的直徑則小于如果把原子放大到一個足球場那樣大,像一粒小米到黃豆那么 大,而電子就比最細的土粉末還要細.例如,把一個鈾原子放大到一個足球場 那么大,粗纖維測定儀就應該是在足球場中心有一顆黃豆大小的鈾原子核,在它周圍有92 顆細小的土粉末般大小的電子在整個足球場范圍內圍繞原子核活躍地飛舞運 動. 由此可見,原子內部是很稀松的,物質粒子所占的空間只是原子分.盡管如此,原子的內部結構又是相當堅固的.別的原子很難 侵入這個原子所占有的空間. 原子的化學性質主要由它的電子殼層結構決定,也就是由原子的原子序數(shù) 決定,一種元素對應一個原子序數(shù). 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的元素共114種,各種物體雖然千差萬別,但它們都是 由這114種元素的原子組成.在這114種元素當中,質量最輕的元素是 氫,化學符號為H,原子序數(shù)為1,相對原子質量為1.00792,氫是宇宙 中含量最豐富的元素.比氫重的元素是氦,化學符號為He,原子序數(shù)為 2,原子量為4.002602,氦是最輕的惰性氣體,是宇宙中除了氫以外含量 最豐富的元素. 。玻笆兰o50年代,人們認識的自然界存在的元素共92種,最重的元素是 鈾,化學符號為U,原子序數(shù)為92,相對原子質量為238.0289.在20世紀 40年代,物理學家通過原子核反應產生了原子序數(shù)為93的镎,化學符號為 Np;和原子序數(shù)為94的钚,化學符號為Pu.后來發(fā)現(xiàn),這兩種元素在自然界 中也有極少量的存在.現(xiàn)在,人們認識到自然界存在的元素共94種,最重的 元素是钚,相對原子質量為24 44.064197. 比钚更重的元素都是人工制造的元素,它們都是不穩(wěn)定的放射性元 素,并且平均壽命很短,不可能在自然界長期存在.比钚更重的元素列在 表4-7中. 52 其中ψ和ψ是原子核和其它內層電子作用在價電子上的庫侖勢,這兩個方 AB 程的解稱為原子軌道解.當兩個原子靠近時,兩個價電子都受兩個原子的相互 作用,包含2個價電子的系統(tǒng)的哈密頓(Hamilton)量為 求解相應的定態(tài)薛定諤方程相當困難.如果略去兩個價電子之間的相互作用庫侖 勢V,系統(tǒng)的哈密頓量可以分成兩個部分之和,每一部分只和一個電子有關, 可以分離變數(shù)求解相應的定態(tài)薛定諤方程, ψ(r1,r2)=ψ1(r)ψ2(r). 定態(tài)薛定諤方程分解為兩個: 分布實際上是相同的. 需要研究求解的是定態(tài)薛定諤方程的分子軌道解,經(jīng)過適當?shù)奈锢砩系慕?似求出分子軌道解的能量的兩個可取值為 B 從物理上看,(V)項描寫的是B原子核和內層電子 BAA 合起來對價電子的庫侖引力的勢,因此它的值應該小 于零.從波函數(shù) ψ的分布情況來看,價電子主要集 A 中在A原子附近,但這時這個庫侖引力勢的數(shù)值很 。纱丝梢耘袛啵海ǎ郑⿷撌且粋很小的負數(shù), BAA 和E比較可以忽略.類似地,也可以判斷:(V) AABB 也應該是一個很小的負數(shù),和E比較可以忽略.圖圖4-12 兩個原子波 B 4-12所示為兩個原子波函數(shù)的分布.函數(shù)的分布 。担
第四章 原子分子世界 如果兩個原子是相同的原子,則E=E.但一般情況下,兩個原子是不 AB 同的原子,則E≠E.如果兩個原子離得很遠,波函數(shù)ψ和ψ重疊的區(qū)域 ABAB 很少,則|H|應該很小,可以忽略不計.從兩個能量解來看,能量高的 AB + E等于E和E中的較高的值;能量低的E等于E和E中的較低的值.這 ABAB 說明如果兩個原子外面有一個價電子,則這個價電子應在能量較低的態(tài)上,即 主要在一個原子的周圍.考慮了|H|的貢獻后,和的差值會更大,這時能 AB 量高的E+高于E和E中的較高的值;能量低的 AB - E低于E和E中的較低的值.這說明如果兩個 AB 原子外面有一個價電子,則這個價電子應在能量較 - 低的E態(tài)上,這時價電子在兩個原子的周圍,它 的能量比在單獨一個原子外還要低.這個效應把兩 個原子結合起來,這就是共價鍵的物理機理.能量圖4-13 成鍵態(tài)和反鍵 - 高的E+態(tài)稱為反鍵態(tài),能量低的E態(tài)稱為成鍵態(tài)的能量 態(tài).由于電子是自旋為1/2的費米子,每一個成鍵態(tài)可以容納2個電子,因此 共價鍵總是顯現(xiàn)為一對價電子為兩個原子所共有. - 現(xiàn)在考察成鍵態(tài)的波函數(shù).波函數(shù)的表達式為 ψ= αψ+β ψ.將E代入 AB 解出 α、β為 α=- |HAB| , N 2 β= 1E′-E′ + E′-E′ +|HAB|, ABAB 2 N22 其中歸一化因子為 22 N=2EA′-EB′ |2EA′-EB′EA′-EB′ |2. 2+|H+ 22+|H ABAB 從波函數(shù)的表達式 ψ= αψ+β ψ.可以看出,價電子在原子A和原子B上的 AB 概率分別是 2 |HAB| 2 PA=α= N2, 22AB ΡΒ=β=1-α=1- |HN|2. 2 如果是完全的共價鍵,應該有P=1/2;如果是離子鍵,應該有P=0或1. AA22 如果兩個原子是相同的原子,則有 α=β,是完全的共價鍵.一般情形下,
共價鍵中含有離子鍵的成分. 可以用電離度來描述共價鍵中離子結合的成分.一種電離度的定義為 e 稱為類氫離子.類氫離子的能級公式是 24 mZe e En=- 2n2(4πε0)2..2,。睿剑,2,3,. 原子核雖然很重,但原子核的質量m還是有限的.考慮原子核的質量后,類 0他的報告:《論新的射線》. 倫琴發(fā)現(xiàn)這種神秘的射線有以下幾個特點: 。保哂泻軓姷拇┩感,能透過紙板、薄鋁板等.這說明這種射線和可見 光不同,穿透能力要遠大于可見光. 。玻灾本傳播,不因電磁場作用而偏轉.這說明這種射線和不久以前發(fā) 現(xiàn)的α射線和 β射線性質不同.α射線和 β射線雖然也是以直線傳播的不可 見的射線,但當傳播過程中穿過有電磁場的區(qū)域時,將發(fā)生偏轉.
3.沒有觀察到這種射線的反射和折射.這說明這種射線和可見光不同, 可見光在傳播到不同介質的界面時,會發(fā)生明確的滿足反射定律和折射定律的 反射和折射現(xiàn)象. 。矗苁拐障嗟灼泄猓箽怏w電離. 倫琴當時確定不了這種射線的本質,所以稱它為X射線,意思是 “未知 射線”. 。保梗埃蹦,倫琴由于發(fā)現(xiàn)X射線獲世界上第一個諾貝爾物理學獎. 1912年,勞厄(MaxvonLaue)建議的X射線晶體衍射實驗證實:X射線是 一類波長很短的電磁波.1914年,勞厄獲諾貝爾物理學獎. 現(xiàn)在已知的X射線的波長從0.0 006nm到1nm.這個范圍的界限不是很確 定,放寬說來,X射線的長波端與紫外線的短波端有一定重疊,X射線的短波 端與γ射線的長波端也有一定重疊,這樣X射線的波長范圍可以放寬為從 -6 10nm到10 00nm. 。厣渚的頻率分布由兩部分組成:一部分的波長是連續(xù)變化的,稱為連續(xù) §4.1 11。厣渚與同步輻射光源 。罚 譜;另一部分是分立的線狀譜. 連續(xù)譜X射線的物理機理 高速電子打到X射線管中的靶上時,與靶原子的原子核發(fā)生碰撞,受到 很強的電磁相互作用,在靶原子核的庫侖靜電場的作用下發(fā)生散射,電子有速 度的改變就會放出電磁波— ———X射線,入射電子的能量也就減少了. 若令碰撞前
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