元素性质与原子结构的理论发展.ppt

1、1,元素性質與原子結構的理論發展,台中市惠文中學 學生姓名： 學號： 授課教師：張小琪 老師,2,前言,今天的課程，請先將你所學過的化學知識暫時放在一旁，跟著講義的內容，進入化學原子結構發展的主題因果關係脈絡之中。,3,討論內容,物質的基本組成粒子 原子與分子 元素週期如何發現 週期表 原子的基本組成粒子 電子、質子與中子 原子內電子的運動方式 古典力學與量子力學,4,一、物質的基本組成粒子原子與分子,5,這些東西是由什麼構成的?,長久以來，人們就對自然界的事物感到好奇，試圖瞭解大自然，並存在很多的想像空間。,6,組成物體的物質,對於物質連續分割下去，也有不同的想法 物質可以無窮分割，因為物質

2、是連續的？ 物質不可以無窮分割，因為有最小顆粒來組成？,看不見囉,7,物質由微小粒子組成 (德謨克利特, BC 460-370年),物質不可以無窮分割，因為有最小顆粒來組成。 古希臘的德謨克利特說：物質是由微小粒子原子組成的。,Democritus (BC 460-370),8,莊子的對物質的觀點（莊子,西元前365290年）,物質可以無窮分割，因為物質是連續的？ 公元前五世紀的中國哲學家莊子，也曾認為物質是由原子微粒構成的，提出了物質可無限的分割。 他在莊子、天下篇中寫到一尺之捶，日取其半，萬世不竭。 即拿一根長木棍，先一分為二，在二分為四，後四分為八，如此下去，這樣木棍就可以永無止境的分割

3、下去。,莊周 （西元前365290年）,9,物質由四種微小粒子組成 (亞里斯多德, BC 384-322）,如果是粒子構成，這些粒子是相同還是不同粒子呢？ 古希臘的亞里斯多德認為構成世界的組成是由不同元素與性質： 四種元素水、土、火、氣 ， 四種性質冷、熱、乾、濕。,Aristotle ( BC 384-322）,10,亞里斯多德學派的四種元素說,亞里斯多德學派的貳彌修斯舉例：注視一段綠枝在煙囪裡燃燒的情形，你就會立即分辨它分解得到的一些組成，亦即四元素（土、水、氣、火），於是我們知道木頭和其他的結合物是由這四種元素混合而成的。火焰發光表示其中有火；從煙囪頂部逸出煙霧，它迅速消散於空氣之中，就

4、像河水入海，而失去自身，這足以表明它屬於那種（氣），並附歸於其中；水在燒著的木頭兩端鼓泡並嘶嘶作響（含有水），以其獨有的形式展現自己，這一點也不出乎我們的意料之外；而灰燼具有重量，不可然性和乾性，毫無疑問它們屬土元素。 （教材取自波以耳原著懷疑的化學家之中譯本內容，所提到亞里斯多德學派的粒子觀點）,11,物質由多種元素組成,直到西元1655年， 波以耳相信古希臘的德謨克利特說法，並為此進行了一連串的實驗。而大膽提出了元素學說，並反駁亞里斯多德學派的四種元素與四種性質說的粒子觀點。,Robert Boyle (1627-1691）,12,波以耳提出純淨物質的元素說（1655）,波以耳以實驗方法反

5、駁亞里斯多德學派的粒子觀點。 波以耳說：我指的元素應當是某些不由任何其他物質所構成的原始的和簡單的物質，或完全純淨的物質，是具有一定確定的、實在的、可察覺到的實物，他們應該是用一般化學方法不能再分解為更簡單的某些實物。,13,拉瓦錫(1775)實驗後提出33種可信元素,拉瓦錫指出“化學元素是化學分析所達到的真正終點”。 他把自己知道的33種可信元素列成一張表。,Lavoisier Element,14,拉瓦錫提出燃燒物質的氧化理論取代燃素說(1775),直到1775年，法國化學家32歲的拉瓦錫，通過長期的嚴格實驗，發現一種助燃住呼吸的氣體，而且許多酸都是由空氣中的這種助燃成分與金屬物質結合而成

6、的。就是我們今天說的氧氣，氧的元素符號“O”，就是取自希臘文酸素Oxygen的第一個字母。,Antoine Lavoisier(1743-1794),15,質量守恆定律 (1789),在西元1789年，法國的拉瓦錫經由一連串的化學實驗，得知無論物質經過何種化學變化反應前後各物質質量總和與反應後各物質質量總和相等，這就是“質量守恆定律”。 例如： 點火 氫(8克) 氧(64克) 水(72克),16,定比定律(1799),在西元1799 年， 法國化學家普勞斯特發現定比定律，它說“兩種或兩種以上的元素化合成一種化合物時，其重量比是一定的”。 加熱 碳酸鈣(200克) 灰石(112克) 二氧化碳(8

7、8克) 加熱 碳(24) 氧(64) 二氧化碳(88克) 例如上式中，碳加氧燃燒生成的二氧化碳和碳酸鈣加熱分解得的二氧化碳，分析兩者的二氧化碳組成發現，碳和氧之間有相同的質量比。,Joseph-Louis Proust (AC 1754 - 1826 ）,17,倍比定律(1800),在西元1800年，英國科學家戴維發現倍比定律，它說當兩種元素能互相化合，生成兩種或兩種以上化合物時，若其中一種元素的重量固定，則另一元素在各化合物中的相對重量，與它成簡單整數的倍數比。,例如： 加熱 碳(24) 氧(64) 二氧化碳(88克) 加熱 碳(24) 氧(32) 一氧化碳(56克),Humphry Dav

8、y （17781829）,18,定比定律與倍比定律相對應關係表,19,道耳吞提出原子假說(1803),英國的道耳吞結合質量守恆定律與定比定律於1803年提出原子學說，主要概念如下： 1.一切的物質都由原子所組成。原子是最基本的粒子，且不分割。 2.相同元素的原子，具有相同的質量及性質。不同的元素的原子，質量和性質不同。 3.不同元素的原子，能以簡單的整數比，結合成化合物。 4.原子不能再分割，只能以整個原子相結合。故化學變化就是原子的重新排列和組合。,John Dalton (17661844),20,氣體反應體積定律(1808),在西元1808 年，法國的給呂薩克的氣體反應體積定律在定溫、定

9、壓下反應氣體的體積之間有一定的簡單整數比。 氫氣(1升) 氯氣(1升) 氯化氫(2升) 氫氣(2升) 氧氣(1升) 水蒸氣(2升),Joseph Louis Gay-Lussac （17781850）,21,道耳吞原子學說不能解釋給呂薩克的氣體反應體積定律,氫氣(2升) 氧氣(1升) 水蒸氣(2升),以此圖示可解釋反應體積比應該是2：1：2，但是原子被分割違反道耳吞原子學說。,依原子說來推論此反應體積比應該是2：1：1，但不符合實驗結果 2：1：2。,22,亞佛加厥分子說(1811),在西元1811 年，義大利化學家亞佛加厥，將道耳吞的“原子學說”和給呂薩克的“氣體反應體積定律”結合，指出分子

10、是由原子組成的小球，確立為“原子分子說”。,Amedeo Avogadro （1776-1856),23,原子說 被 分子說 取代,由道耳吞原子說只說明氫氣是由氫原子構成；氧氣是由氧原子構成；氯氣是由氯原子構成；而氫原子和氧原子能化合成水；氫原子和氯原子則化合成氯化氫。 但不瞭解水分子究竟含有幾個氫原子與氧原子，氯化氫分子含有幾個氫原子與氯原子 ;也不知道氫氣、氧氣或氯氣的分子由幾個原子所構成。,24,亞佛加厥分子說可以解釋給呂薩克的氣體反應體積定律,氫氣(2升) 氧氣(1升) 水蒸氣(2升),將原子概念以分子取代後，此圖示可以解釋體積比是2：1：1，因此道耳吞原子說被亞佛加厥分子說取代。,2

11、5,亞佛加厥並提出現今所說的亞佛加厥定律,亞佛加厥並說同溫，同壓時，同體積的任何氣體具有相同的分子數（亞佛加厥定律）。,26,基本定律提出年代與發展程序圖,27,道耳吞原子說觀念和今日原子觀念比較表,28,元素的週期如何發現,發現各種元素 進行相似性分類 發現週期性,29,二、元素週期如何發現週期表,30,拉瓦錫(1775)實驗後提出三十三種可信元素,拉瓦錫指出“化學元素是化學分析所達到的真正終點”。 他把自己知道的三十三種可信元素列成一張表。,Lavoisier Element,31,道耳吞的原子量表,西元1803年，道耳吞以氫為基準， 列出了化學史上的第一張 六種簡單原子和 十五種化合物原

12、子的原子量表。,32,德貝賴納的三元素組,西元1829年，人們探知的元素達到五十四種。此時德國科學家德貝賴納首先選出元素中的十五種，按類似性分為五組，提出了“三元素組”假設。 他認為一組中的三個元素，不僅物質相似，而且原子量的大小也有規律。 即中間元素的原子量等於前後兩個元素原子量的算數平均數。,Johann Wolfgang Dobereiner （1780-1849）,三元素組,33,尚古多的元素關係螺旋圖,西元1862年，法國科學家尚古多，對元素間內在關係的深入探索，繪製出了他的元素關係螺旋圖，首先暗示出元素週期的概念。,Alexandre-Emile Bguyer de Chancou

13、rtois (1820-1886 ),底圖為 元素關係螺旋圖,34,邁爾的六元素表,西元1864年，德國化學家邁爾，又進一步把彼此相關的表現成族的六個元素聯繫起來，建立“六元素表 ”。,Julius Lothar Meyer ( (18301895),六元素表,35,紐藍茲的八音律,西元1865年，英國化學家紐藍茲把當時已知的元素按原子量大小的順序進行排列，發現無論從哪一個元素算起，每到第八個元素就和第一個元素的性質相近，這很像音樂上的八音度循環。因此他把元素的這種週期性叫做“八音律”，並據此畫出了標示元素關係的八音律表。,John Alexander Reina Newlands (1837

14、1898）,八音律表,36,門得列夫的元素週期表,直到西元1869年，俄國的門得列夫創立了化學元素週期表，是近代科學史上的輝煌成果。 門捷列夫的週期表宣佈，把元素按其原子量的大小排列起來，在物質上會出現明顯的週期性； 原子量的大小決定元素的性質； 可根據原子量和元素的性質對未知元素做出預測； 可根據週期律修正已知元素的原子量。,Dmitry Ivanovich Mendeleyev （18341907）,37,門得列夫的元素週期表,38,發現門得列夫預測元素,1879年，瑞典化學家尼爾森發現了新元素鈧（Sc），證實了門得列夫類硼的預言。 西元1886年，德國化學家文克勒發現新元素鍺，證實了門得

15、列夫類硅的預言。,Lars Frederik Nilson （18401899）,Clemens Alexander Winkler (1838-1904）,39,早期化學課本中的週期表（112個）,40,週期表的發展（Periodic Table),2006/10/16 美國的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室宣布，該實驗室與俄羅斯科學家合作，利用俄方的回旋加速器設備，成功合成了118號超重元素，並觀察到其存在了不到1毫秒時間。 這些元素都是人造的，所以存在壽命超短，像原子量297（中子179、質子118）的118號元素，只存在0.9毫秒，短到科學家還搞不清它們能做什麼。,41,不同呈現方式的週期表,

16、42,思考問題,週期表中的元素是否可以一直發現下去，是否有原子序的最大極限 ？ 週期表還有其他的週期呈現方式嗎？,43,三、原子的基本組成粒子電子、質子與中子,44,原子的結構,原子能不能再分割？,45,法拉第發現電的粒子性,1834年，法拉第研究各種熔融的鹽類電解時，發現鹽類分解的量與通入的電量成正比，因而由實驗證明電荷的存在。 通過對電解過程的研究總結出了電解定律，在電解時電極上分出來的物質量和通過電解液的電量成正比；同時揭示了離子帶電量與離子化合價成正比的關係。,Michael Faraday (1791-1867),46,法拉第發現電的粒子性,那時的人們知道一克當量物質所包含的粒子數目

17、為亞佛加厥常數，既6.0238 1023個。這樣就可以計算出任何一價元素的一個粒子上，所帶的電量為4.802 10-10絕對靜電量(e.s.u.)，它是電的最小單位，表示電荷是分開的粒子所造成的。 顯示電是粒子組成，而非是連續結構，為電的粒子性結構思想提供了實驗數據。,47,湯木生發現原子含有微粒,1895年，湯木生從陰極射線的實驗發現“電子”，他證實各種原子都含有一種相同的粒子，此粒子的質量比原子輕得多，他稱為微粒(現在稱為電子)。 他並利用陰極射線在電場與磁場的偏轉，測出電子的電荷對質量的比質e/m=1.76108庫侖/克。,Joseph John Thomson （1856 一 1940

18、 ),48,陰極射線實驗示意圖,1.置一障礙物於管中會形成投影,2.置一風車於管中，陰極射線會轉動風車,3.在管外加電場或磁場，會使陰極射線產生偏轉,4.陰極射線的產生與放電管中氣體種類及陰極材料無關,49,湯木生提出葡萄乾布丁原子模型,1903年，湯木生就據此他發現的電子提出葡萄乾布丁原子結構“均勻模型”，成功的解釋了許多的實驗結果。,原子的葡萄乾布丁模型示意圖,50,米立坎發現電子的基本電荷值,1909年美國人米立坎以油滴實驗方式測定出電子的基本電荷值。 他發現油滴上的電荷有正或有負的不同，但所得的數值都是1.60210-19庫侖的整數倍。 他推定出電荷的最基本單位 e=1.60210-1

19、9庫侖。,Robert Millikan （1868-1953）,51,索迪假設同位素的存在,1910年，同位素是英國物理學家索迪命名的，他根據對於天然放射系各種元素的化學性質的研究 ，他提出同位素的假說，他指出同位素在週期表中佔同一位置的元素，原子序相同，但原子質量不同。,Frederick Soddy （1877-1956）,52,拉塞福的粒子散射實驗,拉塞福發現葡萄乾布丁原子模型無法解釋的現象。 1911年，拉塞福以粒子撞擊不同的金屬箔，發現下列結果： 1.大部份粒子平行穿過； 2.小部份粒子穿過時做了大角度的偏折； 3.極少數的粒子1800反射回來。,Ernest Rutherford

20、 (1871-1937),散射實驗示意圖,53,拉塞福提出原子有核模型,拉塞福提出“原子有核模型”。 原子有一個極小的可以叫做原子核的中心體，原子的質量幾乎集中在這個核上，這個核只有原子大小的幾萬分之一，帶正電荷。 核外有電子圍繞旋轉它們，電性為負，由於核電荷與電子電荷相等所以整個原子為電中性。,原子有核結構模型,54,湯木生發現元素的同位素,1913年，湯木生利用質譜儀測量元素的質量，並發現元素的同位素。 為什麼同一種元素會有不同質量的同位素？“葡萄乾布丁”的原子模型無法解釋同位素。,55,莫色勒以X射線建立原子序概念,1913年莫色勒利用電子撞擊不同的金屬靶所產生的X-射線，而得X-射線光

21、譜，發現“愈重的原子，其所產生的X-射線波長愈短”，而建立了原子序的概念。 愈重的原子受電子撞擊後，會發出愈短的X射線 。 莫色勒的發現可以證明波爾的原子構造理論。,Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915),56,拉塞福實驗發現原子核中的質子,1919年，拉塞福以粒子撞擊多種不同的原子核。他在轟擊氮原子核時，核破裂發射出原子量是一帶正電粒子，他命名為質子，他並發現質子原來就是氫的原子核。拉塞福因此認為份量最輕的氫原子核，是所有原子的建築材料，因此用希臘文“第一”位其命名，漢語譯為“質子”。同時破裂後的氮原子核，則和粒子結合成氧原子核。 方程式：42He +

22、147N 178O + 11P 。,57,拉塞福預測原子核除質子應還有其他粒子,1920年，拉塞福為了解釋同位素的現象，提出“中子”概念，拋開了質子電子說，提出了原子核裡還有某種未知的粒子的假設。 他指出這種粒子必須是電中性的，正是它的量造成了同一種元素原子的質量不同，形成同位素。,58,查兌克證實原子核的中子,1932年，查兌克以粒子(42He+ )撞擊鈹原子， 他的實驗內容：是以粒子撞擊後，產生碳原子，並發現中子。,方程式：42He + 94Be 26C + 10n,James Chadwick (18911974),59,原子結構組成的確定,電子、質子與中子依序被實驗發現，至此原子的結構

23、組成大致確定。 問題1：電子、質子與中子還可以再分割？ 問題2：原子核中的質子帶正電，為什麼不會相斥而讓原子核裂開？,60,介子造成的帶正電質子不分開的原因,原子核存在一種強作用力，讓原子核中的中子跟質子有介子在其中傳遞，而讓原子核產生穩定的能量。 若能用顯微鏡看原子核，會看到質子與中子相互轉變，因介子使質子和中子互換身份，也因為介子使原子和中子能緊密黏在一起而不會分裂。,61,湯川秀樹預言介子的存在,1935年日本物理學家湯川秀樹提出了介子場的數學理論，預言存在一種介子，參與了核子之間的強相互作用，他並預言這種介子的質量應該為電子的200倍。,湯川秀樹 （1907-1981）,62,鮑威爾找

24、到介子,1947年英國物理學家鮑威爾發展出以乳膠照像法研究核物理，在宇宙射線中又發現了一種粒子，帶單位正電荷或負電荷，質量為電子的273倍，與核子有很強的相互作用，平均壽命2.6031010-8秒，為湯川秀樹預言的介子，後叫做介子。,Cecil Frank Powell （19031969 ）,63,基本粒子假設-夸克,一九六四年，蓋爾曼與史維格提出質子與中子分別是由夸克以不同的方式組成的夸克(quark)基本粒子的組成的單元。 夸克可分成三個世代共六種： 第一代：上夸克u 、下夸克d 第二代：奇異夸克s 、魅夸克c 第三代：底夸克b 、頂夸克t 質量大小是 Mu Md Ms Mc Mb Mt

25、 夸克無法單獨存在,Murray Gell-Mann （1929 - ),George Zweig （1937- ）,64,丁肇中發現第一個夸克 魅夸克c,1974年，丁肇中以粒子對撞方式發現第一個夸克魅夸克。,丁肇中 (1936- ),65,原子與原子核組成發展史,66,原子組成物質與結構比例,1 a.m.u=1.66058x10-24克 1單位電荷=1.6022x10-19庫侖,67,思考問題,構成世界的組成會不會還有更基本的粒子呢？,68,四、原子內電子的運動方式古典力學與量子力學,69,黑箱中的可以確認嗎？,問題：黑箱裡的東西 一個黑箱子裡放了一樣東西，你可以伸手到箱子摸這樣東西，摸起

26、來熱熱的，表面很粗糙，是球狀軟軟的，但是你無法打開箱子來看，你可以正確猜出這是什麼東西嗎？,70,光是粒子還是波？,光是粒子還是波？,72,一般傳統認為光譜是連續的（能量值也是連續的）,一般認為光通過三稜鏡就會被色散(dispersion),形成一連續光譜，因此認為能量值是連續的，且光和輻射是一種電磁波。 當加熱一個金屬時，金屬放出的光線通過三稜鏡得到一個連續的光譜。,73,加熱氣體放出光線得到的是線狀光譜而不是連續光譜（能量值可以不連續？）,在放電管中充入氫氣（或其他氣態原子等），加以高電壓，原子受激後放出藍色的光，經過分光儀照在底片上，會呈現一系列明亮線條。 如：來曼系、巴耳麥系、帕申系,

27、74,氫原子光譜,75,提出能量值是非連續的（因為發現非連續光譜）,1900年德國物理學家蒲朗克提出高溫物體發光時，其放出的能量值並不是任意值，而必須是一個與光頻率 成正比的定值的整數倍。 E=n h h=6.63 x 10-34 J. s蒲朗克常數 n是整數 是頻率,Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947）,76,愛因斯坦提出光具有粒子性,1905 年德裔瑞士人愛因斯坦提出 愛因斯坦光電方程式 Emax= hW Emax 是光電子的最大動能， h 是入射輻射中光量子的能量， W 是各個光電子離開金屬表面所要作的功 因此只要光的頻率低於某個特定值，不管怎

28、麼照，電子都不會跳出金屬,Albert Einstein （1879-1955）,77,光具有粒子和波動的雙重特性,光波是粒子，那麼粒子是不是波呢？ 1923年法國科科學家德布洛依提出微小粒子運動時，會同時具有粒子性和波動性，稱為物質-波動二元性理論。 1927年Davisson和Germerg實驗證實電子有波動現象，波動現象無法以粒子觀點得到解釋。 由物質具有波的特性的假設開始了量子力學理論發展的年代。,Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7th duc de Broglie （1892-1987）,78,原子核外電子的運動模型,科學就像是在黑箱中摸東西，除了摸，還需要

29、有豐富想像力。 電子在核外運動方式，也是靠科學家慢慢摸索出來，但是因為無法打開箱子，所以就會有多種可能，只是比較誰說出來的物體（科學模型）最符合目前所摸出來的特徵（自然現象）。,79,電子在原子內是否有運動？,靜止？ 不動 非靜止？ 以沒有規律性的移動方式 以有規律性的移動方式,80,電子在原子內如何運動？,沒有規律，彈性碰撞隨機運動 有規律、軌道式運動 不管規律或不規律運動，會呈現特定機率分佈狀態,81,拉塞福的核外電子的行星運動模型,不能解釋原子的穩定性 電子繞原子核的運動為加速度運動，因此會不斷的輻射出電磁波，而使電子的動能減少，最後墜落在原子核上，無法構成一穩定的原子。 不能解釋明線原

30、子光譜 當電子輻射能量而逐漸以圓週運動接近原子核時，應放出頻率越來越高的電磁波而產生連續光譜，但觀察的卻是氫原子的線光譜。,Ernest Rutherford (1871-1937),82,波耳的核外電子的軌道運動模型,1913波耳的氫原子模型 波耳為了解釋這些氫原子光譜，引進卜朗克和愛因斯坦的量子論，結合牛頓力學，提出波耳的原子模型。,Niels Henrik David Bohr (1885-1962),83,量子力學的核外電子軌域模型,量子力學拋棄古典力學需要描述電子的位置與速度的方式，因為有科學家認為電子是在原子核外快速的移動，無法預測電子移動的路徑，僅能預測描述電子在空間中出現的平均

31、分佈機率。,84,電子在空間中出現的平均分佈機率,85,無法同時測量出核外電子的位置和運動速度,海森堡的測不準原理 某個粒子的位置和動量不能同時被測量出來，對其中一個參數測量的越準，由於測量的干擾，另一個參數便會變得更不準；時間、空間和物質都不是可以被明確確定的，我們不可能完全準確的測量出宇宙現在的狀態。既然連現在的狀態都不能被完全準確的測量，那麼對未來的事件就更不能被完全準確的推論了。 海森堡道出了這無可避免的無奈，也等於間接否定了電子的圓周運動模式。,Werner Karl Heisenberg （1901-1976）,86,描述電子的行為以數學式來表示,薛丁格波動方程式：薛丁格（Erwi

32、n Schrodinger）用數學的方法，以一函數來描述電子的行為，而要處理電子的波動性質及位置的不確定性，必須用極複雜的數學方式波動力學模型。 依照此模型，可以得到電子在空間存在的機率分布，根據海森堡測不準原理，我們無法很準確地測到它的位置，可以測得的是在原子核外每一點電子出現的機率。,Erwin Rudolf Josef Alexander Schrdinger (1887-1961),原子核外的電子如何運動？,88,波耳的氫原子模型仍然可以用於解釋一些現象,因為波耳的氫原子模型電子繞著原子核的一定軌道做圓周運動容易被瞭解，因此教科書在某些情況下，仍會用它來解釋電子光譜與電子躍遷。 近代的原子理論，並非將電子視為簡單粒子，電子不是繞著