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無機及分析化學 版權信息
- ISBN：9787030667229
- 條形碼：9787030667229 ; 978-7-03-066722-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
無機及分析化學 內容簡介
為了使新生在較短的時間內適應大學的學習方法，更好地掌握基礎知識，著重引導學生用運所學的化學基本理論去處理接觸過或尚未接觸過的描述化學知識，內容可分為三大部分：（1）基本化學理論-原子結構與元素周期律，化學鍵與分子晶體結構，以及配合物化學；（2）化學原理-化學動力學以及化學熱力學基礎，以溶液中的化學平衡理論和化學分析作為化學原理的實際應用，體現理論與實踐的結合；（3）描述化學--元素化學；以化學理論和化學原理為核心內容，探討物質的存在、制備及相互之間化學變化的實質所在。引導學生將宏觀的熱力學數據與微觀的結構因素聯系起來，預測和判斷化學反應發生的可能性及化合物的穩定性等，應用化學理論來指導描述化學的學習。使學生充分理解理論對實踐的指導作用，提高分析問題解決問題的能力。
無機及分析化學 目錄
目錄
序
前言
第1章 原子結構 1
1.1 微觀粒子的特征 1
1.1.1 量子化 1
1.1.2 波粒二象性 5
1.1.3 統計行為 7
1.2 原子核外電子運動的量子化特征 8
1.2.1 薛定諤方程 8
1.2.2 量子數 9
1.3 波函數 12
1.3.1 波函數和概率密度的物理意義 12
1.3.2 原子軌道和概率密度圖形 13
1.4 原子內核外電子的排布 18
1.4.1 核外電子的排布原則 18
1.4.2 單電子原子的能級 19
1.4.3 多電子原子的能級 19
1.4.4 核外電子的結構 24
1.5 元素周期律 25
1.5.1 元素周期表 26
1.5.2 元素性質的周期性變化規律 28
1.6 元素的氧化態 36
1.6.1 正氧化態 36
1.6.2 負氧化態 36
習題 36
第2章 分子結構基礎 40
2.1 分子及其結構與性質的認知 40
2.1.1 化學鍵的鍵參數 40
2.1.2 分子幾何構型 41
2.1.3 分子的電學性質 42
2.1.4 分子的磁性 45
2.1.5 物質的顏色 46
2.2 離子鍵 47
2.3 共價鍵 47
2.3.1 路易斯的共價鍵理論 47
2.3.2 海特勒和倫敦用量子力學處理氫分子的結果 48
2.3.3 價鍵理論 50
2.3.4 分子軌道理論 63
2.3.5 分子軌道理論和價鍵理論的對比 68
2.4 金屬鍵 69
2.4.1 金屬鍵的改性共價理論 69
2.4.2 金屬鍵的能帶理論 69
2.5 分子間作用力和氫鍵 71
2.5.1 分子間作用力 71
2.5.2 氫鍵 73
2.5.3 不同分子間作用的比較 76
2.6 相似相溶原理 76
習題 77
第3章 物質狀態與性質 79
3.1 液體 79
3.1.1 飽和蒸氣壓 79
3.1.2 沸點 80
3.2 氣體 80
3.3 固體 82
3.3.1 蒸氣壓和熔點 82
3.3.2 晶格理論基本概念 83
3.3.3 晶體類型 85
3.3.4 鍵型變異現象 91
3.3.5 晶體缺陷 93
3.3.6 非計量化合物 95
3.3.7 固體的物理性質及其影響因素 96
3.4 等離子體 99
3.5 液晶 100
習題 101
第4章 化學熱力學基礎 103
4.1 基本概念 103
4.1.1 體系和環境 103
4.1.2 化學計量系數 103
4.1.3 平衡態 104
4.1.4 反應進度 104
4.1.5 分散系和相 105
4.1.6 狀態、狀態函數、過程與途徑 105
4.1.7 內能 106
4.1.8 熱力學標準狀態 106
4.1.9 可逆過程 107
4.2 熱和功——熱力學**定律 107
4.2.1 化學反應的熱效應 108
4.2.2 熱化學方程式 109
4.2.3 焓變的計算 110
4.3 化學反應的熵變 119
4.3.1 化學反應的方向和自發過程 119
4.3.2 化學反應自發性的熵判據——熱力學第二定律 121
4.3.3 熱力學第三定律 122
4.3.4 熵變的計算 122
4.4 化學反應的吉布斯函數變 123
4.4.1 吉布斯函數 123
4.4.2 吉布斯-亥姆霍茲方程 125
4.4.3 標準摩爾生成吉布斯函數 125
4.4.4 標準吉布斯函數變與溫度的關系 126
4.5 化學平衡 127
4.5.1 可逆反應與化學平衡 127
4.5.2 標準平衡常數 129
4.5.3 平衡常數的確定及應用 131
4.6 化學平衡的移動 134
4.6.1 濃度(或分壓)的影響 134
4.6.2 體系總壓力的影響 136
4.6.3 溫度的影響 137
習題 138
第5章 化學動力學基礎 141
5.1 化學反應速率 141
5.1.1 經驗表示法 141
5.1.2 用反應進度表示反應速率 142
5.2 反應速率理論簡介 143
5.2.1 碰撞理論 143
5.2.2 過渡態理論 145
5.3 影響化學反應速率的因素 146
5.3.1 濃度對化學反應速率的影響——基元反應的質量作用定律 147
5.3.2 溫度對化學反應速率的影響 150
5.3.3 催化劑對化學反應速率的影響 152
5.3.4 其他因素對化學反應速率的影響 154
習題 154
第6章 化學計量與測定基礎 156
6.1 化學計量 156
6.1.1 誤差與準確度 156
6.1.2 偏差與精密度 157
6.1.3 準確度和精密度的關系 157
6.1.4 誤差的分類、產生的原因、規律及減免 157
6.2 有效數字及其應用 159
6.2.1 有效數字的意義和位數 160
6.2.2 有效數字的運算規則 160
6.3 分析測定方法的分類 161
6.4 定量分析測定的一般過程 162
6.4.1 取樣 162
6.4.2 試樣的干燥與儲存 162
6.4.3 試樣分解、制備 163
6.4.4 消除干擾 163
6.4.5 分析測定方法的選擇和測定 163
6.4.6 測定結果的計算、評價與報告 164
6.5 實驗結果的表示 164
6.5.1 數據集中趨勢的表示 164
6.5.2 數據分散程度的表示 164
6.5.3 置信度和置信區間 166
6.5.4 可疑數據的取舍 169
6.5.5 平均值與標準值的比較 170
6.5.6 測定結果的表示 171
6.6 滴定分析基本概念 171
6.7 滴定分析法對化學反應的要求和滴定方式 172
6.7.1 直接滴定法對化學反應的要求 172
6.7.2 返滴定法 172
6.7.3 置換滴定法 173
6.7.4 間接滴定法 173
6.8 基準物質和標準溶液 173
6.8.1 基準物質 173
6.8.2 標準溶液的配制 173
6.9 滴定分析中的體積測量 174
6.9.1 儀器的準確度 174
6.9.2 滴瀝誤差 175
習題 175
第7章 酸和堿 177
7.1 酸堿理論的發展 177
7.1.1 酸堿電離理論 177
7.1.2 酸堿質子理論 178
7.1.3 酸堿電子理論 180
7.1.4 軟硬酸堿理論 180
7.1.5 不常見的酸堿理論 181
7.2 弱電解質的解離平衡 181
7.2.1 水的解離 181
7.2.2 弱酸弱堿的解離平衡 182
7.2.3 水溶液中的酸堿性標度 185
7.3 影響酸堿強度的因素 186
7.3.1 物質的本性決定酸堿的強弱 186
7.3.2 酸堿質子理論確定影響酸堿相對強度的外因 188
7.4 酸堿溶液中氫離子濃度的計算及型體分布 190
7.4.1 質子條件式的確定 190
7.4.2 強酸或強堿溶液 192
7.4.3 一元弱酸、弱堿溶液 193
7.4.4 多元弱酸溶液 199
7.4.5 混合酸溶液 203
7.5 鹽溶液中的水解平衡及氫離子濃度的計算 204
7.5.1 影響鹽水解程度的因素 205
7.5.2 鹽溶液中的酸堿平衡 209
7.6 兩性物質溶液中氫離子濃度的計算 212
7.7 緩沖溶液的性質及氫離子濃度的計算 213
7.7.1 緩沖溶液pH的計算 214
7.7.2 緩沖溶液的性質 215
7.7.3 緩沖溶液的配制 217
7.7.4 血液中的緩沖系及緩沖作用 219
習題 220
第8章 酸堿滴定法 222
8.1 酸堿指示劑 222
8.1.1 酸堿指示劑的變色原理 222
8.1.2 影響酸堿指示劑變色范圍的因素 224
8.1.3 混合指示劑 224
8.2 酸堿滴定法的基本原理 225
8.2.1 強堿滴定強酸或強酸滴定強堿 226
8.2.2 強堿滴定一元弱酸或強酸滴定一元弱堿 228
8.2.3 極弱的酸或堿的強化 231
8.2.4 多元酸(堿)和混合酸(堿)的滴定 232
8.3 酸堿滴定法的應用 235
8.3.1 常用酸堿標準溶液的配制和標定 235
8.3.2 酸堿滴定法應用示例 237
習題 240
第9章 配位化合物 242
9.1 配位化合物的基本概念 242
9.1.1 配合物的組成 243
9.1.2 配合物的命名 245
9.2 配合物的穩定性表示 246
9.2.1 配合物的穩定常數和不穩定常數 246
9.2.2 配合物的逐級穩定常數和逐級不穩定常數 247
9.2.3 配合物的累積穩定常數 248
9.2.4 配合物的型體分布 253
9.2.5 依據配合物穩定常數的計算 254
9.3 配合物的化學鍵理論 255
9.3.1 配位化合物價鍵理論 256
9.3.2 配位化合物晶體場理論 262
9.4 外界因素對配位化合物穩定性的影響 266
9.4.1 配位體L的質子化常數 266
9.4.2 酸效應 267
9.4.3 配位效應 269
9.5 金屬配合物——一類有前景的抗癌藥物 269
9.5.1 鉑類金屬配合物抗癌藥物 269
9.5.2 釕類金屬配合物抗癌藥物 270
習題 274
第10章 配位滴定法 277
10.1 配位滴定法所用配位劑 277
10.2 金屬離子與EDTA配合物的特點 279
10.3 M與Y生成配合物的條件穩定常數 280
10.3.1 滴定劑Y的副反應系數 281
10.3.2 金屬離子M的副反應系數 283
10.3.3 配合物的副反應系數 284
10.4 配位滴定基本原理 287
10.4.1 滴定曲線 287
10.4.2 定量反應的判據 289
10.4.3 金屬指示劑 290
10.5 單一離子滴定中酸度的控制 294
10.5.1 滴定的*高酸度與*低酸度 294
10.5.2 用指示劑確定終點時滴定的*佳酸度 295
10.5.3 配位滴定中緩沖劑的作用 295
10.6 混合離子的選擇性滴定 295
10.6.1 控制酸度進行分步滴定 295
10.6.2 使用掩蔽劑的選擇性滴定 297
10.7 配位滴定的應用實例 299
10.7.1 各種滴定方式和應用 300
10.7.2 標準溶液的配制和標定 302
習題 302
第11章 固體難溶電解質 304
11.1 溶度積規則 304
11.2 影響沉淀生成的因素 306
11.2.1 沉淀劑 306
1
序
前言
第1章 原子結構 1
1.1 微觀粒子的特征 1
1.1.1 量子化 1
1.1.2 波粒二象性 5
1.1.3 統計行為 7
1.2 原子核外電子運動的量子化特征 8
1.2.1 薛定諤方程 8
1.2.2 量子數 9
1.3 波函數 12
1.3.1 波函數和概率密度的物理意義 12
1.3.2 原子軌道和概率密度圖形 13
1.4 原子內核外電子的排布 18
1.4.1 核外電子的排布原則 18
1.4.2 單電子原子的能級 19
1.4.3 多電子原子的能級 19
1.4.4 核外電子的結構 24
1.5 元素周期律 25
1.5.1 元素周期表 26
1.5.2 元素性質的周期性變化規律 28
1.6 元素的氧化態 36
1.6.1 正氧化態 36
1.6.2 負氧化態 36
習題 36
第2章 分子結構基礎 40
2.1 分子及其結構與性質的認知 40
2.1.1 化學鍵的鍵參數 40
2.1.2 分子幾何構型 41
2.1.3 分子的電學性質 42
2.1.4 分子的磁性 45
2.1.5 物質的顏色 46
2.2 離子鍵 47
2.3 共價鍵 47
2.3.1 路易斯的共價鍵理論 47
2.3.2 海特勒和倫敦用量子力學處理氫分子的結果 48
2.3.3 價鍵理論 50
2.3.4 分子軌道理論 63
2.3.5 分子軌道理論和價鍵理論的對比 68
2.4 金屬鍵 69
2.4.1 金屬鍵的改性共價理論 69
2.4.2 金屬鍵的能帶理論 69
2.5 分子間作用力和氫鍵 71
2.5.1 分子間作用力 71
2.5.2 氫鍵 73
2.5.3 不同分子間作用的比較 76
2.6 相似相溶原理 76
習題 77
第3章 物質狀態與性質 79
3.1 液體 79
3.1.1 飽和蒸氣壓 79
3.1.2 沸點 80
3.2 氣體 80
3.3 固體 82
3.3.1 蒸氣壓和熔點 82
3.3.2 晶格理論基本概念 83
3.3.3 晶體類型 85
3.3.4 鍵型變異現象 91
3.3.5 晶體缺陷 93
3.3.6 非計量化合物 95
3.3.7 固體的物理性質及其影響因素 96
3.4 等離子體 99
3.5 液晶 100
習題 101
第4章 化學熱力學基礎 103
4.1 基本概念 103
4.1.1 體系和環境 103
4.1.2 化學計量系數 103
4.1.3 平衡態 104
4.1.4 反應進度 104
4.1.5 分散系和相 105
4.1.6 狀態、狀態函數、過程與途徑 105
4.1.7 內能 106
4.1.8 熱力學標準狀態 106
4.1.9 可逆過程 107
4.2 熱和功——熱力學**定律 107
4.2.1 化學反應的熱效應 108
4.2.2 熱化學方程式 109
4.2.3 焓變的計算 110
4.3 化學反應的熵變 119
4.3.1 化學反應的方向和自發過程 119
4.3.2 化學反應自發性的熵判據——熱力學第二定律 121
4.3.3 熱力學第三定律 122
4.3.4 熵變的計算 122
4.4 化學反應的吉布斯函數變 123
4.4.1 吉布斯函數 123
4.4.2 吉布斯-亥姆霍茲方程 125
4.4.3 標準摩爾生成吉布斯函數 125
4.4.4 標準吉布斯函數變與溫度的關系 126
4.5 化學平衡 127
4.5.1 可逆反應與化學平衡 127
4.5.2 標準平衡常數 129
4.5.3 平衡常數的確定及應用 131
4.6 化學平衡的移動 134
4.6.1 濃度(或分壓)的影響 134
4.6.2 體系總壓力的影響 136
4.6.3 溫度的影響 137
習題 138
第5章 化學動力學基礎 141
5.1 化學反應速率 141
5.1.1 經驗表示法 141
5.1.2 用反應進度表示反應速率 142
5.2 反應速率理論簡介 143
5.2.1 碰撞理論 143
5.2.2 過渡態理論 145
5.3 影響化學反應速率的因素 146
5.3.1 濃度對化學反應速率的影響——基元反應的質量作用定律 147
5.3.2 溫度對化學反應速率的影響 150
5.3.3 催化劑對化學反應速率的影響 152
5.3.4 其他因素對化學反應速率的影響 154
習題 154
第6章 化學計量與測定基礎 156
6.1 化學計量 156
6.1.1 誤差與準確度 156
6.1.2 偏差與精密度 157
6.1.3 準確度和精密度的關系 157
6.1.4 誤差的分類、產生的原因、規律及減免 157
6.2 有效數字及其應用 159
6.2.1 有效數字的意義和位數 160
6.2.2 有效數字的運算規則 160
6.3 分析測定方法的分類 161
6.4 定量分析測定的一般過程 162
6.4.1 取樣 162
6.4.2 試樣的干燥與儲存 162
6.4.3 試樣分解、制備 163
6.4.4 消除干擾 163
6.4.5 分析測定方法的選擇和測定 163
6.4.6 測定結果的計算、評價與報告 164
6.5 實驗結果的表示 164
6.5.1 數據集中趨勢的表示 164
6.5.2 數據分散程度的表示 164
6.5.3 置信度和置信區間 166
6.5.4 可疑數據的取舍 169
6.5.5 平均值與標準值的比較 170
6.5.6 測定結果的表示 171
6.6 滴定分析基本概念 171
6.7 滴定分析法對化學反應的要求和滴定方式 172
6.7.1 直接滴定法對化學反應的要求 172
6.7.2 返滴定法 172
6.7.3 置換滴定法 173
6.7.4 間接滴定法 173
6.8 基準物質和標準溶液 173
6.8.1 基準物質 173
6.8.2 標準溶液的配制 173
6.9 滴定分析中的體積測量 174
6.9.1 儀器的準確度 174
6.9.2 滴瀝誤差 175
習題 175
第7章 酸和堿 177
7.1 酸堿理論的發展 177
7.1.1 酸堿電離理論 177
7.1.2 酸堿質子理論 178
7.1.3 酸堿電子理論 180
7.1.4 軟硬酸堿理論 180
7.1.5 不常見的酸堿理論 181
7.2 弱電解質的解離平衡 181
7.2.1 水的解離 181
7.2.2 弱酸弱堿的解離平衡 182
7.2.3 水溶液中的酸堿性標度 185
7.3 影響酸堿強度的因素 186
7.3.1 物質的本性決定酸堿的強弱 186
7.3.2 酸堿質子理論確定影響酸堿相對強度的外因 188
7.4 酸堿溶液中氫離子濃度的計算及型體分布 190
7.4.1 質子條件式的確定 190
7.4.2 強酸或強堿溶液 192
7.4.3 一元弱酸、弱堿溶液 193
7.4.4 多元弱酸溶液 199
7.4.5 混合酸溶液 203
7.5 鹽溶液中的水解平衡及氫離子濃度的計算 204
7.5.1 影響鹽水解程度的因素 205
7.5.2 鹽溶液中的酸堿平衡 209
7.6 兩性物質溶液中氫離子濃度的計算 212
7.7 緩沖溶液的性質及氫離子濃度的計算 213
7.7.1 緩沖溶液pH的計算 214
7.7.2 緩沖溶液的性質 215
7.7.3 緩沖溶液的配制 217
7.7.4 血液中的緩沖系及緩沖作用 219
習題 220
第8章 酸堿滴定法 222
8.1 酸堿指示劑 222
8.1.1 酸堿指示劑的變色原理 222
8.1.2 影響酸堿指示劑變色范圍的因素 224
8.1.3 混合指示劑 224
8.2 酸堿滴定法的基本原理 225
8.2.1 強堿滴定強酸或強酸滴定強堿 226
8.2.2 強堿滴定一元弱酸或強酸滴定一元弱堿 228
8.2.3 極弱的酸或堿的強化 231
8.2.4 多元酸(堿)和混合酸(堿)的滴定 232
8.3 酸堿滴定法的應用 235
8.3.1 常用酸堿標準溶液的配制和標定 235
8.3.2 酸堿滴定法應用示例 237
習題 240
第9章 配位化合物 242
9.1 配位化合物的基本概念 242
9.1.1 配合物的組成 243
9.1.2 配合物的命名 245
9.2 配合物的穩定性表示 246
9.2.1 配合物的穩定常數和不穩定常數 246
9.2.2 配合物的逐級穩定常數和逐級不穩定常數 247
9.2.3 配合物的累積穩定常數 248
9.2.4 配合物的型體分布 253
9.2.5 依據配合物穩定常數的計算 254
9.3 配合物的化學鍵理論 255
9.3.1 配位化合物價鍵理論 256
9.3.2 配位化合物晶體場理論 262
9.4 外界因素對配位化合物穩定性的影響 266
9.4.1 配位體L的質子化常數 266
9.4.2 酸效應 267
9.4.3 配位效應 269
9.5 金屬配合物——一類有前景的抗癌藥物 269
9.5.1 鉑類金屬配合物抗癌藥物 269
9.5.2 釕類金屬配合物抗癌藥物 270
習題 274
第10章 配位滴定法 277
10.1 配位滴定法所用配位劑 277
10.2 金屬離子與EDTA配合物的特點 279
10.3 M與Y生成配合物的條件穩定常數 280
10.3.1 滴定劑Y的副反應系數 281
10.3.2 金屬離子M的副反應系數 283
10.3.3 配合物的副反應系數 284
10.4 配位滴定基本原理 287
10.4.1 滴定曲線 287
10.4.2 定量反應的判據 289
10.4.3 金屬指示劑 290
10.5 單一離子滴定中酸度的控制 294
10.5.1 滴定的*高酸度與*低酸度 294
10.5.2 用指示劑確定終點時滴定的*佳酸度 295
10.5.3 配位滴定中緩沖劑的作用 295
10.6 混合離子的選擇性滴定 295
10.6.1 控制酸度進行分步滴定 295
10.6.2 使用掩蔽劑的選擇性滴定 297
10.7 配位滴定的應用實例 299
10.7.1 各種滴定方式和應用 300
10.7.2 標準溶液的配制和標定 302
習題 302
第11章 固體難溶電解質 304
11.1 溶度積規則 304
11.2 影響沉淀生成的因素 306
11.2.1 沉淀劑 306
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無機及分析化學 節選
第1章 原子結構 人類在長期的生產實踐和科學實驗中，接觸到的物質種類很多，性質千差萬別。不同物質在性質上的差異是物質的內部結構不同引起的。在化學反應中，原子核并不發生變化，變化的只是核外電子的運動狀態。因此，要了解物質的性質及其變化規律，首先必須了解原子的內部結構，特別是核外電子的運動狀態。本章將從微觀粒子的特征出發，運用量子力學的觀點定性地介紹氫原子和多電子原子中電子的運動狀態和所遵循的運動規律。 1.1 微觀粒子的特征 看得見摸得著的物質通常稱為宏觀物體，電子、原子、分子等在高倍顯微鏡下看不到、空間線度小于108m的微小粒子稱為微觀粒子。微觀粒子的運動規律與宏觀物體的運動規律有本質的不同，它們具有量子化、波粒二象性和統計行為的特征。 1.1.1 量子化 在經典物理學中，對體系物理量變化的*小值沒有限制，它們可以任意連續變化。例如，長度的單位可以是米(m)、厘米(cm)，也可以是埃(A)等，要多小可以取多小；面積、時間和速度等的變化也是如此。這些物理量的變化沒有*小結構單位，我們稱之為連續的。但在量子力學中，物理量只能以確定的大小一份一份地進行變化，具體一份有多大要隨體系所處的狀態而定。例如，帶電體所帶的電量，只能是一個基本電荷電量(1.602×109C)的整數倍。這種物理量只能取某些分離數值的特征稱為量子化(quantization)。1803年，道爾頓(John Dalton，1766—1844，英國物理學家、化學家)所著的《化學哲學新體系》全面闡述了化學原子論的思想：元素是由非常微小的、看不見的、不可再分割的原子組成；原子不能創造，不能毀滅，也不能轉變，所以在一切化學反應中都保持自己原有的性質；同一種元素的原子形狀、質量及性質都相同，不同元素的原子的形狀、質量及性質則不相同，原子的質量(而不是形狀)是元素*基本的特征；不同元素的原子以簡單的數目比例相結合，形成化合物。化合物的原子稱為復雜原子，它的質量等于其組合原子質量的和。原子論明確了原子是構成物質的*小單位。 物理量的量子化只有在微觀世界才有意義。對宏觀世界，量子化并不占重要地位，如電流，嚴格說它有*小結構單位——電子，但相對于數量宏大的電子流，電子的大小可忽略，從宏觀上看，電流是連續的。因此，量子化是微觀粒子的特征。下面從“光”開始探討微觀粒子的量子化特征。 1.光的量子化特征 1900年，普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858—1947，德國物理學家)在研究黑體輻射時提出了著名的量子假說——物質吸收或發射的能量是不連續的。普朗克的量子論成功地解釋了熱輻射現象，也開啟了現代量子理論的大門。1905年愛因斯坦(Albert Einstein，1879—1955，德國物理學家)應用普朗克的量子論成功地解釋了光電效應，提出了光子學說： (1) 光是一束光子流，每一種頻率的光的能量都有一個*小單位，稱為光量子(light quantum)，簡稱光子(photon)。光子的能量與光子的頻率成正比，即 (1-1) (2) 光子不但有能量(E)，還有質量(m)，但光子的靜止質量為零。根據相對論的質能關系式，則光子的質量： (1-2) 所以不同頻率的光子有不同的質量。 (3) 光子具有一定的動量： (1-3) 式中：h為普朗克常量，=6.626×1034J s；為光的頻率；為光的波長；c為光速，c = 2.99792458 × 108m s1。 (4) 光的強度取決于單位體積內光子的數目，即光子的密度。 光子學說不僅指出光具有明顯的粒子性，也說明了光能的不連續性——具有量子化特征。微觀粒子能量是量子化的更為重要的證據是原子光譜，它證實了原子能量具有量子化特征。 2.氫原子光譜——原子能量的量子化特征 一束白光通過三棱鏡折射后，由于折射率不同，會呈現出顏色漸變的光譜，稱為連續光譜(continuous spectrum)。例如，自然界中，雨后天空中的彩虹是連續光譜。以火焰、電弧、電火花等方法灼燒化合物時發出的光經三棱鏡折射在屏幕上，得到一系列不連續的譜線，稱為線狀光譜(line spectrum)。線狀光譜是由游離狀態的原子發射的，也稱為原子光譜(atomic spectrum)。許多情況下光是由原子內部電子的運動產生的，因此光譜研究是探索原子結構的重要途徑之一。原子不同，發射的光譜也不同，每一種元素的原子只能發出具有其特征的線狀光譜，稱為原子的特征譜線，可作為現代光譜分析的基礎。 原子光譜中以氫原子光譜*簡單。在真空管中充入少量高純的氫氣，通過高壓放電，氫分子電離為游離狀態的氫原子并發光；氫氣可以產生可見光、紫外光和紅外光，這些光經過三棱鏡分成一系列按波長大小排列的線狀光譜，即氫原子光譜(圖1-1)。仔細觀察圖1-1，可看到氫原子光譜在可見光區有四條比較明顯的譜線，通常表示為：H(= 652.2nm)，H(= 486.1nm)，H(= 434.0nm)，H(= 410.2nm)。從H到H譜線間隔越來越小，直到*后與該系極限合并為止。1885年，巴耳末(Johann Jakob Balmer，1825—1898，瑞士數學家、物理學家)對當時已知的、在可見光區的14條譜線作了分析，發現這些譜線的波長可以用公式表示為 (1-4) 式中：B為常數，；。 或表示為(1-5) 圖1-1 氫原子光譜實驗示意圖 式中：為波數，；R=1.0973731×107m1。 式(1-5)稱為巴耳末公式，他確定的這一組譜線稱為巴耳末系(656～365nm)。可以看出，n只能取整數，不能連續取值，波長也只會是分立的值。后來發現的氫光譜，萊曼(Theodore Lyman，1874—1954，美國物理學家)研究了位于紫外光波段(122～91.1nm)的譜線——萊曼系；帕邢(Friedrich Paschen，1865—1947，德國物理學家)研究了位于紅外光波段(1870～820nm)的譜線——帕邢系。帕邢系和萊曼系也都滿足與巴耳末公式類似的關系式。 1913年，里德伯(Johannes Rober Rydberg，1854—1919，瑞典物理學家、數學家)在萊曼、巴耳末和帕邢等工作的基礎上，找出了一個相當簡單的數學表達式來表明所有譜線的位置，這個表達式就是里德伯公式： (1-6) 式中：RH為里德伯常量，由實驗準確測得RH=1.0967758×107m1；n1和n2為正整數，而且n2＞n1。例如，當n1=2，n2=3時，則=1.0967758×107m1×＝15233.00cm1，=656.5nm。與圖1-1比較可知，這就是巴耳末系中的**條譜線。n2分別取4、5、6等做類似的計算可以得出氫原子光譜中巴耳末系的所有譜線。若令n1=1，可以計算萊曼系的所有譜線。因此，里德伯公式在一定程度上反映了氫原子光譜的規律性。 3.玻爾理論 1913年，玻爾(Niels Henrik David Bohr，1885—1962，丹麥物理學家)吸取了普朗克的電磁輻射的量子理論和愛因斯坦的光子學說的*新成就，在盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937，英國物理學家)有核原子模型的基礎上提出了一個可以計算氫原子光譜譜線位置的玻爾原子模型，稱為玻爾理論。玻爾理論的三大假設如下： (1) 定態假設：原子系統只能處在一系列不連續的能量狀態。在這些狀態中，電子在一些特定的軌道上做加速運動，不輻射電磁波，這些狀態稱為原子的穩定狀態，簡稱定態或能級，不同的能級具有不同的能量。這個假設是經驗性的，但解決了原子的穩定問題。按照經典電磁理論，電子繞原子核做變速運動，會向外輻射電磁波，使電子向原子核靠近，*后導致原子結構的破壞。 (2) 躍遷假設：當原子從一能量為的定態躍遷到另一能量為的定態時，要吸收或放出一個頻率為的光子。 (玻爾頻率公式) (1-7) 這個假設是從普朗克量子假設引申而來的，很好地解釋了原子光譜的起源問題。 (3) 量子化條件：核外電子繞核運動時，其穩定態必須滿足電子的角動量M等于的整數倍的條件，即 (角動量量子化條件) (1-8) 式中：m=9.11×1031kg，為電子質量；v為電子運動速度；r為圓形軌道的半徑；h為普朗克常量；為約化普朗克常量。 根據玻爾理論電子繞核做圓周運動的模型及角動量量子化條件假設，可以計算出原子處于各定態時的電子軌道半徑r： (1-9) 式中：e為電子電荷(1.602×1019C)；n為軌道能級；0為真空介電常量(8.85×1012F m1)。，(正整數)。當時，，即玻爾半徑，通常用a0表示。電子處在原子半徑為的軌道上運動時，可計算出氫原子系統的能量： (能量量子化的條件) (1-10) 當時，，即基態；＞的各穩定態稱為激發態；當時，→，→0，能級趨向于連續。利用玻爾假設所得的結論，可以得到氫原子光譜的波數公式： (1-11) 與氫原子光譜經驗公式是一致的，R的理論值與實驗值符合得很好。 【例1-1】 計算氫原子的電子從第三層軌道(n=3)躍遷到第二層軌道(n=2)時，發射出光子的波長。 解 根據玻爾理論假設： 上述波長恰好是氫原子光譜中巴耳末系的**條譜線，這是電子從軌道n=3躍遷到軌道n=2所發射譜線的波長。用相同的方法，可以得到氫原子光譜中所有譜線的波長，并且計算值與實驗值非常吻合。 因此，玻爾推導的公式與里德伯公式完全一致，并且里德伯常量的計算值與實驗值也相符合。這就從理論上解釋了氫原子光譜的規律性。應當指出的是：由玻爾假設所得到的氫原子光譜的波數公式中的n1和n2有著如圖1-2所示的明確的物理意義，它們分別表示不同的軌道。 圖1-2 氫原子光譜中各線系譜線產生示意圖 玻爾理論引進了量子化的概念，成功解釋了氫原子光譜，但不能說明多電子原子的光譜，也不能解釋氫原子光譜的每條譜線均有數條波長相差極小的譜線組成的事實，更不能說明電子在一定軌道上穩定存在的原因。并且，玻爾理論雖然以經典理論為基礎，而定態假設又和經典理論相抵觸；量子化條件的引入沒有適當的理論解釋；對譜線的強度、寬度、偏振等無法處理。 1.1.2 波粒二象性 1.實物和場 按照19世紀前人們對自然界的認識，物質的基本類型只局限于實物和場兩種。光、電、聲、磁等屬于場，具有波動性。1801年，楊(Thomas Young，1773—1829，英國物理學家)完成了楊氏雙縫實驗，并引入光的干涉的概念，論證了光的波動說。而實物微粒則指靜止質量不為零的微觀粒子，如分子、原子和中子等。但是，許多實驗結果之間出現了難以解釋的矛盾。例如，愛因斯坦研究光電效應展示了光具有粒子性的一面——實物。又如，原本被認為是一種場的電，1897年被湯姆孫(Joseph John Thomson，1856—1940，英國物理學家)的陰極射線實驗證明，是由帶負電荷的微粒(電子)組成。即光和電這些場也具有實物的粒子性。 物理學家相信，這些表面上的矛盾勢必有其深刻的根源。1923年，德布羅意(Louis Victor de Broglie，1892—1987，法國理論物理學家)*早想到了這個問題，并且大膽地設想：愛因斯坦對于光子建立起來的兩個關系式會不會也適用于實物粒子，即實物粒子也同樣具有波動性。為了證實這一設想，1923年德布羅意提出了電子衍射實驗的設想。1927年，戴維森(Clinton Joseph Davisson，1881—1958，美國實驗物理學家
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