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
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
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
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 ◆ Maxwel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
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 黑体:能全部吸收外来电磁波的物体。黑色物体或开一小孔的空心金属球近似于黑体 黑体辐射:加热时,黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。 ★经典理论与实验事实间的矛盾: 经典电磁理论假定,黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的,按经典热力学和统计 力学理论,计算所得的黑体辐射能量随波长变化的分布曲线,与实验所得曲线明显不符。 按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线: Wen(维恩)曲线 能 Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量按自由度量 Rayleigh- 均分原则用到电磁辐射上,按其公式计算所得结果 Jeans(瑞 在长波处比较接近实验曲线 利一金斯) Wen假定辐射波长的分布与 Maxwel!分子速度 抽线 分布类似,计算结果在短波处与实验较接近 经典理论无论如何也得不出这种 实验曲线 有极大值的曲线 黑体辐射能量分布曲线波长
黑体：能全部吸收外来电磁波的物体。黑色物体或开一小孔的空心金属球近似于黑体。 黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。 ★经典理论与实验事实间的矛盾： 经典电磁理论假定，黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的，按经典热力学和统计 力学理论，计算所得的黑体辐射能量随波长变化的分布曲线，与实验所得曲线明显不符。 Wien（维恩）曲线 能 量 波长 实验曲线 RayleighJeans（瑞 利－金斯） 曲线 黑体辐射能量分布曲线 按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线： Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量按自由度 均分原则用到电磁辐射上，按其公式计算所得结果 在长波处比较接近实验曲线。 Wien假定辐射波长的分布与Maxwell分子速度 分布类似，计算结果在短波处与实验较接近。 经典理论无论如何也得不出这种 有极大值的曲线。 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ν,能量为ε=hv 的整数倍的电磁能,即振动频率为v的振子,发射的能量 只能是0hν,1hv,2hv,…,nhv(n为整数)。 h称为 Planck常数,h=6626×10-34Js ·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: E 8Th hv/kt ●能量量子化:黑体只能辐射频率为ν,数值 为hv的整数倍的不连续的能量
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： ( ) 1 8 / 3 1 3 − = − h kt c h E e ●能量量子化：黑体只能辐射频率为，数值 为h的整数倍的不连续的能量
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 1900年前后,许多实验已证实: ●照射光频率须超过某个最小频率v,金 光 电子 属才能发射出光电子 金属 ●增加照射光强度,不能增加光电子的动 能,只能使光电子的数目增加; ●光电子动能随照射光频率的增加而增加 经典理论不能解释光电效应: 经典理论认为,光波的能量与其强度 成正比,而与频率无关;只要光强足够 任何频率的光都应产生光电效应;光电子 的动能随光强增加而增加,与光的频率无0 关。这些推论与实验事实正好相反。 光电子动能与照射光频率的关系
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。 金属 光 电子 Ek 0 0 光电子动能与照射光频率的关系 1900年前后，许多实验已证实： ●照射光频率须超过某个最小频率0，金 属才能发射出光电子； ●增加照射光强度，不能增加光电子的动 能，只能使光电子的数目增加； ●光电子动能随照射光频率的增加而增加。 经典理论不能解释光电效应： 经典理论认为，光波的能量与其强度 成正比，而与频率无关；只要光强足够， 任何频率的光都应产生光电效应；光电子 的动能随光强增加而增加，与光的频率无 关。这些推论与实验事实正好相反
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:ε=-hv ★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ε=mc2,光子的质量为:m=hv/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=hv/=h/ (C=v) ★光的强度取决于单位体积内光子的数目(光子密度)。 产生光电效应时的能量守恒:h=W+Ek=hv+mv2/2 (脱出功:电子逸出金属所需的最低能量,W=hvn) 用 Einstein光子说,可圆满解释光电效应: O当hvw时,vv,光子没有足够能量使电子逸出金属,不发生光电效应 O当hv=w时,v=vn,这时的频率就是产生光电效应的临阈频率(v) O当hvw时,vvo,逸出金属的电子具有一定动能,Ek=hv-hvo,动能与频率 呈直线关系,与光强无关
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）。 产生光电效应时的能量守恒：h＝w＋Ek＝h0+mv2/2 （脱出功：电子逸出金属所需的最低能量，w＝h 0） 用Einstein光子说，可圆满解释光电效应： ○当hw时，0，光子没有足够能量使电子逸出金属，不发生光电效应； ○当h＝w时，＝ 0，这时的频率就是产生光电效应的临阈频率（ 0 ）； ○当hw时，0，逸出金属的电子具有一定动能，E k＝h－h 0，动能与频 率 呈直线关系，与光强无关
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v和λ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: c=hv, p=h/n
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： =h，p＝h/
工工工工工工工工工工工工五工工工五工工五工工工 3.实物微粒的波粒二象性 日习题:P34,134 ° 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E=hv,p =h/λ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2=h/p=h/m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=λV,E=p2(2m)=(12)m2,对于光:c=v,E=pC=mc 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7.3×10-1m(0.73nm),与分子大小相当;质量为lg的宏观粒 子以1×10-2m/s的速度运动, de broglie波长为7×10-2m,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。也有波
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＝p 2 /(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1.0106 m/s的速度运动的电子，其de Broglie波长为7.310－10m（0.73nm），与分子大小相当；质量为1g的宏观粒 子以 110－2 m/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。 习题：P34，1,3,4
电子束 电子衍射示意图 CSI箔电子衍射图
电子衍射示意图 CsI箔电子衍射图