物质结构基础(2011-3-14-3).ppt

光的波粒二象性 波动性：干涉，衍射。 粒子性：光的性质可以用动量来描述。 微观粒子的波粒二象性 1924年法国物理学家德布罗意提出电子等微粒也具有波粒二象性，并预言其波长入和质量m存在关系式： * * 第八章 物质结构基础 物质世界五光十色、千变万化 归根结底 由物质的组成、结构决定 研究物质世界，就是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律。 宏观物质的性质、变化规律缘由于微观物质。 化学研究什么？ 宏观物质 亚微观结构 分 子 原 子 基本粒子 物理 化学 物理 化学主要是研究化合物的组成、结构、性质 如果某一物理量的变化是不连续的，而是以某一最小单位作跳跃式的增减，这一物理量就是量子化的，其最小单位就称这一物理量的量子(quantum)。 ?量子： 1.微观粒子的运动特征 （1）量子性 如宏观物体所带的电荷量从Q增加到Q+dQ ，QdQ，但dQ所包含的电子个数却是很大的(例如1库仑的电荷量为6.24?1018个电子的电量) 从宏观上Q?Q+dQ可以认为是连续变化的。 一、原子结构 在微观领域里，一个微观粒子如果是一个离子，所带电荷只有一个或几个电子，从而离子所带电荷的变化，如A-? A2- ? A3-，就不能认为是连续变化的，而是跳跃式的变化。 氢原子核外电子所处的能级是不连续的，即电子所具有的能量是量子化的。 当电子从一个能级跃迁到另一个能级上是时，粒子能量的改变是跳跃的。 ?概率密度：单位体积的概率。 ?概率波：电子运动在空间出现的概率可以由波的强度表现出来，因此电子及其微观粒子波（物质波），又称概率波。 （2）微观粒子运动的统计性 P : 动量 入：波长 h ：普朗克常数 6.626?10-34 J·s 2. 波函数 h：普朗克常数 v：微观粒子的速度 电子衍射示意图 定向电子射线 晶片光栅 衍射图象 1927年德布罗意的假设被电子衍射实验证实。 电子的衍射图 电子的波动性是电子许多行为的统计结果。 ∵电子的一次行为并不能确定其出现的具体位置。 概率波 短时间 长时间 1926年，奥地利物理学家薛定谔（Schr?dinger）提出了微观粒子运动的波动方程，即薛定谔方程： 其中， ? 为波动函数，是空间坐标x、y、z 的函数。 E 为核外电子总能量，V 为核外电子的势能，h 为普朗克常数，m 为电子的质量。 变换为球面坐标： x = r sinθ cos φ  y = r sin θ sin φ ? z = r cos θ ? r2 = x2 + y2 + z2 球面坐标变换 rsin? z x y ? P(x,y,z) z=rcosθ x= rsinθcosφ y = rsinθsinφ φ θ r 在整个求解过程中，需要引入三个参数，n、l 和 m。结果可以得到一个含有三个参数和三个变量的函数 ? = ?n, l, m(r, ?, ?) 由于上述参数的取值是非连续的,故被称为量子数。当n、l 和 m 的值确定时，波函数(原子轨道)便可确定。即：每一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运动状态。 n的取值为非零正整数，l 的取值为0到(n – 1)之间的整数，而m的取值为0到± l 之间的整数。 波函数是描述核外电子运动状态的函数，也称为原子轨道。 原子轨道与经典力学的轨道是完全不同的两个概念。之所以这样叫，只是沿用了“轨道”这个名称而已。 波函数角度部分Y(θ, φ)在三维坐标上的图像称为原子轨道的角度分布，图像中的正、负号是函数值的符号。 1.氢原子的1s轨道：角度部分为 ，是一个与角度无关的常数，其图像是一个半径为 的球面。 2.氢原子的2pz轨道：角度部分为 ，只与θ角度有关，由于θ是r与z轴的夹角，其图像是一个沿z轴分布的互切双球面。在z轴正向，函数值大于0， z轴反向，函数值小于0。 3. 电子云（Electron Cloud） =“原子轨道” ∵波函数ψn, l, m (x,y,z) ∴原子轨道 ｛ 径向分布图 角度分布图 ｝ 意义：描述电子在原子核外可能出现的空间区域 图 借用物理学中光波及其光密度等概念，可得到 ： ψ2—反映电子在空间某位置上单位体积内出现的概率大小，即概率密度。 图形 概率密度 图形 概率密度的径向分布图 图形 概率密度的角度分布图 用黑点的疏密表示概率密度的图形—称电子云