第一節(jié) 原子結構與周期律的發(fā)現(xiàn)

第一節(jié)原子結構與周期律的發(fā)現(xiàn)第一頁，共六十四頁，2022年，8月28日時間：

19世紀末至今。第二頁，共六十四頁，2022年，8月28日特點現(xiàn)代化學的興起使化學從無機化學和有機化學的基礎上，發(fā)展成為多分支學科的科學，開始建立了以無機化學、有機化學、分析化學、物理化學和高分子化學為分支學科的化學學科?；瘜W家這位“分子建筑師”將運用善變之手，為全人類創(chuàng)造今日之大廈、明日之環(huán)宇。

第三頁，共六十四頁，2022年，8月28日本篇內(nèi)容：第一節(jié)原子結構與周期律的發(fā)展第二節(jié)核化學的產(chǎn)生與發(fā)展第三節(jié)現(xiàn)代化學的特點及發(fā)展趨勢第四頁，共六十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)原子結構與周期律的發(fā)展第五頁，共六十四頁，2022年，8月28日本節(jié)內(nèi)容一、化學進入微觀領域二、原子結構理論模型的建立和發(fā)展第六頁，共六十四頁，2022年，8月28日一、化學進入微觀領域

19世紀末，物理學上出現(xiàn)了三大發(fā)現(xiàn)，即X射線、放射性和電子。這些新發(fā)現(xiàn)猛烈地沖擊了道爾頓關于原子不可分割的觀念，從而打開了原子和原子核內(nèi)部結構的大門，揭露了微觀世界中更深層次的奧秘。

第七頁，共六十四頁，2022年，8月28日(一)X射線的發(fā)現(xiàn)

X射線，亦稱倫琴射線，它是德國科學家倫琴在1895年發(fā)現(xiàn)。第八頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.倫琴簡介威爾姆·康拉德·倫琴(WilhenmConradRontgen)，1845年誕生在萊納普(Lennep)萊茵蘭州的一個城鎮(zhèn)上。他的母親是荷蘭人，在他三歲時，家搬到了荷蘭的阿佩爾鄉(xiāng)恩。在荷蘭學習之后，倫琴于1865年去蘇黎世，在那里的綜合工業(yè)學院學習機械工程。

倫琴第九頁，共六十四頁，2022年，8月28日1868年從綜合工業(yè)學院畢業(yè)，1869年在蘇黎世大學獲得博士頭銜。1870年，他回到德國當孔特的助手，開始在維爾茨堡，后來在斯特拉斯堡；他成為一個大學兼課教師，1876年被委任為一所規(guī)模較小的德國大學的物理教授后，他以一個并不突出但還不錯的物理學家的形象開始了他的學術生涯。1888年，他完成了一件重要的工作，證明了對流電流與傳導電流是相同的。

第十頁，共六十四頁，2022年，8月28日1901年倫琴獲得了第一個物理學諾貝爾獎金。1900年他已搬到了慕尼黑，在那里，他成為實驗物理研究所所長。1914年，他在著名的德國科學家表示他們與軍國主義德國休戚相關的宣言上簽了名，但后來他對此感到懊悔。在第一次世界大戰(zhàn)期間和隨后的通貨膨漲中，他相當苦惱。1923年2月10日，倫琴在慕尼黑逝世，享年78歲。第十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.X射線的發(fā)現(xiàn)

1895年11月8日傍晚，倫琴在一個完全遮光的暗室房間里，利用克魯克斯管研究陰極射線，他用黑紙板把克魯克斯管完全包了起來，在離管子一定距離的地方放上一張紙片，當作屏幕使用，并在上面涂有氰化鋇鉑。使倫琴感到意外的是，他看見涂有氰化鋇鉑屏幕有熒光，發(fā)出了亮光。倫琴想管子被包在黑紙板內(nèi)的，沒有光或陰極射線能從里面透出，這個光是從哪來的？這個沒有想到的現(xiàn)象出現(xiàn)，使他感到意外和困惑。(1)意外發(fā)現(xiàn)第十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)進一步研究

他把這個屏轉了一個面，使沒有氰化鋇鉑的那一面朝著管子，這樣做，屏仍然發(fā)熒光。他將屏移得離管子更遠一些，熒光依然存在。然后，他在管子和屏之間放了幾樣東西，但所有這些東西看來都象是透明的一樣。當他在管子前面移動他的手時，更驚奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了，他在屏上看到了他手的骨胳。正如他在關于這個學科的第一本出版物中所稱呼的那樣，他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“一種新的射線”。第十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日(3)確定那時倫琴獨個兒在他的實驗室里工作，在其后的日子里繼續(xù)一個人做他的實驗，沒有對任何人提及他所觀察到的結果。他的妻子注意到他被什么事情迷住了，但又不知道為什么，開始為他擔憂。而倫琴愿意告訴她的，只是說他正在研究一件重要的事情，后來他解釋了他保持沉默的理由：他一直對他自己的發(fā)現(xiàn)感到驚訝，它是那樣地值得懷疑以致于他一直感到需要一而再、再而三地使他自己確信這些新射線的存在。終于他將他的研究結果記錄到照相底板上去，最后肯定了他的發(fā)現(xiàn)。第十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日(4)新射線的性質倫琴繼續(xù)描述他在七個星期“秘密”研究中所得到的結果：物體對他的“新射線”在不同程度上是透明的；照相底片被“新射線”感光；他不能觀察到任何可感覺得到的射線的反射和折射；它也不能用磁場將他們偏轉，這種“新射線”放自電管上被陰極射線擊中的那塊管壁上。第十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日(5)研究結果的發(fā)表1896年1月1日，他發(fā)出了他的預先印好的文章，引起了一場大轟動。他的論文是令人難以置信的——但是他在寄送論文時也附寄了得到的X射線照相，這提供了一個不能輕易地不予理睬的證據(jù)。玻耳茲曼、華爾堡(Warburg)、科爾勞施(Kohlrausch)、開耳芬勛爵、斯托克斯(Stokes)和龐加萊是早期收到他通訊的人。一讀完倫琴的論文，許多科學家立刻就跑進他們的實驗室，拿出電火花線圈，著手試驗看看他們自己是否能夠找到X射線，結果他們都成功了。第十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日(6)研究結果的影響

在1896年元月里，發(fā)現(xiàn)X射線的新聞業(yè)已在全世界引起了巨大的騷動。我們能夠想象出當時人們對這些射線的無限驚訝：幾乎任何東西對它們來說都是透明的；用這些射線人們可以看見自己的骨胳；看不到手指上的肉但能看到手指上帶的指環(huán)，且十分清楚，象嵌入體內(nèi)的子彈一樣。第十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日(7)應用人們立即就領悟到它對醫(yī)學的影響。懂得這個發(fā)現(xiàn)的重要意義的不一定非要是科學家。在1896年還是一個小孩的未來物理學家A.N.達·科斯塔·安德雷德(A.N.daCostaAndrade)曾聽說上帝能看見每樣東西和每個地方，聽見了關于X射線的事情之后，他開始相信他過去曾經(jīng)懷疑過的事情。1月23月，倫琴在物理醫(yī)學學會作了關于他的發(fā)現(xiàn)的唯一的一次公開講演，人們以暴風雨般的掌聲向他致意。第十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日(二)放射性的發(fā)現(xiàn)在X射線發(fā)現(xiàn)之后，科學界掀起一個研究射線、熒光的熱潮。其中，居里夫人發(fā)現(xiàn)放射性又是一個重大發(fā)現(xiàn)。第十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.居里夫人簡介(1)居里夫人的生平

法國物理學家和放射化學家。居里夫人即瑪麗居里(MarieCurie)，是一位原籍為波蘭的法國科學家。居里夫人在婚前姓名為曼婭.斯卡洛多斯卡(波蘭文為ManyaSklodowska)，1867年波蘭正處于俄國的統(tǒng)治之下。曼婭的父母都是教師，在她出生(她是他們的的第五個孩子)后不久他們就失去了教師職位。第二十頁，共六十四頁，2022年，8月28日1867年11月7日生于波蘭華沙，1934年7月4日卒于法國上薩瓦省。1883年中學畢業(yè)，并獲得金質獎章。由于家中經(jīng)濟困難和當時波蘭的大學不接受女生，她擔任家庭教師八年。1891年到法國深造，進了巴黎大學攻讀物理學和數(shù)學。1893年以優(yōu)異成績畢業(yè)于巴黎大學理學院物理系，畢業(yè)時成績名列全班第一。第二十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日1894年她與法國物理學家皮埃爾.居里相識，第二年，1895年她與皮埃爾.居里結婚。1904年被巴黎大學聘為助教；她與她的丈夫皮埃爾.居里(PierreCurie)都是放射性的早期研究者，1906年皮埃爾.居里去世后，她接替了丈夫的工作，成為巴黎大學第一位女教授。第二十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)居里夫人主要研究成果發(fā)現(xiàn)了元素的放射性；發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)；分離出純的金屬鐳。第二十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日(3)居里夫人獲得的榮譽發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)，與法國物理學家亨利.貝克勒爾(HenryBecquerel)分享了1903年諾貝爾物理學獎。因分離出純的金屬鐳而又獲得1911年諾貝爾化學獎。第二十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日她是法國科學院第一個女院士，并被15個國家的科學院選為院士。居里一生中擔任25個國家的104個榮譽職位，接受過7個國家的24次獎金或獎章。主要著作有《同位素及其組成》、《論放射性》、《放射性物質及其輻射的研究》。第二十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.放射性的發(fā)現(xiàn)

在H.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射現(xiàn)象以后，M.居里和P.居里首先對各種物質進行放射性考察，發(fā)現(xiàn)元素釷也具有放射性，鈾礦物則有著比純鈾高得多的放射性；依靠科學推測和精巧實驗技術，1898年在鈾礦物中發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳，并開創(chuàng)了一門新的科學──放射化學。第二十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日(1)放射性的發(fā)現(xiàn)從1896年開始，居里夫婦開始共同研究放射性。在此之前，德國物理學家倫琴(WilhelmRoentgen1845-1923)發(fā)現(xiàn)了X-射線(他因此獲得1901年諾貝爾物理學獎)。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾鹽也能發(fā)射出類似的射線，發(fā)現(xiàn)了鈾的發(fā)射性。第二十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)元素釙的發(fā)現(xiàn)居里夫人繼續(xù)對鈾的放射性進行研究，并發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦的放射性比按含鈾量推算的放射性大的多，她大膽預測，瀝青鈾礦中，一定含有一種放射性更強的化學元素。經(jīng)過反復研究，努力尋找，終于在1898年7月，首先發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙(Po)，之所以命名為釙(polonium)，是為了紀念她的祖國波蘭(Polonia，拉丁文)。第二十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日(3)元素鐳的發(fā)現(xiàn)釙發(fā)現(xiàn)后，居里夫人繼續(xù)從剩余的瀝青鈾礦中提煉放射性物質。她發(fā)現(xiàn)，剩余的瀝青鈾礦的放射性，比按鈾量推算的值大200萬倍。她由此推測還存在一種放射性更強的新元素，終于，在1898年末，發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳，命名為鐳的意思是“賦予放射性的物質”。第二十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日(4)鐳的的制備

按照傳統(tǒng)的概念，確證一個元素的發(fā)現(xiàn)應該提供可以目睹的該元素的足夠純的化合物或單質樣品。1906年皮埃爾.居里不幸被馬車撞死，但居里夫人并未因此倒下，她仍然繼續(xù)研究，最終與德比恩(AndreDebierne,1874-1949年，于1899年從瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)放射性元素錒Ac)在1910年，從8噸廢瀝青鈾礦中制得1/10克純凈的氯化鐳，最后分離出純凈的金屬鐳。最終經(jīng)光譜分析和原子量測定，證實了元素鐳的存在。第三十頁，共六十四頁，2022年，8月28日(5)放射性鐳的應用在第一次世界大戰(zhàn)期間，她和她的長女婿約里奧.居里一起參加戰(zhàn)地醫(yī)療服務，擔負傷員的X射線透視工作。她積極提倡把鐳用于醫(yī)療方面，使輻射治療(早期也稱為居里治療)得到推廣和提高，使核能造福于人類。第三十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日(6)晚年的居里夫人

20世紀20年代末期，居里夫人的健康狀況開始走下坡路，長期受放射線的照射使她患上白血病，終于在1934年7月4日不治而亡。在此之前幾個月，她的女兒依倫和女婿約里奧-居里(Joliot-Curie)宣布發(fā)現(xiàn)人工放射性（他們倆因此而榮獲1935年諾貝爾化學獎）。第三十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日3.同位素

某些放射性元素具有相同的化學性質，但是卻有不同的放射性特征。這些不同類型的原子應該是相同的元素，稱為“同位素”。第三十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日(1)同位素概念的提出索迪(英國，F(xiàn)rederickSoddy，1877~1956)，1898年畢業(yè)于牛津大學。1900～1903年，在加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學隨盧瑟福工作，共同創(chuàng)立放射性衰變的理論，修正了道爾頓原子學說。1903～1904年，在倫敦大學和拉姆齊合作，證明鐳能產(chǎn)生氦。隨著各種放射性物質的發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了兩種或兩種以上放射性物質無法用化學分離手段分開的事例。索迪認為這是同一元素不同質量的一些原子混合在一起的結果，提出了同位素的概念，同位素一詞是他的1913年首先使用的。第三十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)索迪獲得的榮譽索迪首先發(fā)現(xiàn)放射性物質經(jīng)α衰變后，新物質在周期表中的位置向左移動兩格。由于這些貢獻，他獲得1921年諾貝爾化學獎，1913年獲得坎尼扎羅獎金。第三十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日(3)同位素的進一步研究另一位英國人阿斯頓，在1919年制成了質譜儀，可以用來分離不同質量的粒子，并且測定它們的質量。這就把研究同位素的方法提高了一大步。阿斯頓先后利用質譜儀發(fā)現(xiàn)了很多元素的同位素，他在71種元素之中，陸續(xù)找到了202種同位素，這為我們認識同位素，積累了大量資料。第三十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日(4)同位素提出的意義同位素概念的提出，是對原子論的一次沖擊。一種元素可以有多達6種不同類型的原子。同位素只是原子量的不同，不影響相關的化學性質，保持了元素周期表的完整。第三十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日4.衰變

1899年英國化學家克魯克斯在分離鈾礦過程中，發(fā)現(xiàn)一部分鈾具有放射性，另一部分鈾卻無放射性。其他一些科學家也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。(1)衰變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)第三十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日同時還發(fā)現(xiàn)，釷、鐳等放射性元素不僅能產(chǎn)生具有放射性的物質，而且還能使與它有接觸的物質也產(chǎn)生放射性。并且這種放射性還會隨著時間流逝而減弱，最后會消失。1902年，索迪發(fā)現(xiàn)釷也存在上述現(xiàn)象。第三十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)衰變現(xiàn)象的研究

他們首先對釷的放射性做了大量的實驗。他們將硝酸釷溶液用氨處理，沉淀出氫氧化釷，過濾后檢測干燥的沉淀，其放射性顯著降低，而將濾液蒸干除去硝酸銨后的殘渣，卻有極強的放射性。但過了一個月后，殘渣的放射性消失。他們證實釷的放射性的確變化無常。實驗1第四十頁，共六十四頁，2022年，8月28日

他們還發(fā)現(xiàn)，如果把釷放在密閉的器皿中，其放射性強度較穩(wěn)定，如果放在一個敞開的器皿中，其放射性強度就會變化不定，尤其容易受表面掠過的空氣的影響。他們推測這可能是由于有某種物質放射出來，不久他們便證明這種被放射出來的物質是一種氣體，他們稱它為釷射氣。他們同樣對有放射性的鐳、錒進行實驗研究，也發(fā)現(xiàn)存在同釷一樣的現(xiàn)象。他們把鐳放射出來的氣體稱為鐳射氣，錒放射出來的氣體叫錒射氣。實驗2第四十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日(3)衰變概念的提出根據(jù)這些實驗結果，1902年盧瑟福、索迪提出元素衰變假說：放射性是由于原子本身分裂或衰變?yōu)榱硪环N元素的原子而引起的。這與一般的化學反應不同，它不是原子間或分子間的變化，而是原子本身的自發(fā)變化，衰變放出α、β、γ射線，變成新的放射性元素。第四十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日(三)電子的發(fā)現(xiàn)首先是英國物理學家瓦利和克魯克斯發(fā)現(xiàn)，陰極射線在磁場中會改變方向。后來，法國物理學家佩蘭發(fā)現(xiàn)，把陰極射線收集到金屬筒內(nèi)，金屬筒就會帶負電。(1)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)第四十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日(2)電子電性的確定1897年，克魯克斯的學生，英國著名物理學家湯姆生，系統(tǒng)地研究了陰極射線的性質，發(fā)現(xiàn)陰極射線不僅會被磁場偏轉，而且能被電場偏轉，從而證明，陰極射線是帶負電的粒子，并測出這種粒子的荷質比(電荷e/質量m)。計算表明，荷質比約是氫離子的2000倍，因此它的質量約等于氫原子質量的1/2000。第四十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日(3)關于電子的進一步研究湯姆生進一步實驗證明，不管放電管中裝入什么氣體，也不管電極采用什么材料，陰極射線粒子的荷質比總是保持不變。由此推斷，這種粒子是一種帶負電的獨立的成分，后來又進一步證明它是一切化學元素的組成部分。這預示著電子被發(fā)現(xiàn)了。第四十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日(4)電子概念的提出1874年，英國物理學家斯通尼稱它為electron，稱為“元電荷”，即把一個H+所帶的電荷作為電的基本單位。后來克魯克斯建議應稱electron為“電子”。在后來，美國芝加哥大學的密立根教授經(jīng)4年的努力，在1911年確立了電子的電荷數(shù)和質量數(shù)。第四十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日(5)電子發(fā)現(xiàn)的意義電子的發(fā)現(xiàn)，進一步打破了原子不可分的觀念，此前認為堅不可摧的宇宙基石----原子，終于被證明是可分的，可分出電子，而且無論什么元素的原子都同樣能分出電子來。第四十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日總結

X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，是人類對原子微觀結構深入認識的三個里程碑。這三個發(fā)現(xiàn)，打開了原子的大門，為建立微觀結構理論奠定了基礎。第四十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日二、原子結構理論模型的建立和發(fā)展

電子發(fā)現(xiàn)以后，人們就順理成章的提出，原子含有電子，而電子又帶負電，那么，原子中必然有帶正電的部分，這樣，原子中的電子和帶正電部分的成分，必然會形成一定的結構，那么原子結構是什么樣呢？科學家開始探索這一復雜的問題。第四十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日(一)湯姆生的原子結構模型

1904年，湯姆生提出了一個原子模型：他認為，原子是一個均勻的帶有正電的球體，電子對稱地嵌在這個球中；因為電子在“原子球”中的平衡位置上振動，所以可以發(fā)出電磁輻射，其電磁輻射的頻率，就等于電子振動的頻率。第五十頁，共六十四頁，2022年，8月28日湯姆生的原子結構模型的形象描述湯姆生的原子結構模型，被稱作“葡萄干蛋糕”模型，整個原子就像一塊蛋糕，蛋糕體是帶正電的“原子球”，電子好像嵌在這塊蛋糕中的葡萄干。不正確性第五十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日(二)盧瑟福原子結構模型

英籍新西蘭科學家盧瑟福是湯姆生的研究生，他設計和完成了許多著名的科學實驗，把放射性物質發(fā)出的幾種射線分別命名為帶正電的射線、帶負電的射線和不帶電的射線。第五十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.盧瑟福的原子模型

盧瑟福認為：原子有一個帶正電并集中了原子的絕大部分質量的核，即原子核。原子核居于原子的中心，電子在原子核周圍繞原子核運動，就像行星繞太陽運動一樣，所以，原子的體系就類似一個小的太陽系。著名的粒子散射實驗第五十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.盧瑟福原子模型的弱點

按盧瑟福的原子結構模型和古典的電磁理論。電子繞核運動，必然自動發(fā)出能量，這樣原子的能量將逐步減少，頻率也將逐漸改變，所以發(fā)出的光譜應該是連續(xù)的，但事實上原子的光譜不是連續(xù)的而是分立的。按經(jīng)典的理論，原子在自動輻射時，能量不斷減少，就會使電子最后墜落在原子核上，原子必然是不穩(wěn)定的體系，而事實上不是這樣的，實際上各種化學元素的原子都是穩(wěn)定的。第五十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日(三)波爾的原子結構模型

1913年丹麥物理學家波爾系統(tǒng)研究了光譜學，把普朗克的量子化概念引入了盧瑟福的原子結構模型中，提出了原子結構的量子化軌道模型。波爾是湯姆生和盧瑟福的學生。第五十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.波爾的原子模型

波爾認為：電子繞核運動是沿著一系列的不連續(xù)的軌道進行，電子在這些特定能量狀態(tài)運動時，并不輻射能量，只有當電子從一個較大能量的定態(tài)，躍遷到一個較低能量定態(tài)時，原子才發(fā)射出單色光，即放出能量。其頻率為：(h為普朗克常數(shù))第五十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.波爾原子模型的優(yōu)點(1)引入了量子化概念；(2)解釋了原子的線狀光譜；(3)解答了電子不會落入原子核的問題；(4)給出的頻率公式符合經(jīng)驗公式。