原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项市公开课一等奖省赛课获奖课件

第二章原子光谱分析理论基础希腊原子说。1900科学发觉证实原子并非最小物质单位对应不一样元素，似乎有各种特定对应原子。原子与电磁光谱现象亲密相关。（磁性材料、绝缘体，导体，不一样原子发射光谱）只有一些特定元素才能结合。（化学键隐含原子内部结构特征）放射性，X射线，电子发觉，都说明原子在一些特定条件下能够打开。2.1原子结构原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第1页三种原子模型，三种“轨道”概念卢瑟夫行星轨道玻尔确定轨道波动力学轨道是个区域西北大学史启祯从波粒二象性到原子结构当代模型原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第2页1897年，J.J.汤姆逊(JosephJohnThomson)在研究了阴极射线后认为它是一个带负电粒子流。发觉电子。19诺贝尔奖。.史称“葡萄干布丁”模型Knowledgeofatomsin1900原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第3页ErnestRutherford(1871-1937)Rutherford,Geiger,andMarsdenconceivedanewtechniqueforinvestigatingthestructureofmatterbyscatteringaparticlesfromatoms.PlanetaryModel[19]诺贝尔化学奖，研究元素蜕变和放射性物质化学原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第4页行星模型困扰FromclassicalE&Mtheory,anacceleratedelectricchargeradiatesenergy(electromagneticradiation),whichmeansthetotalenergymustdecrease.Sotheradiusrmustdecrease!!Physicshadreachedaturningpointin1900withPlanck’shypothesisofthequantumbehaviorofradiation,soaradicalsolutionwouldbeconsideredpossible.E=hνh=6.626×10^-34焦耳*秒19诺贝尔发觉基本量子（德国普朗克）Electroncrashesintothenucleus!?原子稳定性？原子光谱连续性？原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第5页电磁波谱波粒性粒波性—波粒二象性原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第6页瑞利-金斯线

紫外灾难试验曲线原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第7页E=hν★物体不论是吸收或者放出光能,都只能以“hν”为单位,一份一份（不连续）进行。或者说，只能以“量子化”方式进行。★这一份一份能量叫“光量子”或“光子”,每个光量子能量只取决于光频率。普朗克“能量量子化”概念原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第8页19诺贝尔物理学奖取得者——普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck）德国人1858—1947发觉能量子原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第9页“这一发觉成为20世纪整个物理学研究基础,从那时候起,几乎完全决定了物理学发展.要是没有这一发觉,那就不可能建立原子、分子以及支配它们改变能量过程有用理论.而且,它还粉碎了古典力学和电动力学整个框架,并给科学提出了一项新任务:为全部物理学找出一个新概念基础.”爱因斯坦在1948年4月悼念普朗克会上,充分必定了普朗克常数发觉重大意义：原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第10页金属受到光照时发射电子现象叫“光电效应”，光照产生电子叫“光电子”。光线由一个个微粒组成,这种微粒被叫做“光子”，光线则是由光子组成微粒流。每个光子能量，就是普朗克方程中“hν”。光电效应及爱因斯坦光量子假说原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第11页★普朗克方程:光发射和吸收是量子化★光电效应:光本身也是量子化

小结:“量子化”即“不连续”！

(Discrete!)能量连续改变卢瑟夫轨道能量不连续变化确定轨道原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第12页原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第13页originofotherspectralseriesLymanPaschenBalmer原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第14页

氢原子光谱巴耳末系广义里德伯公式。

在氢原子光谱可见光区，存在一系列谱线，各根谱线波长，或者频率，或者波数满足一定

纯粹数值上相互关系：

其中v为对应谱线频率，R为里德伯常数（R=1.096776107m-1

），n取1，2，3，4，5，···时，就得到不一样频率谱线。原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第15页Bohr因其提出原子结构及原子光谱量子理论（1913）及其后对量子力学发展所作贡献，于1922年获Nobel奖

Bohr理论是原子结构理论发展中一个巨大进展。Bohr定态假设和频率条件知道今天依然有效。Bohr理论开创了原子光谱和分子光谱理论研究和试验研究新时期，使得原子和分子光谱成为研究原子和分子结构有力工具，极大地推进了原子和分子结构理论进展NielsBohr(1885-1962)原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第16页

玻尔理论基本假设19丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱分立性，提出假设：定态假设：原子系统只能处于一系列含有不连续能量稳定状态(定态)。定态时核外电子在一定轨道上作圆周运动，但不发射电磁波。原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第17页

频率条件:当原子从一个能量为En定态跃迁到另一个能量为Ek定态时，就要发射或吸收一个频率为kn光子，电子在不一样轨道间跃迁概念。En>Ek---发射光子En<Ek---吸收光子原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第18页原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第19页

量子化条件:电子在稳定圆轨道上运动时，其轨道角动量L=mvr必须等于h/2整数倍，即----约化普朗克常数----量子数原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第20页theBohratomn=1n=2n=3n=4...energylevelsofhydrogenshells/orbitsofelectronsn=2n=3n=4redbluegreenvioletN.Bohr(1913):原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第21页theBohratom–angularmomentumdeBrogliewavlength:N.Bohr(1913):standingwavecondition:angularmomentum:原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第22页theBohratom–orbitsclassicalorbitkineticenergy:a0=0.0529nm(Bohrradius)123原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第23页theBohratom–hydrogenspectrum原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第24页玻尔量子论成功与不足成功地解释了原子稳定性及氢原子光谱规律为人们认识微观世界和建立量子理论打下了基础Bohr理论是经典理论与量子理论混合物，它保留了经典确定性轨道，其次又假定量子化条件来限制电子运动。它不能解释稍微复杂问题，正是这些困难，迎来了物理学大革命。除了氢原子和类氢离子光谱以外，Bohr理论无法解释更为复杂原子谱线规律。He原子：不能计算其能级和光谱H2分子：不能处理无法处理色散现象、谱线强度、偏振等问题即使对H原子，也不能计算谱线强度Bohr理论局限性在于其在方法论方面基本上没有逃出经典理论范畴。它虽然提出了经典力学和电动力学不适用于原子内部，但当其研究电子运动状态时，却又应用了经典力学描述宏观现象所使用柱标、速度、动量和轨道等概念，并用经典力学来计算电子轨道。其次，为了说明氢光谱规律，又人为地加上量子条件来选择轨道作定态。所以，Bohr理论算不上彻底量子理论，而是经典理论与量子假设混合物。通常把Bohr和Sommerfeld建立原子结构量子理论称为旧量子理论。定态假设和频率条件原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第25页普朗克方程爱因斯坦解释＆光电效应发觉巴尔麦拟合公式＆氢原子线状光谱玻尔氢原子模型

波粒性

确定轨道模型原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第26页第二次课程5月8日上次内容回顾化学-分析化学-光谱分析-原子光谱分析原子结构---确定轨道模型(波粒性)古典原子说-原子可分—电子发觉—葡萄干—行星模型—普朗克方程—光电效应---氢原子光谱—波尔原子模型同学们反馈原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第27页一方面对于在经典物理学里认为是波光或电磁辐射，越来越显示出具有粒子属性；

其次对于在经典物理学里认为是粒子对象，如电子，原子等，开始有人认为也具有波属性，这就是德布罗意所提出德布罗意波。

原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第28页deBroglie物质波光同时含有波粒二象性deBroglie(1924)提出全部物质都含有波特征Forlight:E=hn=hc/lForparticles:E=mc2(Einstein质能方程)L.deBroglie(1892-1987)1929诺贝尔奖lforparticlesiscalledthedeBrogliewavelength

Therefore,mc=h/landforparticles(mass)x(velocity)=h/lλ=h/mv原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第29页★电子束是一个微粒流，也得到与电磁波类似衍射花纹。★衍射环算得电子束波长与德布罗意方程计算结果误差不超出1%。试验结果有力地支持德布罗意关于微粒波动性假设！电子束衍射试验1925，1927电子波动性-----戴维逊和汤姆逊将分享1937年诺贝尔奖金原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第30页刘晓静，用量子理论新方法研究电子衍射问题，第2期吉林大学学报(理学版)Vol.46

No.2

原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第31页不确定性原理W.Heisenberg1901-19761925创建矩阵力学而获1932年诺贝尔物理学奖

W.Heisenberg.1927年。不确定性原理确定电子内在属性x,运动电子位置Δx,位置不确定量

p,运动电子动量

Δp,动量不确定量原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第32页电子行踪不确定性★假如我们准确地知道电子在哪里(位置),就不能准确地知道它从哪里来,会到哪里去（动量）；反之亦然。

Δx

·Δp≥h/(4π)

Δp=Δ(mv)直接挑战玻尔“确定轨道”概念!

原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第33页ThistypeofplotshowsthatelectrondensityvariesfromplacetoplaceElectrondensityvariationsdefinetheshape,size,andorientationoforbitals(a)Adot-densitydiagramforanelectronina1sorbital.(b)Graphofprobabilityversusdistance.原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第34页

玻恩认为，尽管无法预知每个电子落在感光屏详细位置，但却表现出统计规律。暗环表示电子出现在那里概率大,亮环则表示电子出现在那里概率小。这就是说，电子显示波动性与其微粒行为统计性相关。玻恩统计解释原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第35页★电子在核外空间出现概率最大区域叫原子轨道，或叫轨道。

Orbital（轨道,轨域）Orbit

（轨道，轨道）原子轨道原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第36页德布罗意方程电子束衍射试验玻恩统计解释＆海森堡原理波动力学模型

粒波性

波动力学模型原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第37页薛定谔波动方程H—theHamiltonianoperatorisamathematicalexpressionthatdescribesordefinestheelectronintermsofitswavefunction.Eistheenergy.E.Schrodinger1887-19611926年波动方程，1933年诺贝尔物理奖原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第38页Ψn,l,m

(r,θ,φ)=……;Ψn,l,m

(r,θ,φ)=……;

波函数中常数

能造成合理物理意义取值n1，2，3，4，5等正整数l从

(n-1)到

0整数m从+l

到

-l之间正、负整数和

0三个量子数及其取值方式不是人为！原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第39页TheDeBroglierelationconnectsmodels(a)and(b)(a)Aclassicalmodeloftheelectronasabeadonawire.Anyenergyispossibleandpositionisexactlyknown.(b)Classicalmodeloftheelectronasastandingwave.(c)Quantummechanicalmodelcombines(a)and(b).Darkareasindicateprobableelectronpositions.原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第40页Theelectronenergyisquantizedbecauseitdependsontheintegern

Thelowestenergyallowedisforn=1orE=h2/8mL2

(theenergycannotbezero)原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第41页按照核外电子运动状态，可用四个量子数来描述：主量子数n：表示电子层，决定电子主要能量；1,2,3,…,n角量子数l：表示电子云形状，决定了电子绕核运动角动量；0,1,2,…,n-1(s,p,d,f…)磁量子数m：表示电子云在空间伸展方向，决定了电子绕核运动角动量沿磁场方向分量0,±1,±2,…±l，有2l+1个取向自旋量子数s：表示电子自旋，决定了自旋角动量沿磁场方向分量。电子自旋在空间取向只有两个，一个顺着磁场，一个反着磁场。s取值±1/2。原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第42页DiagonalRuletellsyoutheorderinwhichtoplace(or“build”)theelectronsinanatom

原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第43页多电子原子能态对含有多个价电子原子，因为原子内各电子间存在相互作用，这时电子运动状态须用主量子数n，总角量子数L，总自旋量子数S以及内量子数J来描述。主量子数n：总角量子数L：l矢量和总自旋量子数S：s矢量和总内量子数J：J=L+S矢量和原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第44页原子光谱项

任何一条原子光谱线都是原子外层电子从一个能级跃迁到另一个能级所产生，在光谱学中惯用光谱项表示原子所处各种能级状态，则一条谱线可用两个光谱项符号表示。光谱项符号总角量子数L谱线多重度M=2S+1主量子数n光谱支项J（个数与L,S相关）主要取决于价电子原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第45页原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第46页练习：写出镁第一激发态原子谱线光谱项。原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第47页原子光谱分析原子光谱分析理论基础原子结构及光谱项第48页光谱选择定则并非原子内全部能级之间跃迁都是能够发生，电子跃迁必须遵照一定光谱选择定则：主量子数n：主量子数改变在跃迁时不受限制；总角量子数L：ΔL=±1。S,P,D,F….相邻，即S与P之间，P与S或者D之间，D与P或者F之间跃迁是允许。内量子数J：ΔJ=0，±1但当J=0时，ΔJ=0跃迁是禁阻；总自旋量子数S：ΔS=0即不一样多重性状态之间跃迁是禁阻。即单重态只能跃迁到单重态，三重态只能跃迁到三