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      原子結構及原子間結合鍵的特點
      2022年05月13日 發布 分類:粉體入門 點擊量:173
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      目前,我們對原子結構的理解建立在量子理論和波動力學發展的基礎上。大約在 1900 年以前,大量由各種原子發射的具有一系列特征譜線的光譜資料、熱輻射對頻率的依存關系以及光電子發射現象的特點都不能用經典連續介質物理給出滿意的解釋。普朗克在1900 年對熱輻射作了成功的解釋,他提出輻射是以能量子或光子為單位不連續發射的,光子具有的能量為hr。愛因斯坦在1905 年用同一個概念解釋了光發射現象。1913年,玻爾提出子一個原子模型,認為電子只能在某些穩定的軌道中運動(沒有輻射),并假設當電子在這些具有穩定能量狀態的軌道之間躍遷時就會發射或吸收光量子而產生光譜線。這個觀點可以對實驗中觀察到的光譜線系列給出滿意的解釋。

      玻爾原子

      玻爾原子中,量子理論要求電子的角動量必須是h/2T 的整數倍,與h/2T 相乘的整數n 稱為主量子數。隨著幾的增加,電子的能量增加,同時電子離開帶正電荷的原子核也更遠。除了主量子數,電子還由其他一些量子數來描述:L是衡量軌道偏心度的量子數,其值可在0到n-1之間變動;m是衡量橢圓軌道的空間取向的量子數,其值取-l到+1之間的整數;s標志電子自旋的方向是正向或反向。隨著n及l的增加,通常電子軌道的能量也增加。


      玻爾原子結構示意圖

      對原子結構的另一個限制是泡利不相容原理,即在任何一個原子中任意兩個電子不可能具有完全相同的量子數。當原子中電子數增加時,增加的電子就去填充主量子數較大的較高能態的軌道。按照泡利不相容原理可以依次確定各軌道所能安置的電子數,從而決定元素的周期分類

      電子軌道

      雖然在定量解釋很多光譜數據方面取得了成功,玻爾原子模型仍然不能說明一些電子軌道的穩定性和光譜線的精細結構。德布羅意在1924年提出的光的二象性是普遍適用的。所謂光的二象性,指的是所觀察到的光現象既可以從波動性也可以從光子的能量和動量出發加以討論。根據普朗克方程和德布羅意方程,任何粒子的運動都和一定頻率及波長的波動現象相聯系,這些關系已經被X射線、電子及中子衍射實驗所證實。穩定的電子軌道不應該出現相消干涉,而當軌道的周長為波長整數倍時就會產生駐波。

      原子間的鍵

      形成穩定無機晶體的主要作用力是正負離子間的靜電引力(如KCI)以及由于兩個原子間共有電子對而形成的電子結構的穩定性。

      離子鍵

      離子鍵的本質可以用 KCI 的生成來說明。當將一個中性的鉀原子電離成K+時,消耗電離能4.34eV。而一個中性的氯原子獲得一個電子變為CI-時,可得到電子親和勢 3.82 eV。這就是說,將兩者離子化時需要凈消耗0.52 eV的能量。

      共價鍵

      穩定氫分子H2的形成情況和剛才討論過的KCl的情識很不一樣,這里我們考慮當兩個氫原子靠近時的情況。每個氫原子有一個1s電子。當電子遠離質子時勢能為0,而在每個質子附近有最小值。沿兩個質子間連線,電子的勢能增加,但它總是較自由電子時的勢能為低。當核靠近時,沿兩個質子間連線發現電子的幾率較大,而最穩定的情況為啞鈴狀分布。當兩個質子更加接近時,質子問由于電子云密度增大而導致的能量增益進一步增加,但是同時斥力也增加了,從而導致了一個能量最小值。導致總能量最小的這一電子分布或波函數是系統的穩定態。一對電子形成一個穩定的鍵,因為只有兩個電子可以列入能量最低的波函數(不相容原理)。第三個電子就要進入能量較高的量子態,結果系統就不穩定。

      范德瓦耳斯鍵

      在原子回或分子間另外一種弱的靜電力稱為范德瓦耳斯力或色散力。任何原子或分子都存在一個波動著的偶極矩,它隨著電子的瞬時位置而變動。這個偶極矩的電場會誘導鄰近原子產生偶極矩,這個誘導偶極矩與原始偶極矩的相互作用產生一種吸引力。這種情況下的鍵能比較弱(約0.1eV),但在惰性氣體及沒有其他結合力的分子間,這種力就變得重要起來了。

      金屬鍵

      金屬原子間的內聚力是由原子聚集體中的量子力學效應產生的。

      中間鍵型

      雖然KCI 結構可以看成近乎是完全離子型的,而H2是完全共價型的,但還有很多中間型。這種中間型的特點是既具有離子的電子構型,又在沿原子中心間的連線上具有較大的電子濃度。


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