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1、第三章物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和材料的性質(zhì)羅立新武漢大學化學與分子科學學院04十月2021第三章物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和材料的性質(zhì)3(1)原子核外電子運動狀態(tài)(2)元素周期律金屬材料(3)化學鍵分子間力高分子材料(4)晶體缺陷陶瓷和復合材料武漢大學土木工程化學20113.1原子核外電子運動狀態(tài)1.J.Dalton原子模型——原子是物質(zhì)的不可再分的最小實心微粒。19世紀末，X射線、電子射線被發(fā)現(xiàn)，結(jié)果表明原子是可以分割的，不是最后質(zhì)點。陰極射線武漢大學土木工程化學20112．J.J.Thomson的“浸入式”原子模型——認為原子是由帶正電的均勻連續(xù)體和在其中
2、運動的負電子構(gòu)成。3．E.Ruthorford的“含核”原子模型——認為原子中心有一個小而重的帶正電荷的原子核，核外有電子繞核的外圍作空間運動。武漢大學土木工程化學20114．Bohr原子模型微觀粒子運動具有量子化的特征，提出了關(guān)于原子軌道能級的概念。武漢大學土木工程化學20111波粒二象性對于光的本性，曾經(jīng)有微粒說、波動說的長期爭論，后來確認既具有微粒性，又具有波動性，稱為波粒二象性。物質(zhì)波的概念(1929年諾貝爾物理學獎)1924年deBroglie在光的啟發(fā)下提出一切物質(zhì)都具有粒子和波動的性質(zhì)，即波粒二象性。把作為粒子特征的
3、動量P和表現(xiàn)波特性的波長?聯(lián)系起來。E為粒子的能量；?為粒子物質(zhì)波的波長；P為粒子的動量；?為粒子物質(zhì)波的頻率；h為普朗克常數(shù)；v為粒子物質(zhì)波的運動速度。P=EV=h?V=h?或?＝hp武漢大學土木工程化學2011例：重25g的子彈，飛行速度為9.0×102m.s-1，其?=2.94×10－35m重9.1×10－28g的電子，運動速度為3×106m·s－1，其?=2.4×10－10m可見，對于宏觀物質(zhì)，其波動性微乎甚微，可以忽略，但對于電子、質(zhì)子、中子、原子、分子等微觀微粒，其波動性相對較大，成為重要性能。就是說，微觀粒子都具有波
4、粒二象性。武漢大學土木工程化學20111927年，Davisson(戴維遜）、Germer(蓋末） 通過電子衍射證實了deBroglie（德布羅伊）的假設(shè)，即電子和光子一樣具有波粒二象性。X射線衍射圖電子射線衍射圖武漢大學土木工程化學2011微觀粒子具有波粒二象性，就不能象宏觀物體那樣在確定的時間斷內(nèi)準確的描述出其運動的軌跡。微觀粒子的運動符合下列關(guān)系：?X為微觀粒子在某一方向的位置（或坐標）測不準量；?Px為動量在x方向的分量測不準量；h為Planck常數(shù)。2、微觀粒子運動的統(tǒng)計性也就是說，微觀粒子運動的距離變化與動量變化不能同
5、時測準，這就是有名的海森堡測不準原理。測不準原理是微觀粒子的固有屬性，不能用牛頓力學描述。我們只能用統(tǒng)計的方法，描述大量微觀粒子運動的行為，即在一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率，因而電子運動的軌道失去了其真正的含義。武漢大學土木工程化學2011原子軌道和電子云1926年，Schr?dinger（薛定諤）根據(jù)德布羅伊物質(zhì)波的觀點將電子的粒子性代入波動方程。是描述波動的函數(shù)，稱為波函數(shù)，可用來表示任何微觀粒子的行為。波函數(shù)ψ是三維空間x、y、z的函數(shù)，其二階偏微分方程就是有名的薛定諤方程武漢大學土木工程化學2011電子的波函數(shù)?對原子核外電子運動
6、的描述具有十分重要意義：波函數(shù)不同，其能量不同。每一個波函數(shù)，都表示核外電子運動的一種狀態(tài)，稱為原子軌道。電子的波函數(shù)?，通過求解薛定諤方程得到，在求解過程中，需要三個常數(shù)（n、l、m)進行限制才有物理意義。這三個常數(shù)稱為量子數(shù)，每一組常數(shù)表示一個原子軌道。(1)主量子數(shù)n（2）角量子數(shù)l（3）磁量子數(shù)m（4）自旋量子數(shù)ms武漢大學土木工程化學2011四個量子數(shù)主量子數(shù)n主量子數(shù)n表示電子層，其值越大，軌道距核越遠，能量越高。主量子數(shù)n1234567…電子層符號KLMNOPQ…角量子數(shù)l角量子數(shù)l又叫副量子數(shù)，表示電子亞層。它確定
7、著軌道的能級和形狀。角量子數(shù)l的值為：0——n－1如：主量子數(shù)1234…角量子數(shù)0123…軌道符號spdf…軌道形狀球形雙球形花瓣形同樣，l的值越大，軌道距核越遠，能量越高武漢大學土木工程化學2011四個量子數(shù)磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m確定著軌道的數(shù)目和空間取向m的取值為：m＝0，?1，?2….?l=2l+1一個m代表一個軌道如：角量子數(shù)0123…軌道符號spdf…軌道數(shù)目1357m不影響軌道能級，l相同時，2l+1個m的能級相同，稱為簡并軌道，或等價軌道。自旋量子數(shù)ms自旋量子數(shù)ms并不是求解薛定諤方程得出的，它是人們研究氫光譜的精細
8、結(jié)構(gòu)時，證實了每個軌道上存在著自旋相反的兩個電子，為了表達這兩個電子的區(qū)別，引出的第四個量子數(shù)。它只有＋1/2、－1/2兩個取值。表示為↑、↓。原子核外電子的狀態(tài)由這四個量子數(shù)確定武漢大學土木工程化學2011s、p、d電子云的角度分布圖武漢大學土木
