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第九章 原子结构和元素周期律 原子结构（atomic structure）的知识是认识各种物质结构和性质的基础。人类对原子结构的认识，经历了几千年的探索，量子力学（quantum mechanics） 的现代概念揭示了微观世界粒子运动的规律，是人类在化学物质结构的认识史上的一次飞跃。原子是由原子核和核外电子组成。化学反应中，原子核不发生变化，只涉及核外电子的运动状态的改变，所以本章重点研究核外电子的运动状态及其特征，研究核外电子的排布规律，阐述元素性质发生周期性变化与核外电子排布的内在联系，简介元素与健康的知识。

第一节 核外电子运动状态及特性一、 原子结构的认识史公元前五世纪希腊唯物主义哲学家Democritus认为一切事物都是原子和虚空组成。希腊词“原子”—“atomos”是不可分割之意，虚空是指原子之间的空间。 “古原子说”没有任何实验作根据，基本是哲学的推想。到十九世纪初，英国科学家Dalton J用化学分析法研究物质的组成，提出了著名的原子学说。

Dalton 的原子学说简明而深刻地说明了质量守恒定律、定组成定律、倍比定律，受到科学界重视和承认。但是，Dalton 认为原子结构的不可分割使我们不能推测是什么原因使得原子化学性质不同，为什么一个氟原子只能和一个氢原子化合，而一个氧原子却可和两个氢原子化合？到十九世纪末电子和放射性的发现，才使人类打开原子结构的大门。

英国剑桥大学卡文迪许实验室主任Thomson J J应用磁性弯曲技术证明阴极射线是带负电的微粒—电子。在此基础上，1904年，他提出了原子“枣糕模型”：原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多带负电的电子。原子不可分割的形而上学的观点不攻自破了。他获得1906年诺贝尔物理学奖。Thomson最器重的学生Rutherford E通过α粒子 （带正电的氦离子流）穿过金箔时，部分α粒子发生散射的实验证明，Thomson 所说带正电的连续体实际上只是一个非常小的核，从而在 1911年提出了“行星系式”原子模型：原子核好比是太阳，电子好比是绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。

Rutherford E的模型存在一个解决不了的问题：绕核运动的电子应该不停地连续地辐射，得到连续光谱。另外，电子能量不断减少，电子运动轨道的半径也将不断减少，最终，电子堕入核内，“原子毁灭”。但事实是原子光谱不是连续光谱而是线性的，原子也不会毁灭。解决这一矛盾的是他的学生丹麦人Bohr N H D。 图9-1 玻尔原子模型Bohr 在牛顿力学的基础上吸收了德国Planck M的量子论，建立了“定态原子模型”。

为了解释受热黑体辐射，Planck M假定辐射能量ε的释放和吸收都不是连续的，ε只能是最小能量单位ε0的的整数倍：ε= nε0 = n hν。ε0称为量子（quantum），量子的能量极小，它取决于辐射频率 ，h为普朗克常量（Planck constant），等于6.626*10-34J·s。微观世界一个重要特征就是能量的量子化（不连续）。Bohr N H D认为能量量子化可以用来解决这种极小的原子世界的结构难题。

他在1913年提出：⑴ 核外电子在一定的轨道上运动，在这些轨道上运动的电子不放出能量也不吸收能量，电子处于某种“定态”（stationary state）。⑵ 在一定的轨道上运动的电子具有一定的能量E,E只能取某些由量子化条件决定的数值，而不能处于两个相邻轨道之间。氢原子核外电子能量公式为 （ n = 1,2,3,4… ） （9.1）

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