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结构化学基础 （第三版） 周公度 段连运 编著 主讲教师：孙 忠 副教授 辅 导：许 嘉 授课学时：48 学分：3 参 考 书：1.周公度 段连运编著《结构化学基础》，第二版，北京大学出版社，1995年 2.谢有畅 邵美成编《结构化学》，第二版，人 民教育出版社，1983年 3.江元生遍《结构化学》，第一版，高等教育出版社，1997年 绪 言 结构化学的研究范围 结构化学的主要内容 结构化学的发展历程 结构化学的学习方法 第一章 量子力学基础知识 1.1 微观粒子的运动特征 ☆ 经典物理学遇到了难题 19世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当完善： ◆Newton力学 ◆Maxwell电磁场理论 ◆Gibbs热力学 ◆Boltzmann统计物理学 上述理论可解释当时常见物理现象，但也发现了解释不了的新现象。 1. 黑体辐射与能量量子化 Planck能量量子化假设 1900年，Planck（普朗克）假定，黑体中原子或分子辐射能量时作简谐振动，只能发射或吸收频率为?,能量为??h?的整数倍的电磁能，即振动频率为?的振子，发射的能量只能是0h?，1h?，2h?，……，nh?（n为整数）。 h称为Planck常数，h＝6.626×10－34J?S 按Planck假定，算出的辐射能E?与实验观测到的黑体辐射能非常吻合： 2. 光电效应与光的波粒二象性 光电效应：光照射在金属表面，使金属发射出电子的现象。 Einstein光子学说 1905年，Einstein在Planck能量量子化的启发下，提出光子说： ★光是一束光子流，每一种频率的光其能量都有一个最小单位，称为光子，光子的能量与其频率成正比：??h? ★光子不但有能量，还有质量（m），但光子的静止质量为零。根据相对论的质能联系定律?＝mc2，光子的质量为：m＝h?/c2，不同频率的光子具有不同的质量。 ★光子具有一定的动量：p＝mc＝h?/c＝h/? (c＝??） ★光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密度）。 光的波粒二象性 只有把光看成是由光子组成的光束，才能理解光电效应；而只有把光看成波，才能解释衍射和干涉现象。即，光表现出波粒二象性。 波动模型是连续的，光子模型是量子化的，波和粒表面上看是互不相容的，却通过Planck常数，将代表波性的概念?和?与代表粒性的概念?和p联系在了一起，将光的波粒二象性统一起来： 3. 实物微粒的波粒二象性 de Broglie(德布罗意）假设： 1924年，de Broglie受光的波粒二象性启发，提出实物微粒（静止质量不为零的粒子，如电子、质子、原子、分子等）也有波粒二象性。认为?=h?，p＝h/? 也适用于实物微粒，即，以p＝mv的动量运动的实物微粒，伴随有波长为 ?＝h/p＝h/mv 的波。此即de Broglie关系式。 de Broglie波与光波不同：光波的传播速度和光子的运动速度相等；de Broglie波的传播速度（u）只有实物粒子运动速度的一半：v＝2u。对于实物微粒：u＝??，E＝p2/(2m)＝(1/2)mv2 ,对于光：c＝??，E＝pc＝mc2 微观粒子运动速度快，自身尺度小，其波性不能忽略；宏观粒子运动速度慢，自身尺度大，其波性可以忽略：以1.0?106m/s的速度运动的电子，其de Broglie波长为7.3?10－10m（0.73nm），与分子大小相当；质量为1g的宏观粒子以 1?10－2m/s 的速度运动，de Broglie 波长为7 ?10－29m，与宏观粒子的大小相比可忽略，观察不到波动效应。 1927年，Davisson和Germer用镍单晶电子衍射、Thomson用多晶金属箔电子衍射，分别得到了与X-射线衍射相同的斑点和同心圆，证实电子确有波性。后来证实：中子、质子、原子等实物微粒都有波性。 ■实物微粒波的物理意义——Born的统计解释 Born认为，实物微粒波是几率波：在空间任一点上，波的强度和粒子出现的几率成正比。 用较强的电子流可在短时间内得到电子衍射照片；但用很弱的电子流，让电子先后一个一个地到达底片，只要时间足够长，也能得到同样的电子衍射照片。电子衍射不是电子间相互作用的结果，而是电子本身运动所固有的规律性。 实物微粒的波性是和微粒行为的统计性联系在一起的，没有象机械波（介质质点的振动）那样直接的物理意义，实物微粒波的强度反映粒子出现几率的大小。 对实物微粒粒性的理解也要区别于服从Newton力学的粒子，实物微粒的运动没有可预测的轨迹。 一个粒子不能形成一个波，但从大量粒子的