第一节-原子结构与周期律的发现课件.ppt

时间：,19世纪末至今。,特点,现代化学的兴起使化学从无机化学和有机化学的基础上，发展成为多分支学科的科学，开始建立了以无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学为分支学科的化学学科。化学家这位“分子建筑师”将运用善变之手，为全人类创造今日之大厦、明日之环宇。,本篇内容：,第一节 原子结构与周期律的发展第二节 核化学的产生与发展第三节 现代化学的特点及发展趋势,第一节,原子结构与周期律的发展,本节内容,一、化学进入微观领域二、原子结构理论模型的建立和发展,一、化学进入微观领域,19世纪末，物理学上出现了三大发现，即X射线、放射性和电子。这些新发现猛烈地冲击了道尔顿关于原子不可分割的观念，从而打开了原子和原子核内部结构的大门，揭露了微观世界中更深层次的奥秘。,(一)X射线的发现,X射线，亦称伦琴射线，它是德国科学家伦琴在1895年发现。,1.伦琴简介,威尔姆康拉德伦琴(Wilhenm Conrad Rontgen)，1845年诞生在莱纳普(Lennep)莱茵兰州的一个城镇上。他的母亲是荷兰人，在他三岁时，家搬到了荷兰的阿佩尔乡恩。在荷兰学习之后，伦琴于1865年去苏黎世，在那里的综合工业学院学习机械工程。,伦琴,1868年从综合工业学院毕业，1869年在苏黎世大学获得博士头衔。1870年，他回到德国当孔特的助手，开始在维尔茨堡，后来在斯特拉斯堡；他成为一个大学兼课教师，1876年被委任为一所规模较小的德国大学的物理教授后，他以一个并不突出但还不错的物理学家的形象开始了他的学术生涯。1888年，他完成了一件重要的工作，证明了对流电流与传导电流是相同的。,1901年伦琴获得了第一个物理学诺贝尔奖金。1900年他已搬到了慕尼黑，在那里，他成为实验物理研究所所长。1914年，他在著名的德国科学家表示他们与军国主义德国休戚相关的宣言上签了名，但后来他对此感到懊悔。在第一次世界大战期间和随后的通货膨涨中，他相当苦恼。1923年2月10日，伦琴在慕尼黑逝世，享年78岁。,2.X射线的发现,1895年11月8日傍晚，伦琴在一个完全遮光的暗室房间里，利用克鲁克斯管研究阴极射线，他用黑纸板把克鲁克斯管完全包了起来，在离管子一定距离的地方放上一张纸片，当作屏幕使用，并在上面涂有氰化钡铂。使伦琴感到意外的是，他看见涂有氰化钡铂屏幕有荧光，发出了亮光。伦琴想管子被包在黑纸板内的，没有光或阴极射线能从里面透出，这个光是从哪来的？这个没有想到的现象出现，使他感到意外和困惑。,(1)意外发现,(2)进一步研究,他把这个屏转了一个面，使没有氰化钡铂的那一面朝着管子，这样做，屏仍然发荧光。他将屏移得离管子更远一些，荧光依然存在。然后，他在管子和屏之间放了几样东西，但所有这些东西看来都象是透明的一样。当他在管子前面移动他的手时，更惊奇的现象出现了，他在屏上看到了他手的骨胳。正如他在关于这个学科的第一本出版物中所称呼的那样，他已经发现了“一种新的射线”。,(3)确定,那时伦琴独个儿在他的实验室里工作，在其后的日子里继续一个人做他的实验，没有对任何人提及他所观察到的结果。他的妻子注意到他被什么事情迷住了，但又不知道为什么，开始为他担忧。而伦琴愿意告诉她的，只是说他正在研究一件重要的事情，后来他解释了他保持沉默的理由：他一直对他自己的发现感到惊讶，它是那样地值得怀疑以致于他一直感到需要一而再、再而三地使他自己确信这些新射线的存在。终于他将他的研究结果记录到照相底板上去，最后肯定了他的发现。,(4)新射线的性质,伦琴继续描述他在七个星期“秘密”研究中所得到的结果：物体对他的“新射线”在不同程度上是透明的；照相底片被“新射线”感光；他不能观察到任何可感觉得到的射线的反射和折射；它也不能用磁场将他们偏转，这种“新射线”放自电管上被阴极射线击中的那块管壁上。,(5)研究结果的发表,1896年1月1日，他发出了他的预先印好的文章，引起了一场大轰动。他的论文是令人难以置信的但是他在寄送论文时也附寄了得到的X射线照相，这提供了一个不能轻易地不予理睬的证据。玻耳兹曼、华尔堡(Warburg)、科尔劳施(Kohlrausch)、开耳芬勋爵、斯托克斯(Stokes)和庞加莱是早期收到他通讯的人。一读完伦琴的论文，许多科学家立刻就跑进他们的实验室，拿出电火花线圈，着手试验看看他们自己是否能够找到X射线，结果他们都成功了。,(6)研究结果的影响,在1896年元月里，发现X射线的新闻业已在全世界引起了巨大的骚动。我们能够想象出当时人们对这些射线的无限惊讶：几乎任何东西对它们来说都是透明的；用这些射线人们可以看见自己的骨胳；看不到手指上的肉但能看到手指上带的指环，且十分清楚，象嵌入体内的子弹一样。,(7)应用,人们立即就领悟到它对医学的影响。懂得这个发现的重要意义的不一定非要是科学家。在1896年还是一个小孩的未来物理学家A.N.达科斯塔安德雷德(A.N.daCosta Andrade)曾听说上帝能看见每样东西和每个地方，听见了关于X射线的事情之后，他开始相信他过去曾经怀疑过的事情。1月23月，伦琴在物理医学学会作了关于他的发现的唯一的一次公开讲演，人们以暴风雨般的掌声向他致意。,(二)放射性的发现,在X射线发现之后，科学界掀起一个研究射线、荧光的热潮。其中，居里夫人发现放射性又是一个重大发现。,1.居里夫人简介,(1)居里夫人的生平,法国物理学家和放射化学家。居里夫人即玛丽居里(Marie Curie)，是一位原籍为波兰的法国科学家。居里夫人在婚前姓名为曼娅.斯卡洛多斯卡(波兰文为Manya Sklodowska)，1867年波兰正处于俄国的统治之下。曼娅的父母都是教师，在她出生(她是他们的的第五个孩子)后不久他们就失去了教师职位。,1867年11月 7日生于波兰华沙，1934年7月4日卒于法国上萨瓦省。1883年中学毕业，并获得金质奖章。由于家中经济困难和当时波兰的大学不接受女生，她担任家庭教师八年。1891年到法国深造，进了巴黎大学攻读物理学和数学。1893年以优异成绩毕业于巴黎大学理学院物理系，毕业时成绩名列全班第一。,1894年她与法国物理学家皮埃尔.居里相识，第二年，1895年她与皮埃尔.居里结婚。1904年被巴黎大学聘为助教；她与她的丈夫皮埃尔.居里(Pierre Curie)都是放射性的早期研究者，1906年皮埃尔.居里去世后，她接替了丈夫的工作，成为巴黎大学第一位女教授。,(2)居里夫人主要研究成果,发现了元素的放射性；发现了放射性元素钋(Po)和镭(Ra)；分离出纯的金属镭。,(3)居里夫人获得的荣誉,发现了放射性元素钋(Po)和镭(Ra)，与法国物理学家亨利.贝克勒尔(Henry Becquerel)分享了1903年诺贝尔物理学奖。因分离出纯的金属镭而又获得1911年诺贝尔化学奖。,她是法国科学院第一个女院士，并被15个国家的科学院选为院士。居里一生中担任25个国家的104个荣誉职位，接受过 7个国家的24次奖金或奖章。主要著作有同位素及其组成、论放射性、放射性物质及其辐射的研究。,2.放射性的发现,在H.贝可勒尔发现铀的放射现象以后，M.居里和P.居里首先对各种物质进行放射性考察，发现元素钍也具有放射性，铀矿物则有着比纯铀高得多的放射性；依靠科学推测和精巧实验技术，1898年在铀矿物中发现了放射性元素钋和镭，并开创了一门新的科学放射化学。,(1)放射性的发现,从1896年开始，居里夫妇开始共同研究放射性。在此之前，德国物理学家伦琴(Wilhelm Roentgen 1845-1923)发现了X-射线(他因此获得1901年诺贝尔物理学奖)。贝克勒尔发现了铀盐也能发射出类似的射线，发现了铀的发射性。,(2)元素钋的发现,居里夫人继续对铀的放射性进行研究，并发现沥青铀矿的放射性比按含铀量推算的放射性大的多，她大胆预测，沥青铀矿中，一定含有一种放射性更强的化学元素。经过反复研究，努力寻找，终于在1898年7月，首先发现了放射性元素钋(Po)，之所以命名为钋(polonium)，是为了纪念她的祖国波兰(Polonia，拉丁文)。,(3)元素镭的发现,钋发现后，居里夫人继续从剩余的沥青铀矿中提炼放射性物质。她发现，剩余的沥青铀矿的放射性，比按铀量推算的值大200万倍。她由此推测还存在一种放射性更强的新元素，终于，在1898年末，发现了放射性元素镭，命名为镭的意思是“赋予放射性的物质”。,(4)镭的的制备,按照传统的概念，确证一个元素的发现应该提供可以目睹的该元素的足够纯的化合物或单质样品。1906年皮埃尔.居里不幸被马车撞死，但居里夫人并未因此倒下，她仍然继续研究，最终与德比恩(Andre Debierne,1874-1949年，于1899年从沥青铀矿中发现放射性元素锕Ac)在1910年，从8吨废沥青铀矿中制得1/10克纯净的氯化镭，最后分离出纯净的金属镭。最终经光谱分析和原子量测定，证实了元素镭的存在。,(5)放射性镭的应用,在第一次世界大战期间，她和她的长女婿约里奥.居里一起参加战地医疗服务，担负伤员的 X射线透视工作。她积极提倡把镭用于医疗方面，使辐射治疗(早期也称为居里治疗)得到推广和提高，使核能造福于人类。,(6)晚年的居里夫人,20世纪20年代末期，居里夫人的健康状况开始走下坡路，长期受放射线的照射使她患上白血病，终于在1934年7月4日不治而亡。在此之前几个月，她的女儿依伦和女婿约里奥-居里(Joliot-Curie)宣布发现人工放射性（他们俩因此而荣获1935年诺贝尔化学奖）。,3.同位素,某些放射性元素具有相同的化学性质，但是却有不同的放射性特征。这些不同类型的原子应该是相同的元素，称为“同位素”。,(1)同位素概念的提出,索迪(英国，Frederick Soddy，18771956)，1898年毕业于牛津大学。19001903年，在加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学随卢瑟福工作，共同创立放射性衰变的理论，修正了道尔顿原子学说。1903 1904年，在伦敦大学和拉姆齐合作，证明镭能产生氦。随着各种放射性物质的发现，出现了两种或两种以上放射性物质无法用化学分离手段分开的事例。索迪认为这是同一元素不同质量的一些原子混合在一起的结果，提出了同位素的概念，同位素一词是他的1913年首先使用的。,(2)索迪获得的荣誉,索迪首先发现放射性物质经衰变后，新物质在周期表中的位置向左移动两格。由于这些贡献，他获得1921年诺贝尔化学奖，1913年获得坎尼扎罗奖金。,(3)同位素的进一步研究,另一位英国人阿斯顿，在1919年制成了质谱仪，可以用来分离不同质量的粒子，并且测定它们的质量。这就把研究同位素的方法提高了一大步。阿斯顿先后利用质谱仪发现了很多元素的同位素，他在71种元素之中，陆续找到了202种同位素，这为我们认识同位素，积累了大量资料。,(4)同位素提出的意义,同位素概念的提出，是对原子论的一次冲击。一种元素可以有多达6种不同类型的原子。同位素只是原子量的不同，不影响相关的化学性质，保持了元素周期表的完整。,4.衰变,1899年英国化学家克鲁克斯在分离铀矿过程中，发现一部分铀具有放射性，另一部分铀却无放射性。其他一些科学家也发现了这一现象。,(1)衰变现象的发现,同时还发现，钍、镭等放射性元素不仅能产生具有放射性的物质，而且还能使与它有接触的物质也产生放射性。并且这种放射性还会随着时间流逝而减弱，最后会消失。1902年，索迪发现钍也存在上述现象。,(2)衰变现象的研究,他们首先对钍的放射性做了大量的实验。他们将硝酸钍溶液用氨处理，沉淀出氢氧化钍，过滤后检测干燥的沉淀，其放射性显著降低，而将滤液蒸干除去硝酸铵后的残渣，却有极强的放射性。但过了一个月后，残渣的放射性消失。他们证实钍的放射性的确变化无常。,实验1,他们还发现，如果把钍放在密闭的器皿中，其放射性强度较稳定，如果放在一个敞开的器皿中，其放射性强度就会变化不定，尤其容易受表面掠过的空气的影响。他们推测这可能是由于有某种物质放射出来，不久他们便证明这种被放射出来的物质是一种气体，他们称它为钍射气。他们同样对有放射性的镭、锕进行实验研究，也发现存在同钍一样的现象。他们把镭放射出来的气体称为镭射气，锕放射出来的气体叫锕射气。,实验2,(3)衰变概念的提出,根据这些实验结果，1902年卢瑟福、索迪提出元素衰变假说：放射性是由于原子本身分裂或衰变为另一种元素的原子而引起的。这与一般的化学反应不同，它不是原子间或分子间的变化，而是原子本身的自发变化，衰变放出、射线，变成新的放射性元素。,(三)电子的发现,首先是英国物理学家瓦利和克鲁克斯发现，阴极射线在磁场中会改变方向。后来，法国物理学家佩兰发现，把阴极射线收集到金属筒内，金属筒就会带负电。,(1)现象的发现,(2)电子电性的确定,1897年，克鲁克斯的学生，英国著名物理学家汤姆生，系统地研究了阴极射线的性质，发现阴极射线不仅会被磁场偏转，而且能被电场偏转，从而证明，阴极射线是带负电的粒子，并测出这种粒子的荷质比(电荷e/质量m)。计算表明，荷质比约是氢离子的2000倍，因此它的质量约等于氢原子质量的1/2000。,(3)关于电子的进一步研究,汤姆生进一步实验证明，不管放电管中装入什么气体，也不管电极采用什么材料，阴极射线粒子的荷质比总是保持不变。由此推断，这种粒子是一种带负电的独立的成分，后来又进一步证明它是一切化学元素的组成部分。这预示着电子被发现了。,(4)电子概念的提出,1874年，英国物理学家斯通尼称它为electron，称为“元电荷”，即把一个H+所带的电荷作为电的基本单位。后来克鲁克斯建议应称electron为“电子”。在后来，美国芝加哥大学的密立根教授经4年的努力，在1911年确立了电子的电荷数和质量数。,(5)电子发现的意义,电子的发现，进一步打破了原子不可分的观念，此前认为坚不可摧的宇宙基石-原子，终于被证明是可分的，可分出电子，而且无论什么元素的原子都同样能分出电子来。,总 结,X射线、放射性和电子的发现，是人类对原子微观结构深入认识的三个里程碑。这三个发现，打开了原子的大门，为建立微观结构理论奠定了基础。,二、原子结构理论模型的建立和发展,电子发现以后，人们就顺理成章的提出，原子含有电子，而电子又带负电，那么，原子中必然有带正电的部分，这样，原子中的电子和带正电部分的成分，必然会形成一定的结构，那么原子结构是什么样呢？科学家开始探索这一复杂的问题。,(一)汤姆生的原子结构模型,1904年，汤姆生提出了一个原子模型：他认为，原子是一个均匀的带有正电的球体，电子对称地嵌在这个球中；因为电子在“原子球”中的平衡位置上振动，所以可以发出电磁辐射，其电磁辐射的频率，就等于电子振动的频率。,汤姆生的原子结构模型的形象描述,汤姆生的原子结构模型，被称作“葡萄干蛋糕”模型，整个原子就像一块蛋糕，蛋糕体是带正电的“原子球”，电子好像嵌在这块蛋糕中的葡萄干。,不正确性,(二)卢瑟福原子结构模型,英籍新西兰科学家卢瑟福是汤姆生的研究生，他设计和完成了许多著名的科学实验，把放射性物质发出的几种射线分别命名为带正电的射线、带负电的射线和不带电的射线。,1.卢瑟福的原子模型,卢瑟福认为：原子有一个带正电并集中了原子的绝大部分质量的核，即原子核。原子核居于原子的中心，电子在原子核周围绕原子核运动，就像行星绕太阳运动一样，所以，原子的体系就类似一个小的太阳系。,著名的粒子散射实验,2.卢瑟福原子模型的弱点,按卢瑟福的原子结构模型和古典的电磁理论。电子绕核运动，必然自动发出能量，这样原子的能量将逐步减少，频率也将逐渐改变，所以发出的光谱应该是连续的，但事实上原子的光谱不是连续的而是分立的。按经典的理论，原子在自动辐射时，能量不断减少，就会使电子最后坠落在原子核上，原子必然是不稳定的体系，而事实上不是这样的，实际上各种化学元素的原子都是稳定的。,(三)波尔的原子结构模型,1913年丹麦物理学家波尔系统研究了光谱学，把普朗克的量子化概念引入了卢瑟福的原子结构模型中，提出了原子结构的量子化轨道模型。波尔是汤姆生和卢瑟福的学生。,1.波尔的原子模型,波尔认为：电子绕核运动是沿着一系列的不连续的轨道进行，电子在这些特定能量状态运动时，并不辐射能量，只有当电子从一个较大能量的定态，跃迁到一个较低能量定态时，原子才发射出单色光，即放出能量。其频率为：,(h为普朗克常数),2.波尔原子模型的优点,(1)引入了量子化概念；(2)解释了原子的线状光谱；(3)解答了电子不会落入原子核的问题；(4)给出的频率公式符合经验公式。,3.波尔的原子模型的缺点,波尔的理论是在古典理论上加上了量子化条件，因而还不是完整统一的理论，所以，这一理论不能解释后来发现的氢光谱的精细结构，也不能解释谱线在磁场分裂等实验事实。,(四)建立在量子力学基础上的原子结构模型,波尔的原子结构理论解释了许多实验事实，并在应用进行了修正，但仍然有许多矛盾，所以，只有在量子力学建立之后，才能真正得到解决。,1.量子力学原子结构模型,1924年，法国物理学家德布罗意提出：微观实物粒子的运动，类似光的波粒二象性，也有波粒二象性，并认为，体现光的波粒二象性的公式：也适用于实物粒子，同时还提出了物质波的公式：,2.模型的实验证据,1927年，美国物理学家戴维逊和革末用电子束照射晶体，从而发现衍射现象的实验，证明了德布罗意物质波公式的正确性。同年，电子发现者的儿子汤姆生利用电子束穿过晶体薄片，也证实了电子的衍射现象。1929年德布罗意因提出物质波的理论获得诺贝尔奖；1937年戴维逊同G.P.汤姆逊也同时获得了诺贝尔奖。,3.量子原子结构模型建立的意义,德布罗意物质波的理论，引起了人们科学思想的重大变革，其直接结果就是促进了量子力学的产生，从而揭示出微观粒子运动的内在规律。,4.量子力学的研究成果,经海森堡和薛定谔等人的共同努力建立了量子力学。奥地利著名物理学家薛定谔用波函数来描述微观粒子运动，建立了薛定谔方程。1927年，两位年轻的德国科学家海特勒和伦敦，成功地利用量子力学方法处理氢分子，科学而精确地解释了氢原子的结构和性质。后来，又用量子力学的方法和思想，对全部周期表加以研究，成功地解释和说明了化学元素周期性的微观本质。,结 论,建立在量子力学基础上的原子结构模型，是现代周期律的理论基础。,