[材料科学]量子与结构化学0-1.ppt

量子与物质结构导论 §0、绪言 §0-1、结构化学的本质 §0-1-1、定义 定义：研究原子、分子和晶体的微观结构，进而研究物质的结构和性能之间关系的一门学科，由表及里，表里统一的学科。（烤面包从里面热起） §0-1-2、内容 1、原子和分子内电子的运动情况，由此得到原子和分子内的电子组态和化学键的本质。 电子——它的组态、它的键合 2、分子和晶体内多原子在空间排列的相对位置即主体构型。 原子构型 §0-1-3、目的 提供微观结构的理论依据，揭示微观体系的运动规律，借助当代物理学的先进手段（XRD、NMR等），推动结构研究的不断深入。 §0-1-4、应用 微观组成→宏观性质 特定微观→特定宏观 人的DNA排序决定人的多异，多肽结构不同（H位置的上下）决定药物成分对人体的有效，材料中Si，Al的变异决定哪一种性能。 高分子活性基团的位置及嫁接基团的可能性。 化妆品的效果由微观的结构组成决定。 在化学、物理、生物、材料、药物、化工、石化等等许多技术中得到应用和发展。 §0-1-5、本课程的教程 1、量子力学基础 2、原子结构 3、双原子和多原子分子结构 4、分子对称性和群论知识 5、配位场理论 6、原子价 7、结构分析 8、晶体结构 § 0-1-6、本课程的参考书 1、周公度、段连运编著. 《结构化学基础》 北京：北京大学出版社，1995年9月 第二版 2、[英]C.A 库尔森原著，R.麦克威尼修订. 《原子价》 北京：科学出版社，1986.4 第二版 3、游效曾编著 《结构分析导论》 北京：科学出版社 §1、量子力学基础 §1-1、微观粒子的运动特征 19世纪末经典物理学的标志： Newton的经典力学 Maxwell的电、磁、光的电磁波理论 Boltzmann、Gibbs的统计物理学 共同特点： 用于宏观现象的解释 微观上无法应用。 新的理论体系——量子力学，是十九世纪初自然科学发展的集中表现。 §1-1-1、量子力学诞生的实验基础 1、黑体辐射 黑体——多种波长的全吸收体，多种波长的最大发射体。 黑体辐射的能量电磁波的波长的关系 如教材图1-1所示 Wien的解释：类似麦克斯韦的分子速度分布，这种解释只符合短波长。 Rayleigh-Jeans的解释：能量按自由度均分，这种解释只符合长波长。 Plank的解释： (1)黑体中原子或分子辐射能量时作简谐振动，振动的能量只能采用某一最小能量单位ε0（能量子）的整数倍数值。 即 ε=nε0 (n＝1,2,3,…) n称作量子数 (2) ε=hv (h：普朗克常数，6.626×10-34J·S) (3)量子化基础上 T：绝对温度K c：光速 k：玻尔兹曼常数 在每个T绝对温度下，有 Ev ~ ν的变化曲线。 2、光电效应 规律： (1)ν光ν光电子，可见光 (2)I光电子I光 (3)E光电子=k ν光 爱因斯坦（Einstein）的光子学说： a、光子能量：ε = n ε0 b、光子质量：m = h ν/c2 意义：不同频率的光子有不同的质量，m0=0，即静止的光子质量为0。 c、光子动量：P=mc= h ν / c=h / λ d、光子密度： 3、氢原子光谱 不连续的线状光谱 1913年，Bihr由Planker的量子论，Einstein的光子说和Rutherford的原子模型，提出三个假设： (1)电子绕核作圆形轨道运动 稳定态→不辐射能量→定态→最低的定态→基态→除基态外，为一、二、三激发态。 (2)电子的跃迁 ΔE跃=E2-E1=h ν ν即为辐射出（吸收入）的频率。 (3)电子轨道有一定要求 运动角动量M=nh/2π (n=1,2,3,…) 这称为玻尔的量子化规律。 4、上述理论的应用 解释了一些简单现象，而Schr?dinger的波动力学，W.Heisenberg的矩阵力学，P.A.M.Dirac Neuman的量子力学是更一般化的理论方法。 §1-1-2、实物微粒的波粒二象性 来源：1924年，de Broglie提出实物也具有波粒二象性，即： E = h ν ， P = h / λ 粒子性 波动性 粒子性 波动性 其中P=h/λ，