原子结构、共价键和分子间作用力.doc

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1、第六章原子结构、共价键和分子间作用力物质的性质取决于分子的组成和分子间的作用力，而分子的组成又取决于原子的结构和原子间的作用力。本章首先探讨原子结构，进而学习原子间的作用力，也就是化学键。最后初步了解分子间的作用力及对物质某些性质的影响。第一节核外电子的运动状态一、原子结构认识史的发展概况1.十九世纪初，英国科学家J.Dalton用化学分析法研究物质的组成，提出了著名的原子学说。但是，J.Dalton认为原子是不可分的。2.1904年，英国科学家J.J.Thomson提出了原子“枣糕模型”：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多带负电的电子。3.1911年，英国科

2、学家E.Rutherford根据实验提出了“行星系式”原子模型：原子核好比是太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。4.1913年，丹麦物理学家N.Bohr提出了“定态原子模型”，后人称其为Bohr理论。其要点如下：（1）在原子中，绕核运动的电子只能在某些符合一定量子化条件的圆形轨道上运动，在这些轨道上运动时电子既不放出能量也不吸收能量，电子处于某种“定态”（stationarystate）。其中最低的定态称为基态（groundstate）。其余能量较高的定态称为激发态（excitedstate）。电子在不同定态下运动时其能量不同，处于某一定态下的电子的能量具有

3、确定值。（6-1）式中：En为电子的能量；Z为核电荷数；n为量子数，它可以取≥1的正整数。（2）只有当电子从某一定态跃迁到另一定态时，才会有能量的吸收或放出。当电子从能量较高的定态跃迁到能量较低的定态时，就会放出能量，放出的这部分能量以光的形式发射出来，发射出来的光的频率取决于跃迁前后两种定态的能量差。（6-2）式中：v为光的频率；h为Planck常量（h=6.63×10-34J·s）。Bohr理论冲破了经典物理学中能量连续变化的观念的束缚，提出了核外电子运动的量子化特征，成功地解释了核外只有一个电子的氢原子的不连续光谱。但Bohr理论未能完全摆脱经典物理学的观念，没有认识

4、到电子运动的另一个重要特征—波粒二象性(wave–particleduality)，采取了宏观物体运动的固定轨道的观念，因此，他的理论不能解释多电子原子光谱，甚至不能说明氢原子光谱的精细结构。Bohr理论属于旧量子论。二、微观粒子运动的特殊性（一）微观粒子的波粒二象性1905年，A.Einstein提出了光子学说，认为光不仅有波动性，而且有粒子性，称为波粒二象性。受光的波粒二象性的启发，1924年法国物理学家deBroglie提出了电子等实物粒子与光一样也有波粒二象性的假设。对于质量为m，速率为υ的微粒，动量为p，其波长λ为（6-3）这就是著名的deBroglie关系式，反

5、映粒子性的p、m、υ和反映波动性的λ通过Planck常数联系在一起。1927年物理学家戴维逊(Davisson)和革末(Germer)用电子束代替光束通过金属单晶光栅进行的电子衍射实验证明了德布罗意的假设（如图6-1）。继而质子和中子等微观粒子的波动性也进一步被证实。单个电子穿过晶体多个电子穿过晶体电子衍射图光栅后投射在屏幕上光栅后投射在屏幕上图6-1电子衍射图电子的波动性需要从统计学角度来理解。从衍射实验来看，不仅用较强的电子流可以在较短的时间内得到电子衍射图，而且用很弱的电子流（电子先后一个一个射出），只要时间足够长，也可得到同样的图。开始，一个个电子分别随机到达底版的

6、一个个点上，不能一下子得到衍射图。我们不能预测某一个电子到达底版上的位置，但是，电子落在底版上的点不是都重合在一起，经过足够长时间，通过了大量的电子，则看出规律，得到衍射图，显示了波动性。在电子出现概率大的地方，出现亮的环纹，即衍射强度大的地方。反之，电子出现少的地方，出现暗的环纹，衍射强度就小。说明电子的波动性是和电子运动的统计性规律联系在一起。个别电子虽然没有确定的运动轨道，但它在空间任一点衍射波的强度与它出现的概率密度成正比。所以，电子波是概率波(probabilitywave)。电子波的物理意义与经典的机械波电磁波均不同。机械波是介质质点的振动在空间的传播，电磁波是

7、电磁场的振动在空间的传播。而电子波并无类似直接的物理意义，只反映电子在空间各区域出现的概率大小。（二）测不准原理经典力学对于宏观物体的运动，可同时准确地确定其任何时刻的位置和动量。然而微观粒子则不同，在电子衍射实验中，由一定能量的电子束穿过固定狭缝的光栅达到屏幕所形成的衍射条纹累计结果是具有重现性的，而对于具体的每一个电子却无法预知其究竟会落在衍射条纹上的哪个确切位置，或者说其动量是不确定的。海森堡(W.Heisenberg)认为，描述微观粒子的运动状态时，无法同时准确地测定粒子的位置和动量，从而得出了测不准关系（