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第三章　原子结构 §3-1核外电子运动状态 　　我们知道，电子、质子、中子、阴极射线、阳极射线，X-射线的发现以及卢瑟福的有核原子模型的建立，正确地回答了原子的组成问题。 原子是由带正电荷的原子核和在核外运动的带负电荷的电子所构成的。由于在通常的情况下，化学反应并不涉及原子核的变化，而只是核外电子运动状态发生改变。因此在化学中讨论原子结构主要是着重原子核外电子的运动状态及其变化规律的讨论。 　　然而，对于原子中核外电子的分布规律和电子运动状态等问题的解决，以及近代原子结构理论的确立，则是从氢原子光谱实验开始的。 1-1　氢原子光谱和玻尔理论 　　１、氢原子光谱 　　太阳光或白炽灯发出的白光，是一种混合光，它通过分光镜（三棱镜）折射分光后，便可分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等所有从长到短不同波长的光谱。这种光谱叫连续光谱。 　　但是并非所有的光源都能发出所有波长的光，有些光源只能发射出部分波长的光，即不能发出连续光谱。如氢原子的光谱就不是一种连续光谱而是一种不连续的线状光谱。 　　如把一支装有H2的放电管，通过高压电流，氢气分解为氢原子，氢原子被激发后所发出的光经过分光镜， 就得到氢原子的光谱图（教材P49图3-2、3-3），结果发现： 　　氢原子光谱的特征 　　(1)氢原子光谱是不连续的线状光谱：从红外区到紫外区呈现出多条具有特征波长的谱线。其中Hα、Hβ、Hγ、Hδ等为可见光区的主要四条谱线。 　　(2)从长波到短波，Hα至Hδ等谱线间的距离越来越小， 表现出明显的规律性。 　　(3)可见区的几条谱线称为巴尔麦线（∵是由瑞士科学家Balmer最早所发现），它们的频率之间满足巴尔麦公式。 1 　1 　　υ＝R∞.C （─ - ─），n=3,4,5,6… 22 n2 　　当n=3,4,5,6时分别给出Hα、Hβ、Hγ、Hδ的频率。 　　其中R∞和R∞.C都称为里德堡常数，其值分别为： R∞＝1.097×107m-1，R∞.C＝3.289×1015S-1。 　　(4)氢原子光谱其它区域的频率可用里德堡公式表示： 　　　　　　　　　　1 1 　　　　V＝R∞.C （－ — ─） n12 n22 　　通过对其它原子（如NaCl中Na）的原子光谱研究，也发现类似的线状光谱。 　　其中巴尔麦公式和里德堡公式都是纯粹的经验公式，但是它的计算值与氢原子光谱的实验结果惊人的一致，而且也适用于其它元素的更为复杂的光谱线系。说明这两个经验公式在一定程度上反映了原子光谱的规律性。 　　因为根据当时的古典电磁理论，认为原子核外运动的电子是连续地放出能量，电子不断发射能量，电子自身能量逐渐减少，电子绕核旋转的频率也要逐渐减少，发射出的光波（电磁波）的频率将随着旋转频率的改变而发生变化，也即原子发射出的光波应该是连续的。即氢原子光谱应该是连续光谱。然而事实并不如此。 　　对于氢原子光谱这个明显“反常”的规律，科学家们在几十年之内都未能在理论上得到园满的解释。 理论与实际又发生了矛盾，旧的理论解释不了新的实验现象。这样就迫使科学家们去寻找新的理论，更新旧的理论，解释新的实验现象，推动科学向前发展。 　　几经努力，丹麦科技界的后起之秀，年青的物理学家玻尔(Bohr)在引用了德国物理学家普朗克(Planck)的量子理论基础上，提出了玻尔原子结构理论，初步解释了氢原子线状光谱产生的原因和规律。 ２　玻尔理论 　　(1)玻尔理论的基本要点: 　　①电子不是在任意轨道上绕核运动，核外电子运动只能取一定的轨道。 在此轨道上运动的电子不放出能量也不吸收能量。 　　②在一定轨道上运动的电子有一定的能量， 这能量只能取某些由量子化条件决定的正整数值。 　　根据量子化条件，氢原子核外轨道上的能量公式为： 　　　　 -13.6 -2.179×10-18 　　Ｅ＝────ev 或　E＝ ──────── J (n为正整数) n2 n2 n越大，能量越高，离核越远。当电子在n=1的轨道上运动时，原子处于基态；基态氢原子的轨道半径为52.9pm，称为玻尔半径，此时电子的能量最低，为13.6ev或2.179×10-18J。当电子在n1的轨道上运动时，原子处于激发态。n越大，电子离核越远。 　　③只有电子从较高能级（即离核较远的轨道）跃迁到较低的能级（即离核较近的轨道）时，原子才会以光子形式放出能量。光子能量大小决定于两个能级之间能量差： 　　　　　　　　　　　　 E2-E1 E2-E1=hν 或 ν＝ ───