第七章原子结构与元素周期表.docx

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第七章原子结构与元素周期表

第七章原子結構與元素週期表

7-1原子的結構

一、原子結構：

（直徑10-15公尺）

（直徑10-10公尺）

—佔大部分體積

1.三種基本粒子的特性：

【表7-1】

名稱

符號

質量（克）

電荷（庫倫）

單位電量

質子

1.673×10-24

+1.6×10-19

+1

中子

1.675×10-24

0

0

電子

9.109×10-28

-1.6×10-19

-1

◎質子質量中子質量電子質量的1836倍。

◎大部分的質量集中在。

二、原子序、質量數、同位素：

1.原子序：

原子核中所含的質子數即為原子序。

2.質量數：

原子核所含的和的總和即為質量數。

3.原子表示法：

X：

元素符號

Z：

原子序＝質子數＝中性原子所含電子數

A：

質量數＝質子數＋中子數。

【單元練習】：

（）1.鈷六十（原子序27）可作放射性治療用，下列有關鈷六十的原子結構，何者正確？

（A）60Co有27個電子　（B）60Co有60個中子　（C）60Co3＋有30個中子　（D）60Co3＋有

33個質子。

（）2.下列各種粒子中，質量最小的是哪一種？

　（A）氫離子　（B）中子（C）電子（D）α粒

子。

（）3.有關原子結構的下列各項敘述何者正確？

　（A）原子由電子、質子及中子三種基本粒子所構成　（B）原子的質量平均分布於整個原子　（C）原子核帶正電荷　（D）電子占有原子大部分的質量　（E）原子核的體積約為原子體積之10－8倍。

（）4.某同位素符號以

X表示。

則下列敘述何者正確？

　（A）A是原子核中之質子數與中子數之總和　（B）Z是原子序　（C）Z是原子核所帶之電荷　（D）A是質量數　（E）Z是質量數。

單元練習解答：

A；C；AC；ABCD

4.同位數：

相同而質量數、中子數不同的原子。

同位素間之相同點：

原子序、質子數、核電荷數、中性電子數、化學性質。

同位素間之不同點：

質量數、質量、中子數、物理性質。

【表7-2】一些元素之同位素

元素

同位素

質子數

中子數

質量數

自然豐度

相對質量

氫

11H

1

0

1

99.98％

1.007825

21D

1

1

2

0.015％

2.014102

31T

1

2

3

人工合成

3.016049

碳

126C

6

6

12

98.892％

12.0000

136C

6

7

13

1.108％

13.0034

氧

168O

8

8

16

99.892％

15.9949

178O

8

9

17

0.038％

16.999

188O

8

10

18

0.200％

17.999

5.原子量：

（比較的量）

1.1961年IUPAC定

1amu=1個12C的十二分之ㄧ=克

2.週期表中的原子量（平均原子量）=（同位素質量×含量）

【例1】168O的質量為126C的1.33291倍，則168O的質量為若干amu？

【例2】自然界中氧元素主要有質量數16、17、18三種同位素，參考表7-2，氧元素的原子

量為何？

【單元練習】：

（）1.下列何者為IUPAC於1961年所定之原子量標準？

（A）以1H為1.0000amu　（B）以12C

為12.0000amu　（C）以16O為16.0000amu　（D）以自然界所有存在的碳原子的平均元

子量為12.0000amu。

（）2.自然界中氯元素有質量數35、37的兩種同位素，其質量分別為34.97，36.97，在自

然界中存量分別佔75.8％、24.2％，所以氯元素的原子量為何？

（A）34.97　（B）35.45　

（C）36.45　（D）36.97。

（）3.有關同一元素的同位素，下列敘述哪些正確？

　（A）因質子數相同，化學性質相同　（B）原子核內的質量數相同，電子數不同　（C）原子核內的中子數相同，質子數不同　（D）在自然界中，氫只有二種同位素存在　（E）在自然界中，鈾-235及鈾-238為鈾元素的主要同位素，但鈾-235僅佔極少量。

（）4.碳有3種同位素：

C-12、C-13、C-14，它們三個具有相同的（A）電子組態（B）物理性質　（C）化學性質（D）質子數（E）中子數。

單元練習解答：

C；B；ADE；ACD

三、電子的發現：

1.陰極射線與電子的發現---。

（1）實驗裝置：

1897年湯木生在近乎真空（氣壓約0.01~0.0001atm）的

玻璃管內接上高壓電，發現從陰極射出不可見的射線，

射至陽極，此射線稱為陰極射線。

（2）陰極射線的性質：

直線前進。

為粒子流。

為帶負電之粒子。

陰極射線的產生與管中氣體種類及電極材料無關。

湯木生推斷此粒子為電子，是所有原子之基本粒子。

2.電子荷質比的測定---。

1897年湯木生利用陰極射線在磁場及電場中的偏轉，獲得

電子的電荷對質量的比值（e/m），其值=1.76×108庫侖/克。

3.電子電量之測定---。

1909年美國米立坎（密立根）由油滴實驗測得電子電量，

e=1.602×10-19庫倫。

4.電子質量：

由湯木生及米立坎實驗推算。

【例3】某元素M在質譜儀中可得M2+，若知M2+之荷質比＝8.04×103庫侖／克，則M之原

子量為　（A）12（B）24（C）36（D）48。

【例4】從米立坎油滴實驗中，觀察到的油滴電量有下列五種：

9.60×10–10、1.44×10–9、2.88×10–9

、3.84×10–9、4.32×10–9e.s.u.（靜電單位）。

若另一油滴之電量為5.76×10–9e.s.u.，則

該油滴最少附有多少個電子？

　（A）2　（B）4　（C）6　（D）12。

【單元練習題】

（）1.僅依據米立坎（Millikan）油滴實驗可決定電子的下列何種性質？

　（A）質量（m）　（B）

質量與電荷比（m/e）　（C）電荷（e）　（D）能量（E）。

（）2.關於米立坎油滴實驗之敘述，何者正確？

　（A）油滴上所帶電荷只有正、負其中一種　

（B）油滴帶電荷大小均為1.6×10–19庫侖　（C）利用X–ray照射使油滴帶電　（D）目的

在測電子之荷質比。

（）3.關於陰極射線的敘述，何者正確？

　（A）在磁場中不偏折　（B）在電場中向正極偏折　（C）可被金屬截成投影　（D）具有動能的粒子　（E）為電磁波。

單元練習解答：

C；C；BCD

四、原子模型的建立：

1.湯木生的原子模型---西瓜模型

1898年湯木生所提出，原子為密度均勻帶正電的球體，質量及電子均勻分布在原子中。

2.α粒子散射實驗------發現原子核、提出行星模型。

（1）實驗：

1911年，拉塞福利用α粒子撞擊金箔。

大部分α粒子穿透，或產生小偏轉

少數α粒子發生極大偏轉或反向彈回。

（2）推論：

原子內大部分是空的，原子中心有一體積極小帶

正電的原子核，原子質量集中於原子核。

核外空間散布著質量極輕電子，核外電子向行星

繞太陽般旋轉。

3.原子序的概念---

1913年莫士勒利用電子撞擊各種不同金屬，產生各種不

同波長的X射線，建立原子序概念。

4.質子的發現---

1919年拉塞福用α粒子撞擊氮原子核，發現了質子。

5.質譜儀：

1913年湯木生利用質譜儀測量元素的質量

並發現元素的同位素。

6.中子的發現---

1932年查兌克利用撞擊鈹原子核而發現中子。

【例5】下述各科學家與其實驗互相配合的是：

　（A）湯木生從陰極射線實驗測出電子的帶電

量　（B）拉塞福以α粒子散射實驗發現了質子　（C）查兌克用β粒子撞擊鈹原子而發

現中子　（D）莫色勒測各元素的X-射線波長建立原子序概念。

【例6】氯有兩種同位素，其質量數為35和37，而氯的原子量為35.5。

試問在質譜儀中下列

何者不可能是氯分子（Cl2）的質量數總和？

（A）70　（B）71　（C）72　（D）74。

練習題：

（）1.拉塞福的α粒子散射實驗，所得的結論是　（A）α粒子可以穿透金屬箔（B）α粒子的

能量很大（C）α粒子與電子相撞而不反彈（D）原子分原子核及電子兩部分。

7-1原子的結構練習題2年班號

（）1.某一金屬陽離子M3＋，已知它具有28個電子，且質量數為70，則下列敘述何項錯誤

？

　（A）M原子序為28　（B）M之原子核電荷為＋31　（C）M之原子核中其中子數為

39　（D）M之原子核中其質子數為31。

（）2.荷質比為粒子電荷量與質量的比值之絕對值，下列何種粒子具有最大的荷質比？

（A）電子　（B）質子　（C）中子　（D）α粒子。

（）3.以下那幾種實驗的結果組合後可以決定電子質量？

甲：

拉塞福α粒子散射　乙：

侖

琴的X射線實驗　丙：

湯木生的陰極射線　丁：

米立坎的油滴實驗　（A）甲、乙、丙　

（B）甲、丙、丁　（C）甲、乙　（D）丙、丁。

（）4.假如在米立坎的油滴實驗中各油滴的帶電量分別為為－3.2×10-19、－6.4×10-19、－9.6

×10-19、－1.12×10-18C，分析以上數據後，你認為一個電子可能的帶電量為多少？

（A）1.6×10-19　（B）3.2×10-19　（C）8.0×10-20　（D）1.07×10-19　庫侖。

（）5.關於原子的敘述，下列何者正確？

　（A）質量數為核內質子和中子的個數和（B）原子

核內中子數相同，而質子數不同的兩原子，稱為同位素（C）中子的質量較質子略小

且不帶電荷（D）原子核由質子、中子、電子組成。

（）6.關於陰極射線的敘述，下列何者正確？

　（A）陰極射線的性質與發射來源無關　（B）

由陽極發出，射向陰極　（C）屬於電磁波　（D）其荷質比隨陰極板種類而異。

（）7.有關陰極射線的敘述，下列那些是正確的？

（A）陰極射線由陽極發出，往陰極加速飛行　（B）陰極射線會受到電場的吸引而向陽極偏轉　（C）陰極射線會受到磁場的影響，飛行路徑產生變化　（D）不論使用何種金屬當陰極，所產生射線的性質均相同　（E）陰極射線具有粒子的性質，可由陰極射線管的實驗測得此粒子的質量。

（）8.有關拉塞福原子核存在的實驗，下列敘述何者正確？

　（A）拉塞福以陰極射線撞擊金屬箔　（B）他發現絕大部分用來撞擊的粒子，皆直穿金屬箔，只有少數有大的散射角被偏折　（C）他的實驗顯示湯木生原子模型（西瓜模型）與實驗結果不符　（D）拉塞福證實原子核是帶正電荷，並且是原子絕大部分質量集中所在　（E）拉塞福發現了中子的存在。

（）9.關於原子結構發現的過程，下列敘述那些是正確的？

（A）湯木生由陰極射線結果，推定電子為原子核內的基本粒子（B）拉塞福由α粒子實驗建立行星式原子模型（C）質子、中子、電子三者中，質子最先被發現（D）查兌克經由核反應發現中子（E）質子、中子、電子三者中，中子最後被發現。

（）10.在自然界中氧原子有三種同位素，O-16，O-17，O-18，在穩定狀態時，它們具有相同的　（A）質量　（B）電子數　（C）中子數　（D）質子數　（E）化學性質。

11.寫出下列原子的原子序、質量數、中子數、電子數：

（1）24Mg

（2）31P（3）56Fe（4）131I（5）206Pb

12.已知自然界中銀有兩種同位素：

107Ag質量106.905amu，自然界中存量占51.82％，108Ag質量108.905amu占48.18％，則銀的原子量為若干？

解答：

A；A；D；A；A；A；BCD；BCD；BDE；BDE；11.略；107.8686

7-2原子的軌域與能階

太陽的光線經三菱鏡分光後會呈現連續光譜，而氫原子在高壓放電管中所發出的光，經三菱鏡分光後呈現一條條相離的譜線（不連線光譜）。

一、光的性質：

1.光的波動性：

光是電磁輻射（電磁波），在真空中以光速（3×108m/s）前進。

（1）電磁波的波長（）與頻率（）的乘積即為光速（）

公式：

◎波長越長，頻率越低。

波長常用單位為1nm=10-9m，1Å=10-10m。

◎電磁波頻率由小至大：

射線

2.光的粒子性：

（1）愛因斯坦用光電效應的實驗證明光也具有粒子的性質，稱為光子。

（2）蒲朗克提出光子的能量（）與其頻率（）成正比，

比例常數稱為蒲朗克常數（）。

公式：

，h=6.63×10-34焦耳∙秒/光子

【例7】鈉金屬高熱時會放出黃光，波長約為600奈米，其頻率為何？

每個此波長的光子能

量為若干焦耳？

一莫耳光子的能量為若干千焦？

練習題：

1.氯分子（Cl2）可吸收300nm的紫外光分解成氯原子，則氯分子照光解離反應需要的能量是

多少kJ/mol？

（h=6.63×10-34J∙sec）

（）2.下列有關光波之敘述，何者正確？

（A）光包含X射線　（B）光之波長越長則能量越高　（C）所有光波以相同的速度前進　（D）所有光子具有相同之能量　（E）波長越長的光波有較大的頻率。

7-2.1波耳的氫原子模型

氫原子光譜：

1.為不連續的明線光譜，每一條譜線相對應一條特定頻率的光。

2.光譜可分為三區：

紫外光區，可見光區，紅外光區

3.光譜上之譜線間隔有規律性，各相鄰譜線間隔隨頻率之增高而漸近。

由於拉塞福的原子模型不能解釋原子之穩定性，西元1913年波耳為了解釋氫原子譜

線，提出氫原子模型。

一、波耳的氫原子模型：

1.氫原子中的電子，只能在原子核外特定距離的

軌道做圓周運動，軌道從原子核向外分別以n

為1,2,3,4,5…表示。

2.電子在軌道上運動時具有特定的能量，不同的

軌道能量不同，稱為。

越靠近原子核，半徑越小，能量越低。

波耳導出氫原子的電子在各能階的能量為：

（n=1,2,3,4,5…）

（k=1312kJ/mol，2.179×10-18J/每個原子）

3.在正常狀態時，電子大多在最低的能階，n=，是最穩定的狀態，稱為。

當原子吸收足夠外來的能量時，電子能躍遷到較高能階（n>1），電子在較高能階的狀態

稱為。

4.激發態氫原子的電子不穩定，會從高能階回到低能階，並以光的形式放出能量（此能量恰

為兩能階之能量差），即為發射光譜。

所以氫原子發射光譜的能量為：

E＝

【例8】根據波耳的氫原子模型，估計游離其電子所需能量？

【例9】氫原子光譜中巴耳麥系為可見光系列，則當電子從n=3回到n=2的光譜線對應波長為若干？

　（A）1216.2nm（B）656.3nm（C）364.9nm（D）486.8nm。

二、氫原子光譜系列：

1.紫外光區（來曼系列）：

由n＞1回到n＝。

2.可見光區（巴耳麥系列）：

由n＞2回到n＝。

3.紅外光區（帕申系列）：

由n＞3回到n＝。

◎隨著n增加，能階能量差漸減：

隨著頻率升高（波長漸短）各譜線間隔縮小。

【例10】已知從氣態氫原子n=1軌域上移去一個電子所需能量為1312kJ/mol，試回答下列各

問題：

（1）若氫原子的電子從n=3降到n=1時，所釋出能量為多少kJ/mol？

（2）若蒲朗克常數h=6.626×10-34J.s，則其所釋出光之頻率為多少s-1？

（3）此光之譜線在何種光區？

（紫外光區，可見光區，紅外光區）

練習題：

（）1.氫原子中之電子，從n＝4能階降落，可能產生幾條不同頻率之輻射線？

　（A）3　（B）4

（C）5　（D）6　條。

（）2.來曼系列第四條譜線與第一條譜線的頻率差，它的值等於巴耳馬系列光譜群中，哪

一條譜線的頻率值：

　（A）第一條　（B）第二條　（C）第三條　（D）第四條。

（）3.氫原子光譜中紫外光區第1條明線（能量最低）與可見光區第1條明線能量之比為　

（A）27：

5（B）16：

3（C）5：

3（D）3：

1。

（）4.氫原子中的電子會發生轉移而改變能量狀態，下列何種轉移會放出波長最長的光？

（n為量子數）　（A）由n=3至n=2（B）由n=3至n=1（C）由n=2至n=1（D）由n=4

至n=3。

（）5.氫原子的電子從n=4回到n=2所放出光的波長為λ，則電子由n=2回到n=1所放出

的光波長為　（A）

　（B）

　（C）

　（D）

。

（）6.H原子光譜中，來曼系第一條、第二條、巴耳麥系第一條線之波長分別為

、

、

，頻率分別為f1、f2、f3，能量分別為E1、E2、E3，則　（A）E2=E1+E3　（B）

=

+

　（C）f2=f1+f3　（D）f2–f1

s–1。

【單元練習】

（）1.有關波耳電子結構理論的下列敘述何者錯誤？

　（A）電子從高能階回到較低能階，放

出能量　（B）電子吸收能量躍遷至較高能階的狀態叫做激發態　（C）電子在n=0的軌

道時，所具有的能量最小　（D）電子在軌道上運動時，具有一定的能量。

（）2.下列有關波耳氫原子模型的敘述，何者錯誤？

（A）電子圍繞原子核運動，如同行星

繞著太陽，有一定的軌道（B）電子在原子中的軌道為圓形　（C）電子軌道的遠近可以

任意改變（D）電子的軌道離原子核越遠，則能量越大。

（）3.氫原子從高能階放光到n=1能階之光譜線稱為來曼系列。

此系列最長之波長為

121.5nm。

此系列之最短波長會趨近何植？

　（A）121.5×1/4nm　（B）121.5×1/2nm

（C）121.5×3/4nm　（D）121.5×1/3nm。

（）4.氫原子光譜中紫外光區第二條譜線與可見光區第一條譜線之頻率比為多少？

（A）16：

3（B）27：

5（C）36：

5　（D）32：

5－。

（）5.根據波耳氫原子能階的理論，能階的圖形，應如下列何者？

（）6.氫原子光譜中紫外光區第一條譜線、第二條譜線、可見光區第一條譜線之波長分別為λ1、λ2、λ3，則其關係為　（A）

＋

＝

　（B）λ2＝

　（C）

＋

＝

　（D）λ1－λ3＝

。

（）7.下列敘述，何者是波耳原子理論的假設？

　（A）電子在圍繞原子核做圓周運動，因有加速而放出輻射（B）電子可以在一組特定能階（穩定狀態）之ㄧ存在而不輻射（C）氫原子只有一粒電子，故氫原子光譜只有一條譜線（D）電子由低能階躍遷至高能階時，吸收一定頻率的輻射能（E）必須不斷供給能量以維持電子在高能階做高速加速運動。

（）8.慶典時施放煙火，萬紫千紅的色光，非常壯觀。

下列有關煙火色光的敘述，何者正確？

　（A）這些色光是利用某些有機染料所造成的　（B）這些色光是由氖、氬等氣體所造成的　（C）亮麗白光是因鎂片燃燒所造成　（D）這些色光是由某些金屬鹽所造成的　（E）這些色光都是粒子由激態回到基態時所造成的。

9.下圖為氫原子光譜之可見光區及紫外光區，試回答下列各項：

（1）紫外光區為何區（Ⅰ或Ⅱ）？

（2）b譜線之頻率=？

（3）a譜線的能量為若干kJ/mol？

（4）e譜線的能量Ee對f譜線的能量Ef之比值（即Ee/Ef）為何？

（5）巴耳麥系列第三條譜線是由哪一階跳回到哪一階所產生的？

單元練習解答：

C；C；C；D；B；C；BD；CDE；

9.

（1）Ⅱ

（2）ν=6.17×1014s-1（3）182（kJ/mol）（4）128：

135（5）n=5→n=2

7-2.2原子軌域

1、波耳氫原子模型的缺點：

1.波耳的模型只能解釋單一電子所組成之原子或離子的光譜，例如：

He+、Li2+，不能解釋

多電子原子的光譜。

2.波耳的模型中，原子內的電子沿一定軌道繞原子核做圓周運動，實際上，電子並不是再

核外尋一定軌道做圓周運動。

2、量子力學的原子模型：

1.科學家認為電子不像波耳所描述以固定軌道繞原子核做圓周運動，而是在原子核附近的

空間做快速運動，電子的運動軌跡無法預測，亦即無法知道電子下一瞬間會出現在何處

。

但能預測電子在空間中某點出現的機率。

2.量子力學可以估計電子出現的機率，以密度的方式表示，稱為電子雲。

（1）軌域：

在原子核附近，電子出現機率較大的區域（或空間）稱為軌域，化學家通常將

含有電子雲95％機率之區域代表原子的軌域。

（2）軌域與量子數：

軌域有主殼層也有副殼層，都對應有特定的能量。

主量子數（）：

表示軌域的大小及的高低。

（主殼層）n=1,2,3,4,5…，n值越大，該層軌域的範圍越大，能量越高。

角量子數（）：

表示軌域的種類與電子雲的。

主殼層中可有數個形狀不同的軌域，稱為副殼層，以s、p、d、f、g…表示

每一個n值可以有n個l值，即l=0,1,2,3,…（n-1）

殼層（n）

K

（1）

L

（2）

M（3）

N（4）

l值

軌域名稱

記為

軌域個數

殼層內軌域總數n2

每一主殼層中共有n2個軌域，可容納2n2個電子。

（每一軌域可容納2個電子）

s軌域為球形（1個），p軌域為啞鈴形（3個），d軌域有5個，f軌域有7個。

磁量子數（ml）：

決定電子分布空間的方位及軌域數目。

每一個l值可以有（2l+1）個m值，即m＝+l,…,0,…,-l

例：

s軌域（l=0）有1個，p軌域（l=1）有3個（1,0,-1），d軌域（l=2）有5個

旋量子數（ms）：

決定電子自轉方向。

（+1/2或-1/2）

3.軌域：

（1）s軌域：

對每一個n≧的主層中，均有1個s軌域

呈球形對稱。

同一半徑的球面，電子出現機率相等，與方向無關。

n值越大，ns軌域的電子雲分布半徑越，能量越。

例：

氫原子1s電子可能出現的範圍，在距原子核0.53Å處的機率最大。

2s軌域的能量較1s軌域高，出現機率最大的地方離原子核較遠。

（2）p軌域：

對每一個n≧的主層中，均有3個p軌域

p軌域的電子雲分別在x、y、z三個互相垂直的軸，成啞鈴形分布，依次

稱為px、py、pz軌域。

同一主層的3個p軌域（npx、npy、npz）能量均相等，n值越大，np軌域的電子

雲分布離原子核越遠，能量越高。

p軌域具有方向性。

（3）d軌域：

對每一個n≧的主層中，均有5個p軌域

d軌域具有方向性，其電子雲分布成扇葉型。

【例11】下列何種原子軌