《结构化学》量子力学基础.ppt

常常 重庆大学 结构化学 陈昌国 第 1 章 量子力学基础 Base of Quantum Theory 微观物体运动遵循的规律——量子力学，被称为是20世纪三大科学发现（相对论、量子力学、DNA双螺旋结构）之一。 100多年前量子概念的诞生、随后的发展及其产生的革命性巨变，是一场激动人心又发人深省的史话。 1.1 微观粒子的运动特征 (量子力学的起源 or 旧量子论的兴衰） 1.2 量子力学的基本假设 1.3 量子力学原理应用 1687年，Newton的《自然哲学的数学原理》在伦敦出版，确立了牛顿力学。在以后的年代里, Lagrange创立分析力学; Ampere、Weber、Maxwell等人创立电动力学；Boltzmann、Gibbs等人创立统计力学……. 到19世纪末，经典物理学大厦基本建成，它在一系列问题上取得了令人目眩的辉煌成就。 波动是另一种重要的物理现象，如水波、无线电波、光波和核武器爆炸后的冲击波等。它们又分为机械波、电磁波等。光波的运动很重要，光是一种电磁波，传播速度快，运行频率高。 对于微观体系，人们自然要把宏观体系的成果用于微观体系，对于原子、分子体系，人们首先建立了原子结构的行星模型。试图通过牛顿力学来解决原子中电子与原子核两种粒子间的相互作用力问题。 普朗克（Planck）为克服这一困难，摒弃了经典物理学中的能量连续概念，假定黑体中的原子或分子辐射能量时作简谐振动，它只能发射或吸收频率为ν ，数值为E = hν的整数倍的电磁能（式中h 称为普朗克常数，Planck’s constant）。也就是说，黑体辐射是量子化的。【一种振动方式只能一份一份的能量激发，其数值是不连续的，每一份最小能量称为量子】。 1900, 普朗克（Planck）提出的能量量子化公式: 如果按经典物理学，光的频率只与光的颜色有关，与光能量无关。而光能量只与光强度有关，只要光的强度足够大，就可产生光电流。 著名的物理学家爱因斯坦 （Einstein）应用、推广了普朗克的量子概念，提出了光子学说，成功地解释了光电效应。 ①当 hν E M （ h vo ）时，光子没有足够的能量使电子克服电子的束缚能而成为自由电子，则不发生光电效应； ②当 hν E M （ h vo ）时，金属中发射的电子具有一定的动能，发生光电流，并随ν 增加而增加。 电子绕原子核运动，像太阳系中的行星运动一样。试图通过牛顿力学来解决电子与原子核两种粒子间的相互作用力，从而得到电子运动轨道的图象。 行星模型的失败在于：按经典物理学，一个绕核急速旋转的电子，必定要连续不断地发射辐射能，直到电子落入原子核，使原子失去原有特性，但事实上不存在这种情形，电子不出现“塌陷”问题。 事实上告诉人们，牛顿力学不适用于原子中的电子，而应由其他物理规律来支配，即量子力学才能正确的描述电子的行为。 （1）牛顿的微粒说 （2）惠更斯的波动学 光源是微粒源，不同种类的微粒有不同的颜色，白光则是各种不同微粒的混合物。 微粒性表现有：光的透射、反射和折射。 光是发光体在周围空间里引起的弹性振动而形成的一种波，不同波长的波产生不同颜色的光，白光则是各种单色波混合形成的。 波动性表现为：光的干涉、衍射和偏振。 量子化概念的提出和引入，使得对光的本性认识有很大的飞跃。通过长期争论，加上科学技术的不断提高，现在可以认为光表现出波粒二象性。 在一些场合的行为像粒子， 在另一些场合的行为像波。 ①粒子在空间可定域，而波无法定域且充满整个空间。 ②光子能量是量子化，而波动（传播）则是连续的。 但矛盾的主要方面在不同的条件下可相互转化，光在传播过程中波动性比较突出；在与实物相互作用的情况下，粒子性占主要地位。这就是光的本性——光的波粒二象性。 光的波动性和粒子性的内在联系可由如下两个公式反映出来： 法国物理学家德布罗意（de Broglie）提出了实物微粒 （静止质量不等于零的微粒，如电子、中子、质子、原子和分子等实物微粒） 也有波动性的假设。与其相适应的波长为： 实物微粒波也称为德布罗意波。电子衍射 实验证实了德布罗意的假设，后来采用中子、 质子、氢原子和氦原子等粒子流，也同样能观 察到衍射现象，充分证明了实物微粒具有波动 性。由此可见，波粒二象性是微观体系的普遍 现象。 （1）用较强的电子流可以在短时间内得到电子衍射照片; （2）若用很弱的电子