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1、含能材料化学基础,李明愉,5#教学楼0528室 68915065 limingyu,平时成绩：40% 考试成绩：60%,交作业的时间 ：每周二上课之前,考试：闭卷,什么是含能材料？,含能材料(energetic materials) Energetic materials are a class of material with high amount of stored chemical energy that can be released. Typical classes of energetic materials are e.g. explosives, pyrotechnic co
2、mpositions, propellants (e.g. smokeless gunpowders and rocket fuels), and fuels (e.g. diesel fuel and gasoline).,为什么要学含能材料化学基础？,各学科专业特色,特种能源工程与烟火技术,弹药工程与爆炸技术,安全工程,含能材料的研制与性能评价 火工品与烟火技术系统设计 燃烧及爆炸的研究,弹药与爆炸技术 高效毁伤技术 碰撞与冲击动力学 战斗部设计与终点效应 安全与防护技术 含能材料设计与评价,燃烧爆炸安全理论 防火防爆技术 武器系统安全技术,课程讲授的主要目的,材料设计(materials
3、 by design)是指通过理论与计算预测 新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。,含能材料化学讲授的主要内容,原子结构及元素性质的周期性,分子的结构与性质,晶体结构（略讲）,酸碱平衡与酸碱滴定法,沉淀平衡与有关分析方法,氧化还原平衡与氧化还原滴定分析,配位化合物与配位滴定,主族元素（第13，14，15章）,副族元素（第16，17章）,第1章 原子结构及元素性质的周期性,性质,物理性质,化学性质,结构,原子,原子核,核外电子,化学反应,微观粒子,质量，体积很小,运动速度很快,经典力学无法描述,量子力学,量子力学的基础是微观世界的量子性和微观粒子运动规律
4、的统计性,本章内容解决的问题,原子结构理论的发展,1803年英国道耳顿的原子论：原子是不可分割的最小单元。,1904年英国剑桥大学的Thomson应用磁性弯曲技术发现了电子。,1911年Thomson的学生Rutherford通过粒子撞击金箔时，只有极少一部分粒子发生散射的实验证明了原子核的存在。,第一节 原子核外电子运动的特征,Rutherford“行星系式”原子模型,原子由原子核（质子+中子）和绕核作高速运动的电子组成。原子核好比太阳，电子好比绕太阳运动的行星，电子绕核高速运动。,1.绕核运动的电子应不停地连续辐射,得到连续光谱,但实际得到的是不连续光谱。,无法解释：,2.电子应运动而辐射
5、能量,并不断减少,电子运动的轨道半径也将不断减少，最终，电子坠入核内，原子毁灭。,白光散射时，观察到可见光区的连续光谱，但H原子受激发射所得光谱却是不连续的线状光谱，可见光区有四条谱线。,氢原子的线状光谱（line spectrum）,1913年，Rutherford的学生玻尔Bohr在研究氢原子光谱（在真空光电管中充入稀薄的氢气，并高压放电）时发现，它是一条不连续的线状光谱。,氢原子光谱和玻尔理论,1900年，Plank在研究黑体辐射问题时提出了著名的量子化理论，提出物质吸收和发射的能量是不连续的，只能以单个的、一定分量的能量，一份一份地按照这一基本分量的倍数吸收或发射能量，即能量是量子化的
6、。这种能量的最小单位叫能量子，或简称量子(quantum)。,Max Karl Ernst Ludwig Plank 18581947 1918 诺贝尔物理学奖,比例常数 h 称为Planck常数。 h = 6.6261034Js; n为整数(n=0, 1, 2, 3, ),The photoelectric effect,爱因斯坦认为, 入射光本身的能量也按普朗克方程量子化, 并将这一份份数值为E的能量叫光子(photons), 一束光线就是一束光子流. 频率一定的光子其能量都相同, 光的强弱只表明光子的多少, 而与每个光子的能量无关.,爱因斯坦对光电效应的成功解释最终使光的微粒性为人们所接
7、受. 以波的微粒性概念为基础的一门学科叫量子力学(quantum mechanics)., 光电效应,1905年, 爱因斯坦(Einstein A)成功地解释了光电效应(photoelectric effect), 将能量量子化概念扩展到光本身. 对某一特定金属而言,不是任何频率的光都能使其发射光电子. 每种金属都有一个特征的最小频率(叫临界频率), 低于这一频率的光线不论其强度多大和照射时间多长, 都不能导致光电效应.,Bohr在牛顿力学的基础上吸取了德国Planck的量子论，提出电子等微观粒子运动状态的变化是不连续的，是量子化（quantized）的。,为量子(quantum), 能量的吸
8、收与释放只能是最小单位的整数倍(n ) 。,En,玻尔的量子化假设,=nhv,量子的能量取决于辐射频率v。h为普朗克常数,6.6261034Js.,3.跃迁假设：当电子吸收能量时将跃迁到能量较高的定态(轨道)，放出能量时，则跃迁到能量较低的另一个定态(轨道)。,Bohr的定态原子模型,2.定态假设：电子在某一轨道上运动时，既不吸收能量也不发射能量,处于定态.其中能量最低的定态称为基态(ground state)，其它能量较高的定态称为激发态(excited state)。,1.量子化假设:原子核外的电子只能在某些符合量子化条件(nh/2)的轨道上运动。(n=1,2,3),Bohr 理论的主要内
9、容,年轻的丹麦物理学家玻尔(Bohr N，1885-1962)于1913年提出的氢原子结构的量子力学模型是基于下述3条假定：,关于固定轨道的概念. 玻尔模型认为, 电子只能在若干圆形的固定轨道上绕核运动.因此，玻尔的氢原子模型可以形象地称为行星模型。 固定轨道是指符合一定条件的轨道, 这个条件是, 电子的轨道角动量L只能等于h/(2)的整数倍：,Bohr 理论的主要内容,式中 m 和 v 分别代表电子的质量和速度, r 为轨道半径, h 为普朗克常量, n 叫做量子数(quantum number), 取1,2,3,等正整数. 轨道角动量的量子化意味着轨道半径受量子化条件的制约, 图中示出的这
10、些固定轨道, 从距核最近的一条轨道算起, n值分别等于1,2,3,4,5,6,7. 根据假定条件算得 n = 1 时允许轨道的半径为 53 pm, 这就是著名的玻尔半径.,关于轨道能量量子化的概念. 电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化. 即原子只能处于上述条件所限定的几个能态, 不可能存在其他能态.,定态(stationary state)：,所有这些允许能态之统称.核外电子只能在有确定半径和能量的定态轨道上运动, 且不辐射能量.,基态(ground state):,n 值为 1 的定态.通常电子保持在能量最低的这一基态. 基态是能量最低即最稳定的状态.,指除基态以外的其余定态. 各激发
11、态的能量随 n 值增大而增高. 电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态.,激发态(excited states):,关于轨道能量量子化的概念. 电子轨道角动量的量子化也意味着能量量子化. 即原子只能处于上述条件所限定的几个能态, 不可能存在其他能态.,玻尔模型认为, 只有当电子从较高能态(E2)向较低能态(E1)跃迁时, 原子才能以光子的形式放出能量(即, 定态轨道上运动的电子不放出能量), 光子能量的大小决定于跃迁所涉及的两条轨道间的能量差. 根据普朗克关系式, 该能量差与跃迁过程产生的光子的频率互成正比：,关于能量的吸收和发射.,E = E2 E1 = h,如果电子由能量为E1的轨道跃
12、至能量为E2的轨道, 显然应从外部吸收同样的能量., 计算氢原子的电离能,波尔理论的成功之处, 解释了 H 及 He+、Li2+、B3+ 的原子光谱, 说明了原子的稳定性, 对其他发光现象（如光的形成）也能解释, 不能解释氢原子光谱在磁场中的分裂,波尔理论的不足之处, 不能解释氢原子光谱的精细结构, 不能解释多电子原子的光谱,1924年，法国物理学家德布罗意(L. de Broglie)在光具有波粒二象性的启发下，提出了电子、质子、中子，包括原子等微观实物粒子与光一样也有波粒二象性。,这些实物粒子波，称为物质波。,问：物质波的波长与物质的质量，能量是什么关系？,电子的波粒二象性wave-par
13、ticle paralleism,物质波的德布洛依关系式：, 微粒波动性的直接证据 光的衍射和绕射,在光的波粒二象性的启发下，德布罗意提出一种假想.他于1924 年说：, 德布罗意关系式 一个伟大思想的诞生,1924年，Louis de Broglie认为：质量为 m ,运动速度为v 的粒子,相应的波长为：,h 为Planck 常量,这就是著名的 德布罗意关系式.,“过去，对光过分强调波性而忽视它的粒性；现在对电子是否存在另一种倾向，即过分强调它的粒性而忽视它的波性.”,1927年，Davissson 和 Germer 应用 Ni 晶体进行电子衍射实验，证实电子具有波动性.,(a),(b),电
14、子通过A1箔(a)和石墨(b)的衍射图, 微粒波动性的近代证据 电子的波粒二象性,Schematic drawings of diffraction patterns by light, X- rays, and electrons,微观粒子电子：,宏观物体子弹：,让我们选一个微观粒子和一个很小的宏观物体进行一项计算：,显然，包括宏观物体如运动着的垒球和枪弹等都可按德布罗意公式计算它们的波长。由于宏观物体的波长极短以致无法测量，所以宏观物体的波长就难以察觉，主要表现为粒性，服从经典力学的运动规律.只有象电子、原子等质量极小的微粒才具有与 x射线数量级相近的波长才符合德布罗意公式，然而，如此短的
15、波长在一般条件下仍不易显现出来。,m = 1.0 10-2 kg, = 1.0 103 m s-1, = 6.6 10-35 m,波粒二象性是否只有微观物体才具有？,海森堡不确定原理(uncertainty principle),微观粒子不同于宏观物体，它们的运动无轨迹可言，即在一确定的时间没有一确定的位置。 海森堡的测不准原理 （Heisenberg uncertainty principle ）,如果我们能设计一个实验准确测定微粒的位置, 那就不能准确测定其动量, 反之亦然.,x p h/(4),如果我们精确地知道微粒在那里, 就不能精确地知道它从那里来, 会到那里去;如果我们精确地知道微
16、粒在怎样运动, 就不能精确地知道它此刻在那里.,即不可能同时测得电子的精确位置和精确动量 ！,海森堡不确定原理(uncertainty principle), 重要暗示不可能存在 Rutherford 和 Bohr 模型中行星绕太阳那样的电子轨道, 具有波粒二象性的电子，已不再遵守经典力学规律，它们的运动没有确定的轨道，只有一定的空间概率分布，即电子的波动性与其微粒行为的统计性规律相联系. 因此, 实物的微粒波是概率波, 性质上不同于光波的一种波. 波动力学的轨道概念与电子在核外空间出现机会最多的区域相联系.,但是，测不准关系不是限制人们的认识限度，而是限制经典力学的适用范围，说明微观体系的运动有更深刻的规律在起作用，这就是量子力学所反应的规律.,玻尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了他的氢原子模型.,波粒二象性对化学的重要性在于：,薛定鳄等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学
