Demokritos: atomos

1
????? 2 ??????????????

• Demokritos ??????????????????????????????????????
  ????????? (atomos) ????????????????????????
• John Dalton ?????????????????????????????????????
  ?????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ?????????????????????
• ?????????????????????????? 2 ?????????????????????
  ????????????????????
• ????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????
  ???????????????????????????
• ????????????????????? 19 ?????????????????????????
  ???????
• ?.?. 1897 J.J. Thomson ???????????????
• ?.?. 1911 E.R. Rutherford ??????????????????????
  ?????????
• ?.?. 1913 Niels Bohr ??????????????????????????
  ??????????
• ?.?. 1924 Quantum mechanic theory
  ????????????????????
• ?.?. 1932 Jame Chadwick ????? neutron

2

• ??????????????????
• ?.?. 1897 J.J. Thomson ???????????????????????????
  ???????????? (e/m) ?????????????????????????
  ???????????????? 1.75x1011 ??????????????????
  ?????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????
• ?.?. 1909 A.R. Millikan ??????????(charge)
  ???????????????? ?????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????????????????????
  1.602x10-23 ??????? ??????????????????????????????
  ?? ????????????????????????????????????????????
  9.11x10-31 ????????
• W.Roentgen ???????????????????????????????????????
  ????????????????????????? ??????????? (X-ray)
• ?.?. 1898 Pierre ??? Marie Curie
  ??????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????

3

• ?????????????????
• J.J. Thomson ????????????????????????????????
  ????????????????????????? 10x10-3 m3
  ????????????????????????????? ????????????????????
  ????????????????????????????????????????????
• E.R. Rutherford ??????????????????????
  ?????????????????????????????? ???????????????????
  ??????????????????????????????????????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ?????????????? ?.?. 1932 Jame Chadwick
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????

4

• ????????????
• ?????????????????????????
• 1901 Plank Blackbody radiation
• 1905 Einstein Photoelectric effect
• 1913 Bohr Quantum theory of spectra
• 1922 Compton Compton effect
• 1924 Pauli Exclusion principle
• 1925 de Broglie Matter waves
• 1926 Schrödinger Wave equation
• 1927 Heisenberg Uncertainly principle
• 1927 Devisson and Germer Wave prperties of
  electron
• 1927 Born Interpretation of the wavefunction

5

• ????????????
• ?????????????????????????????????(classical
  mechanic) ????????????????????????????????????????
  ????????????????????? (??????????????????????????
  ?????????????????)????????????????????????????(pho
  toelectric effect) ???????????????????????????????
  ????????? ????????????????????(quantum mechanic)

• ??????? (blackbody)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????? (absorptivity)
  ???????????????????? (emitivity) ??????? 1
• ???? ?????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????????????????????????????
• ???? ????????????????????????

6

• ?????????????????????(blackbody radiation)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ???? ?????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????? ???????????????????????????

7

• ?????????????????????????????
• Max Plank ?????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????????????????????
  ???????(quantum) ?????????????????????????????????
  ?
• E hv
• h ????????????????? ????? 6.626x10-34 J.s v
  ???????, s-1
• ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????????????????????????
  ??????????????????????????????????
  ?????????????????????????
• ????????????????????????(photoelectric effect)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????? ?????????????????????????????????????
  ?????????????

8

• ????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????? 522 nm
• ??? c ??
• ? c/?
• ? (3.0x108 m/s) / (522 nm)
• (3.0x108 m/s) / (522 x10-9m)
• 0.00575x1017 5.75x1014 s-1 (Hz)
• E h?
• (6.626x10-34 J.s)(5.75x1014 s-1)
• 3.810x10-19 J
• ??????????????????????????????????????????????????
  ????????? 3.64x107 Hz ?

9

• ????????????????????????(photoelectric effect)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????? ?????????????????????????????????????
  ?????????????

e
e
e
e
e
e
E1 lt E2 lt E3
E1 h?1
E2 h?2
E3 h?3
10

• ????????????????
• 1. ???????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????? ??????????????????????
  ????????????????????? ???????????????(threshold
  frequency)
• 2. ?????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????????????????????????????
• 3. ???????????????????????????????????????????????
  ???????????????
• ????????????????????????????????????????????????
  ????????? ?.?.1905 Albert Einstein
  ??????????????? ??????????????????????????????????
  ??????? ???????? ?????(photon) ???????????????????
  ?
• E hv , v ???????????????

11

• ?????????????????????????????
• 1. ???????????????????????????????????????????????
  ???????????????????????????????????????????
  ?????????????????? Work function(W)
• W hvmin , vmin ????????????????????????????
  ?????????????
• 2. ????????????????????????????????????? Work
  function ????????????????? (Kinetic energy, KE)
  ???
• E hv W KE
• hvmin KE
• 3. ???????????????????????????????????????????????
  ????? ????????????????????????????????????????????
  ????? Et
• ??????????????? ????????????? /
  ????????????? 1 ????? Et / hv
• ?????????????????? 1 ?????? ?????????????? / hv

12
???????? ?????????????????????????????????? 4.31
eV ???? ?. ???????????????????????????????? ?.
??????????????????????? ???????????????????????
220 nm ???????? ch 1240 eV
?. ?.
13
???????? ???????????????????????????????????????
259.8 nm ????????????????? ??????????
??????????????????????????????????????????????????
? 325.6 nm ????????
???????? ?????????????????????????????????????????
????????????? 59 nm ???? ?????????????????????????
???????????
14

• ?????????????????????????????????????
• ???????????????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????
• ?.?. 1885 J.J. Blamer ????????????????????????????
  ??????? ????????????????
• J.R. Rydberg ?????????????????????????????????????
  ? ???
• ????? n11 ??? n2 2,3,4, ???????????????????????
  ???? Lyman series ?????????????? UV
• ????? n12 ??? n2 3,4,5, ???????????????????????
  ???? Blamer series ?????????????? UV, Visible
• ????? n13 ??? n2 4,5,6, ???????????????????????
  ???? Paschen series ?????????????? IR

1.09678x105 Rydberg const. n1, n2
???????????????? n2 gt n1
15

• ???????? ?????????????????????????????????????????
  ????????????????????? n1 5 ????? n2 2
  ????????????????

-2.3032x104 cm-1 ? 0.434 x10-4 cm
434 nm

• ????????? ????????????????????????????????????????
  ?????????????????????? n1 4 ????? n2 2
  ????????????????

16

• ????????????????????????????????
• ?.?. 1913 Niels Bohr ?????????????????????????????
  ??????????????? ???????
• ??????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????? ??? h/2?

me ????????????? v ?????????????????? r
???????????
v
v
En lt En1
En
En1
r
-
r
-

• n ???????????? (1,2,3,...) ??????????????????(qu
  antum number) ????????????????????????????????????
  ?????????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????? n (En) ?????????????????????????
  ??????(ground state) ?????????????????????????????
  ???????????? ?????????(excited state)

17

• ????????????????????????????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????????????????????? n1 ???
  n2 ??????????

En1 lt En2 ?????????? En1 gt En2 ??????????

• Bohr ???????????? En ?????????????????????????????
  ????????????

me 9.11x10-28 g e 1.602x10-19 e h
6.626x10-34 J.s ?0 8.854x10-12 C2/N.m

• ??????????????????? ????? En 13.605 eV

18

• ????????????????????????????????????????? n
• r n2a0 , a0 ???????????? ???????????????????
  ??(Bohr radius)
• ???????? ?????????????????????????????????????????
  ????????????????? n 1 (ground state) ??? n 2
  (excited state) ??? ???????????????????????

r1 12(0.529) 0.529 Å
rn n2a0 ,Å
r2 22(0.529) 2.116 Å
19

• ????????? ??? excited state n 3 ??? n 4
  ????????????????????????????

• ????????? ????????????????????????????????????????
  ???????????????????????? n 1 ???????????????????
  ???????? n ? ????????????????????????????

?????????????????????????? (IE)
20

• ?????????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????? 1
  ?????????????????? ?????????????????? 2 ????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????
  ???????????????(Quantum mechanics)
  ???????????????????????????????
  ?????????(particle-wave duality)
  ????????????????????(Uncertainty principle)
• ????????????????????? (Louis de broglie)
• ????????????????????????????(particle-wave
  duality) ??????????????????????????????????????
  ???????????????????????????????
• E h ? ch/ ? ??? ? c/?
• E mc2 (relativity theory)
• ch/? mc2
• ? h/mc h/p p ????????
• ? ?????????????????????? ????????????????????????
  (de Broglie)

21

• ???????? ????????????????????????????
  ????????????????????????????? 100 km s-1

??? p mv ?????

• ???????? ????????????????????????????
  ????????????? 0.2 ???????? ????????????? 30 m/s

?????????????????????????????????
?????????????????????????

• ????????? ?????????????????????????????????? 60
  km/h ????????????????????????????
  ??????????????????????????????? 300 kg

22

• ???????????????????????????(Uncertainly priciple)
• ?.?. 1927 ????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????? ??????????????????????
  ????
• ?x ???????????????????????????? ?p
  ???????????????????????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????????????(??????????)???????????????????
  ???????? ?????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????
• ???????? ????????????????????????????????????? 10
  ms-1 ?????????????????????????????????????????????
  ???????????? 0.01 ???????? ?????????? 1
  ??????????????????????? ??????????????????????????
  ?????

23

• ???????? ???

???????????
????????? ?p ???????????? p ?????? 50
???????????????????

• ????????? ?????????? 500 ???? ????????????????????
  ??????? 3 ms-1 ???????????????????????????????????
  ???????? ?????????????????????????? 500 nm
  ??????????????

????????? ?p ????????????? p ??? ????????????????
????????????????
24

• ?????????????(Quantum Mechanics)
• ???????????????? (Schrödinger equation)
• ?.?.1927 Schrödinger ?????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????
• ??? ? ?????????????????????????????(wave
  function) ????????????????????????????????????????
  ????????????????
• ? ??? ????????????(operator) ????????????? ?
  ????????????????????????????????(eigen value, ?)
  ??? ? ?????????????????????
• ??????????????????????????????????
  ???????????????????????????????????????????? ?
  ?????????? ???? ?????? ? ??? hamiltonian
  ?????????????????????????????? ???????????????????
  ?????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????

25

• ??????????(Quantum number)
• ???????????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????????
• 1. ?????????????? (Principal quantum number, n) n
  1,2,3,
• ?????????????????????? ??????????????????????????
  ?????????????????????????????????
• 2. ????????????????????????? (Angular momentum
  quantum number, l) l 0,1,2,,n-1
• ?????????????????????????????????? ??? l
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????? ???????????????????????????
  ???????????????????? l ???????????????????
• l 0 ???????? s l 2 ???????? d l
  4 ???????? g
• l 1 ???????? p l 3 ???????? f
• 3. ?????????????????? (magnetic quantum number,
  ml), ml l, l-1, l-2,, 0, , -l (?? 2l1 ???)
• ????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????????? ?????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????

26
4. ?????????????? (spin quantum number, ms),
ms 1/2, -1/2 ????????????????????????????????
???????????????????????????????????????
????????????????????????? ?????????????????? ms
1/2 ???????????????????????????? ???????? (spin
up) ??? ms -1/2 ????????????????????????????
?????? (spin down)
27

• ?????????(orbital) ??? the region of space in
  which the electron lives ????????????????????????
  ????
• ????????????????? (Atomic orbital)
• s orbital (l 0, ml 1), ???????????????????????
  ????????????? ?????????????????????? x, y ???? z
  ???????????????????????????? ??????

2s

• ??????????????????????????????????????????????????
  ???? (?????????????)
• Cloud becomes less dense as distance from nucleus
  increases
• Size of atoms very small - electron never found
  more than 100 pm away from nucleus
• Higher the energy of the s-orbital, bigger the
  diameter of the boundary surface

28

• p orbital (l 1, ml 1, 0, -1)
  ??????????????????? 3 ????????? ???????? 3
  ???????????????????????? x, y, z ??????????? px,
  py ??? pz ????????????????????????????
  (degeneracy) ??? ??????????????
• Cloud with two lobes on opposite sides of the
  nucleus
• Two lobes separated by a planar region - nodal
  plane
• Nodal plane cuts through the nucleus
• p-electron never found on nodal plane - therefore
  it is never found at the nucleus

http//www.d.umn.edu/pkiprof/ChemWebV2/AOs/ao1.ht
ml
29

• d orbital (l2, ml 2, 1, 0, -1, -2)
  ?????????????????????? 5 ????????? ??? dxy, dyz,
  dxy dx2-y2 ??? dz2 ???????????????????????????????
  ?????????????????????? (degeneracy)
  ?????????????????
• More complicated than s or p orbitals
• Four of them have four lobes, fifth is different
• d-orbital electrons will not be found at the
  nucleus
• f orbital - does not explain chemical properties

30

• ????????????????? (Atomic orbital)

Electron cloud (2-D view)
AO shape (3-D view)

• Node ???????????????????????????? ???? ?????????

31

• ????????????????????????
• ????????????????? 1 ??????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????
• ???????????? (Pauli exclusion principle)
• ???????? ????????????????????????????????????????
  ?????????????????????? 4 ?????????????????? ????
  ??????????????????????? n, l, ml
  ????????????(?????????????????????????) ????????
  ms ???????
• ??????????? (Aufbau principle)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????????????????????
• 1. ???????????????????????????????????????????
  ? ???? ? ??? 1 ?????????????????????????????
  ????????? 2 ?????????? ???????? 2
  ???????????????????????????????? ?? ????????????
  ????????????? ???????? 1 ???????????????? ????? ?
  ???????????????? ????????????????
• 2. ?????????????????????????????????????????????
  ?????????????????? ??? s ????? 2 ??? p ????? 6
  ??? ??? px 2 ??? py 2 ??? pz 2 ??? ??? d ?? 10
  ??? (?? 5 ?????????)

32
3. ???????????????????????????????????????? 1
??????????????? ???? p ????????? ???????????????
(Hunds rule) ???????????? ??????????????????????
????????(degenerate orbitals) ????????????????????
??????????????????? 4. 2s1 ???????????????? 2s
???????????????? 1 ??? ???? 1s2 ????????????????
1s ???????????????? 2 ??? ???? 1s22s1
???????????????? 1s ???????????????? 2 ???
???????????? 1s ???????????????? 1??? 5.
????????????????????????? (filled orbitals)
???????????????? (half-filled orbitals)
?????????????????????????????????????? ????
2p3 ?????????? 2p4 ???? 3d10 ?????????? 3d9
33

• ????????? ????????????????????????????????????????
  ?????????????????????????? ??????
• 1s2 ? 2s2 ? 2p6 ? 3s2 ? 3p6 ? 4s2 ? 3d10 ? 4p6 ?
  5s2 ? 4d10 ? 5p6 ? 6s2
• ?????????????????

• ???????? ???? 3Li ?? 3 ??????????
• ?????????????????????? 2s (1s ??? 2s
  ???????????????????? 4 ???) 1s2 2s1

???????????????
34

• 6C ??????????????????? 4 ??????????? 10
  ???????????????????????????????????? 2p ?????????
  ????????????????????? 2p ??? 1s ??? 2s
  ???????????????????? 1s2 2s2 2p2
• 18Ar ??????????????????? 18 ?????????????????????
  ??????????????? 3p ????????? ?????????????????????
  ????????????????????? 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 ?
  ????????????(filled configuration)
• 26Fe ??????????????????? 20 ??????????? 30
  ???????????????????????????????????? 3d ?????????
• ????????????????????????????????????????????????
  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

2px
2py
2pz
2s
1s
Ar ? Ar 4s2 3d6
35

• ????????? ????????????????????????????????????????
  ???
• ?. 14Si
• ?. 30Zn
• ?. 34Se
• ?. 12Mg2
• ?. 19K
• ?. 17Cl-

36

• ????????? ?????????????????????????????????????
  ??????????????? (ground state) ????????????????
  (excited state)
• ?. 1s2 2s ?. 1s2 2s2 2p ?. 1s2 2s 2p2
• ?. 1s2 2s2 2p4 3s ?. 1s2 2s2 2p2 ?. 1s2 2s2
  2p6 3d

• ????????? ?????????????????????????????????????
  ??????????????? ???????????????????????????
  (ground state)
• ?. 1s ?. 1s2 2s ?. 2s
• ?. 1s2 3s ?. 1s2 2s2 3s2 ?. 1s2 2s2 2p7 3s

37

• ???????????????????????????????????????

38

• ??????????????????
• ????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????? ??????
• ????????????
• ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ???????????????? ???????
• ?????????????????????????????????????????(????????
  ??????????) ???????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ?(orbital) ????????????????????

3Li 1s2 2s
11Na 1s2 2s2 2p6 3s
39
????????????????????????

• ???????????????????????????????????????????(??????
  ????????????) ?????????????????
  ????????????????????????????????????????????(orbit
  al) ??????????????????????????????????????????????
  ????????????

4Be 1s2 2s2
3Li 1s2 2s
40
????????????????????????
41

• ??????????????????
• ??????????????????(ionization energy, IE)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ??????????????????????????(ground state)
• A(g) energy ----gt A(g) e- (1st IE)
• A(g) energy ----gt A2(g) e- (2nd IE)
• A2(g) energy ----gt A3(g) e- (3rd IE)
• IE ????????????????????????????????????
  ??????????????????????????????????????????????????
  ????????????????????????? ???? ???????????????????
  ??????????????????(?????????) ????????????????????
  ????????? ????????????????????????????????????????
  ????????
• Be 1s2 2s2 B 1s2 2s2 2p1
  IEBe gt IEB
• N 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1 O 1s2 2s2
  2px2 2py1 2pz1 IEN gt IEO

1st IElt 2nd IE lt3rd IElt
42

• ??????????????????
• ????????????????????(electron affinity, EA)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ????(ground state) ???????????????????????????????
  ???
• X(g) e- ----gt X- (g) energy
• ??? EA ???????????????????????????????????????????
  ???????????????????????????????????????????????
• ??? EA ????????????????????????? ?????????
  ???????????????????????????????
• ???????????????????(electronegativity, EN)
• ??????????????????????????????????????????????????
  ?????????? ??????????????????????????? EA
  ???????????????????????????????????????????? ???
  EN ???????????????????????????????????????????????
  ??????????? Fluorine ?????????????? 4

43

• ????????? ????????????????????????
• ????????????????????????? Li Na Mg C O
• ??? Ionization Energy ???????????? Mg P S Cl
• ??? Electronegaivity ??????????? C O F N Si
• ??? Electron affinity ??????????? Br Cl I Al

• ????????? ???? A, B, C, D ??? E
  ??????????????????????????????????
• A 1s2 2s2 2p3 B 1s2 2s1 C 1s2 2s2 2p6 3s1
• D 1s2 2s2 E 1s2 2s2 2p7
• ?????????????????????????????????????