《结构化学课件(周公度版)第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结构化学课件(周公度版)第一章（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第一章 量子力学基础 Chapter 1. Introduction to Quantum Mechanics 结构化学是研究原子结构化学是研究原子、分子分子、固体的微观结构固体的微观结构，运动规律运动规律，物质结构与性能关系的科学物质结构与性能关系的科学. . 微观物体运动遵循的规律微观物体运动遵循的规律量子力学量子力学，被称为被称为是是2020世纪三大科学发现世纪三大科学发现（相对论相对论、量子力学量子力学、DNADNA双双螺旋结构螺旋结构）之一之一. . 100100多年前量子概念的诞生多年前量子概念的诞生、随后随后的发展及其产生的革命性巨变的发展及其产生的革命性巨变，是一场激动人心又
2、发是一场激动人心又发人深省的史话人深省的史话. . 经典物理学遇到了难题经典物理学遇到了难题 1919世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当完善：世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当完善： NewtonNewton力学力学 MaxwellMaxwell电磁场理论电磁场理论 GibbsGibbs热力学热力学 BoltzmannBoltzmann统计物理学统计物理学 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。而恰恰是这几个实验为我们打开了一扇通向了的新现象。而恰恰是这几个实验为我们打开了一扇通向 微观世界的大门。微观世界的大门。
3、 但它对几个问题始终不能给予解释但它对几个问题始终不能给予解释, 其中之一就是著其中之一就是著名的名的黑体辐射问题黑体辐射问题. 此外还有此外还有光电效应光电效应、原子光谱和原子原子光谱和原子结构结构等问题等问题. 而恰恰是这些问题的解决为我们打开了一扇而恰恰是这些问题的解决为我们打开了一扇通向微观世界的大门通向微观世界的大门。 1.1 从经典力学到早期量子论从经典力学到早期量子论 黑体辐射能量密度与波长的关系黑体辐射能量密度与波长的关系是是1919世纪末物理学家世纪末物理学家关心的重要问题之一关心的重要问题之一. .经典物理学在此遭遇严重困难：经典物理学在此遭遇严重困难： 维恩公式只适用于短
4、波部分维恩公式只适用于短波部分; ; 由能量均分定理导出的瑞利由能量均分定理导出的瑞利- -金斯公式则只适用于长波金斯公式则只适用于长波部分部分, ,它在短波部分引出了它在短波部分引出了 “紫外灾变紫外灾变”，即波长变短时即波长变短时辐射的能量密度趋于无穷大辐射的能量密度趋于无穷大, ,而不象实验结果那样趋于零而不象实验结果那样趋于零. . 1.1.1 黑体辐射与能量量子化黑体辐射与能量量子化 黑体黑体：能全部吸收外来电磁波的物体。黑色物体或开一小孔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。的空心金属球近似于黑体。 黑体辐射：黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长
5、电磁波的现象。加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。 这一重要事件后来被认为是量子革命的这一重要事件后来被认为是量子革命的开端开端. Planck为此获为此获1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖. M.Planck 1900年年, Max Planck给出一个能够成功给出一个能够成功描述整个实验曲线的公式描述整个实验曲线的公式. 但他不得不为此但他不得不为此引入一个引入一个“离经叛道离经叛道”的假设的假设: 黑体吸收或黑体吸收或发射辐射的能量必须是不连续的发射辐射的能量必须是不连续的，即量子化即量子化的的. 辐射能量的最小单元为辐射能量的最小单元为h.是振子的频是振子的频率率，h就是著
6、名的就是著名的Planck常数常数，其最新数值其最新数值为为6.62610-34 J.s. 黑体辐射在单位波长间隔的能量密度曲线黑体辐射在单位波长间隔的能量密度曲线 我们遇到了一个难题，即如何找到最适当的假说的我们遇到了一个难题，即如何找到最适当的假说的问题？在这方面并无普遍的规则问题？在这方面并无普遍的规则. 单有逻辑思维是不够的，甚单有逻辑思维是不够的，甚至有特别大量和多方面的经验事实来帮助逻辑思维也还是不至有特别大量和多方面的经验事实来帮助逻辑思维也还是不够的够的. 唯一可能的办法是直接掌握问题或抓住某些适当的概念唯一可能的办法是直接掌握问题或抓住某些适当的概念. 这种智力上的跃进，唯有
7、创造力极强的人生气勃勃地独立思这种智力上的跃进，唯有创造力极强的人生气勃勃地独立思考，并在有关事实的正确知识指导下走上正轨，才能实现考，并在有关事实的正确知识指导下走上正轨，才能实现. 科 学 发 现 漫 谈M. Planck被誉为量子论的创始人被誉为量子论的创始人. 关于科学发现问题，关于科学发现问题，他曾有这样一段精辟的论述：他曾有这样一段精辟的论述： 经典物理无法解释的另一个现象来自经典物理无法解释的另一个现象来自 H.R.赫芝赫芝1887年的著名实验年的著名实验. 这一实验极为有趣和重要这一实验极为有趣和重要, 因为它既证实因为它既证实了了Maxwell的电磁波理论的电磁波理论该理论认
8、为光也是电磁波该理论认为光也是电磁波, 又发现了光电效应又发现了光电效应(photoelectric effect), 后来导致了后来导致了光的光的粒子学说粒子学说. 1889年年, 斯托列托夫提出获得斯托列托夫提出获得光电流的电池方案光电流的电池方案(下图下图G为电流表为电流表, V为电压表为电压表; C为阴极为阴极, A为阳极为阳极): 1.1.2 光电效应与光量子化光电效应与光量子化 1898年，年，P.勒纳特确认放电粒子为电子勒纳特确认放电粒子为电子, 并于并于1902年年指出指出: 入射光线的频率低于一定值就不会放出光电子入射光线的频率低于一定值就不会放出光电子; ;光光电子的动能与
9、光强度无关而与光的频率成正比电子的动能与光强度无关而与光的频率成正比. . 光电子的动能显然来自光能光电子的动能显然来自光能. 按照按照经典波动理论经典波动理论, 光光能取决于光强度即振幅平方能取决于光强度即振幅平方,与频率无关与频率无关. 显然显然, 经典波动经典波动理论理论完全不能解释光电效应的实验事实完全不能解释光电效应的实验事实. 1905年年, Einstein提出光量子提出光量子(光子光子)概念概念, 解释了光电效应解释了光电效应. 根据光子学说根据光子学说, 光是一束光子流光是一束光子流. 每每一个光子携带的能量一个光子携带的能量E与光的频率与光的频率成正成正比比, 而与光强度无
10、关而与光强度无关. 光子流的密度才与光子流的密度才与光强度成正比光强度成正比. 光子能量光子能量: E=h 光子动量光子动量: p=h/ 光电效应方程光电效应方程: mv2/2 =h- (为入射光的波长为入射光的波长, 为金属的功函数为金属的功函数, m和和v为为光电子的质量和速度光电子的质量和速度) 光频率光频率 光电子动能光电子动能mv 2/2 斜率为斜率为h 纵截距为纵截距为- 更令人困惑的是更令人困惑的是: 量子论创始人量子论创始人Planck对爱因斯坦的相对论很早就对爱因斯坦的相对论很早就给予高度评价，对光量子理论却持否定态度给予高度评价，对光量子理论却持否定态度. 然而，这似乎又不
11、奇怪然而，这似乎又不奇怪,正是正是Planck本人在多少年中都试图用经典统计理论来解释他自己提出本人在多少年中都试图用经典统计理论来解释他自己提出的作用量子的作用量子h, 以便将量子论纳入经典物理学范畴以便将量子论纳入经典物理学范畴. 当然，这是不可能当然，这是不可能成功的成功的. 科学史上的前车之鉴科学史上的前车之鉴 Einstein 的光量子理论于的光量子理论于1916年被密立根从实验上证实年被密立根从实验上证实, 1921年获年获诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖. Einstein 以相对论闻名于世以相对论闻名于世, 却不是以相对论获得诺贝却不是以相对论获得诺贝尔奖尔奖, 因为当时有些著名的
12、物理学家拒不接受相对论因为当时有些著名的物理学家拒不接受相对论, 甚至有人说甚至有人说,如果如果为相对论颁发诺贝尔奖为相对论颁发诺贝尔奖,他们就要退回已获的诺贝尔奖他们就要退回已获的诺贝尔奖! 尽管尽管Einstein 以光量子理论解释光电效应获得诺贝尔奖当之无愧以光量子理论解释光电效应获得诺贝尔奖当之无愧,但科学史上这一段旧事却为人们留下许多值得思考的问题但科学史上这一段旧事却为人们留下许多值得思考的问题. PlanckPlanck说过：说过：“新理论的创造者，不知是由于惰性还是其他新理论的创造者，不知是由于惰性还是其他感情作用，对于引导他们得出新发现的那一群观念往往不愿多作感情作用，对于引
13、导他们得出新发现的那一群观念往往不愿多作改动，他们往往改动，他们往往运用自己全部现有的权威来维护原来的观点运用自己全部现有的权威来维护原来的观点，因，因此，我们很容易理解此，我们很容易理解阻碍理论健康发展的困难是什么阻碍理论健康发展的困难是什么. .” ” PlanckPlanck看看出了这一点，但他自己也未能完全避免犯同样的错误出了这一点，但他自己也未能完全避免犯同样的错误. . 科学的先驱们是一群勇敢的探索者，他们常常在黑暗中摸索科学的先驱们是一群勇敢的探索者，他们常常在黑暗中摸索前进前进. .他们的精神值得我们敬佩他们的精神值得我们敬佩. . 后人不应对他们过分苛求，但应后人不应对他们过
14、分苛求，但应该从中汲取经验教训该从中汲取经验教训. . 1.1.3 原子光谱与轨道角动量量子化原子光谱与轨道角动量量子化 微观世界中状态量子化的另一证据是原子的线状光谱微观世界中状态量子化的另一证据是原子的线状光谱. 早在早在1884年年，Balmer已将当时已知的可见区已将当时已知的可见区14条氢谱线总条氢谱线总结成经验公式结成经验公式（后被后被J.R.Rydberg表示成如下的波数形式表示成如下的波数形式）,并正确地推断该式可推广之并正确地推断该式可推广之(式中式中n1、n2均为正整数均为正整数): 20世纪初世纪初，F.Paschen(1908年年)、F.S.Brackett (1922
15、年年) 、H.A.Pfund (1924年年)等在红外区等在红外区, Lyman (1916年年)在在远紫外区发现的几组谱线远紫外区发现的几组谱线，都可用下列一般公式表示都可用下列一般公式表示: 122 121111111234系系系Rnnnnnnnn 2(), , Lyman , Balmer , Paschen , Brackett 15系系n , Pfund 原子光谱是原子结构的信使原子光谱是原子结构的信使. 那么那么, 在此之前在此之前, 人们对人们对原子结构认识如何呢原子结构认识如何呢? 1903年年，JJ汤姆逊提出汤姆逊提出“葡萄布丁葡萄布丁”原子模型原子模型. 1911年年, 卢瑟福在卢瑟福在粒子散射实验基础上提出原子的粒子散射实验基础上提出原子的有核模型有核模型. 但问题是但问题是: 原子是一个电力系统原子是一个电力系统, 电子如果像行电子如果像行星绕太阳那样绕星绕太阳那样绕核核运转运转, , 就会在这种加速运动中就会在这种加速运动中发射电磁发射电磁波而损失能量波而损失能量, 从而沿螺旋线坠落到核上并发射连续光谱从而沿螺旋线坠落到核上并发射连续光谱, 与原子稳定性和光谱分立性相矛盾与原子稳定性和光谱分立性相矛盾: 1913年年, Bohr提出一个新模型提出一个新模型: 原子中的电原子中的电子在确定的分立轨道上运行时并不辐射能量子在确定的
