理论的基础上，建立了波 动力学。由他所建立的薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子（如电子等）运动状态的基本定律，在粒子 运动速度远小于光速的的条件下适用。它在量子力学中的地位大致相似于牛顿运动定律在经典力学中的地 位。因发展了原子理论，于 1933 年与狄拉克共获诺贝尔物理学奖。1944 年薛氏著有一部极有影响的著作 ——《生命是什么？》。 1.3 波尔模型（P19-P21） （1）连续光谱和线状光谱 a．光和电磁辐射 见图 1.1 b．氢原子光谱 见图 1.5 氢原子光谱特征：不连续的，线状的；有规律 Th l t ti
西北大学精品课程·重点课程·学科核心课程 - 无机化学与化学分析 5 1V 电子 9.1×10-31 5.9×105 1 200 10 000V 电子 9.1×10-31 5.9×107 12 垒 球 2.0×10-1 30 1.1×10-22 枪 弹 1.0×10-2 1.0×103 6.6×10-23 从这里可以看出 h 的重要性，h 是个很小的值，m 接近于 h 时，λ 不能忽略；当 m>>h 时，因λ 很小，波动性失去了意义。 波粒二象性对化学的重要性在于：玻尔以波的微粒性（即能量量 子化概念）为基础建立了他的氢原子模型；薛定锷等以微粒波动性为 基础建立起原子的波动力学模型。 薛定谔（Schrodinger E, 1887-1961）奥地利物理学家，量子力学奠基人之一。出生于维也纳，并受教 于维也纳大学。历任德国、波兰和瑞士几所大学教授。自 1940 年 1956 年在爱尔兰都柏林高等研究院任教 授。其主要工作在数学物理学，特别是在原子物理学方面。在德布罗依的物质波理论的基础上，建立了波 动力学。由他所建立的薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子（如电子等）运动状态的基本定律，在粒子 运动速度远小于光速的的条件下适用。它在量子力学中的地位大致相似于牛顿运动定律在经典力学中的地 位。因发展了原子理论，于 1933 年与狄拉克共获诺贝尔物理学奖。1944 年薛氏著有一部极有影响的著作 ——《生命是什么？》。 1.3 波尔模型（P19-P21） （1）连续光谱和线状光谱 a．光和电磁辐射 见图 1.1 b．氢原子光谱 见图 1.5 氢原子光谱特征：不连续的，线状的；有规律 Th l t ti