大学无机化学经典课件：原子结构

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第一章

原子结构和元素周期系 1.1 原子和元素

古希腊哲学家 Democritus 在公元前 5 世纪指出，每 一种物质是由一种原子构成的；原子是物质最小的、不可 再分的、永存不变的微粒。 原子 atom 一词源于希腊语， 原义是“不可再分的部分”。1

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19 世纪末和 20 世纪初，在电子、质子、放射 性等一批重大发现的基础上，建立了现代原子结构模型。 虽然人类很早就从自然现象中了解了电的性质， 但对电的本质认识是从 18 世纪末叶对真空放电技术的研 究开始的。

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1879 年，英国物理学家 W.Crookes 发现了阴极射线。

随后，在 1897 年英国物理学家 J. J. Thomson 进行了测定阴极射线荷质比的低压气体放电实验，证实阴极射线就是

带负电荷的电子流，并得到电子的荷质比e∕m = 1.7588×108 C g-1。 1909年美国科学家 R. A. Millikan 通过他的有名的油 滴实验，测出了一个电子的电量为 1.602×10-19 C,通过 电子的荷质比得到电子的质量 m = 9.11×10-28 g。3

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放射性的发现是 19 世纪末自然科学的另一重大发现。

1895 年德国的物理学家 W. C. Rongen 首先发现了 X-射线。这种射线最初是由真空放电管中高能量的阴极射线撞 击玻璃管壁而产生的，用高速电子流轰击阳极靶也可产生 X射线。X-射线能穿过一定厚度的物质，能使荧光物质发 光，感光材料感光，空气电离等。 1896 年法国物理学家 A. H. Becquerel 对几十种荧光 物质进行实验，意外地发现了铀的化合物放射出一种新型 射线。法国化学家 M. S. Curie以铀的放射性为基础进行

研究，陆续发现了放射性元素镭、钋等，发现了放射过程中的α 粒子、β 粒子和γ 射线。4

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1911 年，Rutherford 根据α粒子散射的实验，提出了

新的原子模型，称为原子行星模型或核型原子模型。

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英国物理学家 G. J. Mosley 在 1913 年证实了原子核

的正电荷数等于核外电子数，也等于该原子在元素周期表中的原子序数。 虽然早在 1886 年德国科学家 E. Goldstein 在高压放 电实验中发现了带正电粒子的射线，直到 1920 年人们才

将带正电荷的氢原子核称为质子。 1932 年英国物理学家 J. Chadwick 进一步发现穿透性很强但不带电荷的粒子流，即中子。后来在雾室中证明， 中子也是原子核的组成粒子之一。由此，才真正形成了经 典的原子模型。6

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氢原子光谱和玻尔模型 Na光谱所有波长

红

橙

黄 绿

青 蓝

紫7

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氢原子光谱的特点是在可见区有四条比较明显的谱线，通常用 H ,H ,H ,H 来表示

氢原子的线状光谱

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任何原子被激发时，都可以给出原子光谱，而且每种原子都有自己的特征光谱。这使人们意识到原子光谱与原

子结构之间势必存在

着一定的关系。当人们试图利用Rutherford 的有核原子模型从理论上解释氢原子光谱时，

这一原子模型受到了强烈的挑战。1913 年，丹麦物理学家 Bohr 提出了新的原子结构理 论，解释了当时的氢原子线状光谱，既说明了谱线产生的 原因，也说明了谱线的波数所表现出的规律性。10

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1900 年，德国科学家 Planck 提出了著名的量子论。

Planck 认为在微观领域能量是不连续的，物质吸收或放出的能量总是一个最小的能量单位的整倍数。这个最小的

能量单位称为能量子。1905 年瑞士科学家 Einstein 在解释光电效应时，提 出了光子论。Einstein 认为能量以光的形式传播时，其最

小单位称为光量子，也叫光子。光子能量的大小与光的频率成正比

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E = h 式中 E 为光子的能量， 为光子的频率，h 为 Planck

常数，其值为 6.626 10-34 J s。物质以光的形式吸收或放出的能量只能是光量子能量的整数倍。 电量的最小单位是一个电子的电量。 电量是量子化的。量子化是微观领域的重要特征，后面我

我们将以上的说法概括为一句话，在微观领域中能量、

们还将了解到更多的量子化的物理量。12

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1913 年丹麦科学家 Bohr 在 Planck 量子论、 Einstein光子论和 Rutherford 有核原子模型的 基础上，提出了新的原子结构理论，即著名的 Bohr 理论。

Bohr 理论认为，核外电子在特定的原子轨道上运动， 轨道具有固定的能量 E。Bohr 计算了氢原子的原子轨道

的能量，结果如下

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13.6 E=n2

eV

式中 eV 是微观领域常用的能量单位，等于 1 个电子的电 量 1.602 10-19 C 与 1 V 电势差的乘积，其数值为 1.602

10-19 J。随着 n 的增加，电子离核越远，电子的能量以量子化 的方式不断增加。当 n → ∞ 时，电子离核无限远，成为

自由电子，脱离原子核的作用，能量 E = 0。

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Bohr 理论认为，电子在轨道上绕核运动时，并不放出能量。因此，在通常的条件下氢原子是不会发光的。同 时氢原子也不会因为电子坠入原子核而自行毁灭。电子所 在的原子轨道离核越远，其能量越大。 原子中的各电子尽可能在离核最近的轨道上运动，即 原子处于基态。受到外界能量激发时电子可以跃迁到离核

较远的能量较高的轨道上，这时原子和电子处于激发态。处于激发态的电子不稳定，可以跃迁回低能量的轨道上，

并以光子形式放出能量，光的频率决定于轨道的能量之差：h = E2 – E1 或 v = (E2 - E1) / h15

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玻尔提出的三点假设：

1)稳定轨道的概念2) 电子在离核越远的轨道上运 动，能量越大

3) 处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上同时释放出光能