高中化学竞赛辅导 无机化学 7.doc

§7-3核外电子的运动状态
TheMovingStationsofElectronsoutertheAtomicNucleus
一、微观粒子的波粒二象性（TheWave-likeandParticle-likeCharacterofMicroParticles）
1．光的波粒二象性

p显示了粒子性（particleproperty），λ显示了波动性（waveproperty），但真正把光的波动性和粒子性统一地反映出来的理论是量子电动力学。
2．电子的波粒二象性（Thewaveandparticlepropertiesoftheelectron）
1924年LouisdeBroglie(1892-1987)whoworkedonhisPh.D.thesisinphysicsattheSorbonneinParis.
受到光的波粒二象性的启发，大胆提出了电子也有波粒二象性。Hesuggestedthattheelectronincircularpathabovethenucleustoproposethatthecharacteristicwavelengthoftheelectronorofanyotherparticledependsonitsmass,m,andvelocity,v:
(1)λ=h/mv,（h：Planck’sconstant）
Sampleexercise:Whatisthecharacteristicwavelengthofaelectronwithavelocityof5.97106m·s1?(Themassofanelectronis9.111028g)
Solution:ThevalueofPlank’sconstant,h,is6.631034J·sandrecallthat1J=1kg·m2·s2
∴
ThischaracteristicwavelengthisaboutthesameasthatX-ray.
(2)Experiment
1927年美国两位科学家J.Davisson和L.H.Germer进行了电子衍射实验，用已知能量的电子在晶体上的衍射试验证明了deBroglie的预言。电子在电场中加速：
，，∴，
(Å)
宏观物体是否存在波动性呢？1.9g子弹，v=3.2104cm·s1，计算得λ=1.11023(Å)；
140g垒球，v=2.5103cm·s1，计算得λ=1.91024(Å)。
显然只有在原子世界，才能观察到这种波，而在1927年以前，研究原子性质的科学家根本没有想到有这种波，因此就不会去观察它了。所以波粒二象性是微观粒子第一种显著的运动特点。
二、不确定原理（TheUncertaintyPrinciple）
在牛顿力学中，一个宏观物体的运动，其位置和速度都是同时确定的，所以经典力学中所谈的质点的运动轨道（或轨迹）是指具有某种速度、有一定的、可以确定运动物体在任意时刻位置的轨道，如炮弹、子弹和行星的运动轨道。那么氢原子核外电子运动的轨道是否也有同样的含义呢？答案显然是否定的。虽然电子是绕核运动，但它们在特定能级中的运动途径是无法准确测定的。
德国物理学家WemerHeisenberg（1901-1976）在Bohr处作博士后（Postdoctoralassistantship），提出了著名的不确定原理。他二十岁时担任利兹大学理论物理系主任，32岁荣获1932年Nobel物理学奖。
TheGermanphysicist,WernerHeisenberg,concludedthatthedualnatureofmatterplacesafundamentallimitationonhowpreciselywecanknowboththelocationandthemomentumofanyobject.Whenappliedtotheelectronsinanatom,Heisenberg’sprinciplestatesthatisinherentlyimpossibleforustoknowsimultaneouslyboththeexactmomentumoftheelectronanditsexactlocationinspace.
“Themoreaccuratelyoneisknown,thelessaccuratelytheotherisknown.”
“我们对一个运动电子的动量测得越准，则对它的位置测得越不准；反之亦然。”
1．同时准确地测定微观粒子的动量和位置是不可能的。
2．解释：测量距离必须有工具。用光线（光子）仔细地观察电子的轨道，指出电子的位置，则光子必与电子相碰撞，才能知道电子的确切位置。由于光子具有很大的能量，当一个光