结构化学第一二两章规范.doc

第一章 量子力学基础 Chapter 1.The basic knowledge of quantum mechanics §1.1 量子力学的诞生(The naissance of quantum mechanics)一、 十九世纪末的物理学 十九世纪末，经典物理学已经形成一个相当完善的体系，机械力学方面建立了牛顿三大定律，热力学方面有吉布斯理论，电磁学方面用麦克斯韦方程统一解释电、磁、光等现象，而统计方面有玻兹曼的统计力学。当时物理学家很自豪地说，物理学的问题基本解决了，一般的物理都可以从以上某一学说获得解释。唯独有几个物理实验还没找到解释的途径，而恰恰是这几个实验为我们打开了一扇通向微观世界的大门。 二、三个重要实验：1、黑体辐射： 一个吸收全部入射线的表面称为黑体表面。一个带小孔的空腔可视为黑体表面。它几乎完全吸收入射幅射。通过小孔进去的光线碰到内表面时部分吸收，部分漫反射，反射光线再次被部分吸收和部分漫反射……，只有很小部分入射光有机会再从小孔中出来。如图1－1所示： 图1-1 黑体辐射示意图 图1－2表示在四个不同的温度下，黑体单位面积单位波长间隔上发射的功率曲线。十九世纪末，科学家们对黑体辐射实验进行了仔细测量，发现辐射强度对腔壁温度 T的依赖关系。 图1-2 各种温度在不同波长处有一极大值，根据维恩定律 辐射波长与腔壁形状和材料无关,但还需要找出用波长与温度表达能量的关系式。1900年12月14日普朗克在德国物理学会的一次会议上提出了黑体辐射定律的推导。在推导辐射强度作为波长和温度函数的理论表达式时，普朗克作了一个特别基本的假定从而背离了经典物理学，这个假定的精髓可以说明如下。一个自然频率为的振子只能够取得或释放单位的能量，每单位的能量大小为这里的h是一个自然界的新的基本常数。它的数值为6.6262×10－34Js 根据这一假定，普朗克推导出一个表达式为： 普朗克本人在接受这个背离经典物理学的假定时是非常勉强的，在他得到伟大的发现之后，多年来还非常卖力地试图在纯粹经典的基础上理解黑体辐射现象。关于这些无效的努力，他后来说他并不认为它们是无用劳动；仅仅由于他的重复失败才使他最后相信不可能在经典物理学内求得说明。 普朗克辐射定律的完整的光辉形式表达如下： 其中是腔内在温度T和波长处单位波长间隔中的辐射能密度。常数 k是玻耳兹曼常数，c是光速。 2、光电效应 光照射在金属表面时，将有电子从表面逸出，使人惊奇的是逸出的电子的动能与光的强度无关，但却以非常简单的方式依赖于频率。当我们增大光的强度，只增加了单位时间内发射的电子数。但不会增加电子的能量。1905年，爱因斯坦对此作出解释，按照这个解释，一束单色光的能量是一份份到来的，每份的大小为（为频率），每个电子的动能为入射光子的一份能量扣去表面逸出功W: 众所周知，早在十七世纪对光的本性有牛顿的微粒说与惠更斯的波动说。1905年，爱因斯坦又提出光子说，圆满地解释了光电效应。光电效应实验如图所示： 图1-3 光电效应示意图 光子学说的内容如下： （1）光是一束光子流，每一种频率的光的能量都有一个最小单位，称为光子，光子的能量与光子的频率成正比，即： 式中h为Planck常数，为光子的频率。 （2）光子不但有能量，还有质量（m），但光子的静止质量为零。按相对论的质能联系定律: 光子的质量为，所以不同频率的光子有不同的质量。 （3）光子具有一定的动量（p） 光子有动量在光压的实验中得到了证实。光的强度取决于单位体积内光子的数目，即光子密度。 解释实验观测的结果： 当时，电子没有足够能量逸出金属表面，不发生光电效应。 当时（为临阈频率）当时金属中逸出电子具有一定动能，它随的增加而增加 3、原子光谱： 1911年卢瑟福提出原子结构模型，原子由原子核与电子组成，原子核是一个很小的带正电的核，电子带负电绕核运转。按照经典力学，原子可能是一个静止体系，电子与核的电场相互作用，不断幅射能量，最后将螺旋状地落入原子核。但从原子光谱观察，在没有外作用时，原子不发生辐射，受到作用时，原子也只发射自己特有的频率，不会连续辐射。 三、德布罗意物质波 Einstein为了解释光电效应提出了光子说，即光子是具有波粒二象性的微粒，这一观点在科学界引起很大震动。1924年，年轻的法国物理学家德布罗意(de Broglie)由此受到启发，大胆提出这种现象不仅对光的本性如此，而且也可能适用于其它微粒。他说，“整个世纪来，在光学上，比起波动研究方法，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而忽略了波的图象？从这种思想出发，德布罗意假定适合光子的公式 也适用