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1、浅谈物理与化学密切联系甘肃农业大学论文论文名称：学号：任课教师教师：完成日期：二O二年 十二月一日浅谈物理与 化学密切联系概述：当阿基米得懒懒沉入粼粼的波光，皇冠谜题的答案就在氟氮的暖雾中破水而出。 当哥白尼伫立在寒风猎猎的望远镜下，清澈坚毅的眼眸里描绘了苍穹的丿丿J法。当牛顿漫步 于草长莺飞的英格兰林肯郡格兰瑟姆，每株春风中舒展的浅绿中都蕴含着他摧枯拉朽的新 鲜思想。当人类试图窥测犬地的法则，他们细小的身躯便爆发岀无穷的精神力量。这种力 量迸发出耀眼的光芒，裂帛一般抻裂那盘踞在先衿眼前的凝重的黑，让出一条光明的大 道。它的名字叫做物理。不管是早先的描述性甚至略带主观臆断色彩的物理还是到后世信
2、 奉世界就是一个大的机械钟的刻板物理，一代乂一代的物理学家同在如山的算草中寻觅着 终极世界的蛛丝马迹。物理学的卷标就是变幻莫测的数学模型和错综复杂的实验图解。严 谨的态度与缜密的思维是物理学赖以生存的根本。就像在夜空中运行的繁星，绚丽多姿的 星座背后是更加完备月不可侵犯的基本原理。炼金术是化学的起源，无论是东方还是西方。哲人柜里，炼丹炉旁，跳跃着的是最古久 的化学Z光。阴阳五行的冥冥规则，九级天使的森严等级，使得化学的前世浸浴在玄学和 神学的重垂迷雾中。周围的人相信他们有着不对告人的神秘力量，能把石头点化成金，HJ- 以在水中凝岀水银，会把看似无用的破铜烂铁加以变幻做成取你性命的剧毒之物，甚至
3、在 他心情不舒畅的时候还能把视线中的人类变成青蛙或是猪头。东方的他们身在深宫人内或 是深山老林，同样为着一个tl的，炼制出龙床之上的皇帝老儿梦想的不死之药；西方的他 们整天宅在光线昏暗的小黑屋里，而孔在闪烁的火光小忽明忽阳 折断的鹰鼻贪婪的吸嗅 着升腾的蓝雾，拖地的黑色长袍裹着枯枝一般诡満的身手。他们的兴趣就是从甲虫，蛇 皮，矶土，汞齐中捉取出能使石头变成金子的哲人石。很难想象，在这样的媚权狂潮和金 钱畸欲作用下，化学会被称z为科学。冇谁想到，多年以后，一丝不苟的物理会与神秘飘渺的化学碰撞化合，为后世留下一支 自然科学的奇葩物理化学。物理和化学，就像海洋和火焰，理性与激情，蓝色和红 色。当他们
4、他然相遇，深深恨晚，在看似矛盾的对立而中巧妙而深刻的找到了接洽的通 道，在绝无町能的宿命笼罩下达到了精确而优美的平衡一 理化学，在一片罗兰紫的清 凉软雾小，缓缓舒展开她风华绝代的曼妙身姿。-个个平常而不平凡的名字，若雄奇壮丽 的彗星，曳着流光夺目的大糜，领跑科学的足迹。粉碎了人类不知天高地厚的永动机幻想的热力学笫一定律和热力学第二处律被广泛应用 于各种化学体系，特别是溶液体系的研究。吉布斯对多相平衡体系的研究和范托夫对化学 平衡的研究，阿伦尼乌斯提出电离学说，能斯脱发现热定理都是对化学热力学的垂耍贡 献。当1906年路易斯捉岀处理非理想体系的逸度利活度概念，以及它们的测定方法之后， 化学热力学
5、的全部基础已经具备。劳厄和布喇格对X射线晶体结构分析的创造性研究，为 经典的晶体学向近代结晶化学的发展奠定了棊础。阿伦尼乌斯关于化学反应活化能的概念，以及博登施坦和能斯脱关于链反应的概念，对后来化学动力学的发展也都作出了垂要 贡献。20世纪2040年代是结构化学领先发展的时期，这时的物理化学研究已深入到微观的 原了和分了世界，改变了对分了内部结构的复杂性茫然无知的状况。1926年，量了力学 研究的兴起，不但在物理学中掀起了高潮，对物理化学研究也给以很人的冲击。尤其是在 1927年，海特勒和伦敦刈氯分子问题的量子力学处理，为1916年路易斯捉岀的共亨电子 对的共价键概念提供了理论基础。1931年
6、鲍林和斯莱特把这种处理方法推广到其他双原子 分子和多原子分子，形成了化学键的价键方法。1932年，马利肯和洪徳在处理氢分子的问 题时根据不同的物理模型，采用不同的试探波函数，从而发展了分了轨道方法。价键法和分子轨道法已成为近代化学键理论的基础。鲍林等捉出的轨道朵化法以及氢键 和电负性等概念对结构化学的发展也起了重要作用。在这个时期，物理化学的其他分支也 都或多或少地带有微观的色彩，例如由欣谢尔伍德和谢苗诺夫两个学派所发展的自由基链 式反应动力学，徳拜和休克尔的强电解质离子的互吸理论，以及电化学中电极过程研究的 进展氢超电压理论。第二次世界大战后到60年代期间，物理化学以实验研究手段和测量技术，
7、特别是各种 谱学技术的飞跃发展和由此而产生的丰硕成果为其特点。电子学、高真空和计算机技术的突飞猛进，不但使物理化学的传统实验方法和测量技术 的准确度、精密度和时间分辨率有很人提高，而且还岀现了许多新的谱学技术。光谱学和 其他谱学的时间分辨率和白控、记录手段的不断提高，使物理化学的研究对彖超出了基态 稳定分了而开始进入各种激发态的研究领域。光化学首先获得了长足的进步，因为光谱 的研究弄清楚了光化学初步过程的实质，促进了对各种化学反应机理的研究。这些快速灵 敏的检测于段能够发现反应过程中出现的瞬时中间产物，使反应机理不再只是从反应速率 方程凭猜测而得出的结论。这些检测手段对化学动力学的发展也有很人
8、的推动作用。先进的仪器设备和检测手段也大大缩短了测定结构的时间，使结晶化学在测定复杂的生 物大分子晶体结构方面有了重大突破，青霉素、维生素B12、蛋白质、胰岛索的结构测定 和脱氧核糖核酸的螺旋体构型的测左都获得成功。电了能谱的出现更使结构化学研究能够 从物体的体相转到表而相，对于固体表而和催化剂而言，这是一个得力的新的研究方法。60年代，激光器的发明和不断改进的激光技术。人容量高速电子计算机的出现，以及微 弱信号检测手段的发明孕育着物理化学中新的生长点的诞生。70年代以来，分子反应动 力学、激光化学和表而结构化学代表着物理化学的前沿阵地。研究对象从一般键合分了扩 展到准键合分子、范徳瓦耳斯分子
9、、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。在实验中不但 能控制化学反应的愠度和压力等条件，进而对反应物分子的内部虽子态、能量和空间取向 实行控制。在理论研究方而，快速大型电子计算机加速了量子化学在定量计算方而的发展。对于许 多化学体系来说，薛定谒方程已不再是可望而不可解的了。福井谦一提出的前线轨道理论 以及伍徳沃徳和霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理的建立是量子化学的重要发展。物理化学还在不断吸收物理和数学的研究成果，例如70年代初，普里戈金等提岀了耗 散结构理论，使非平衡态理论研究获得了可喜的进展，加深了人们对远离平衡的体系稳定 性的理解。众神手植的物理化学Z苗在一代乂一代物化学家的辛勤耕作和细心呵
10、护下已然傲然挺立 在自然科学的力花园中，不胜枚举的成果和理论状若旖旎灿烂的满树繁花，勋章一般骄傲 地向世人昭示着物理与化学的联姻才能取得的这般无可代替的科学突破。不得不说现在的学科间的交叉已经H益频繁且细化，但是不管是哪一门新型的交叉学科 都没有物理化学这般成就斐然。一、本专业介绍应丿1化学架接于基础化学利化学T业之间，是化学理论向生产力转化的中介。它具有明 显的应用性和综合性。也正是这两点使得化学前沿更具丰富多采。从其应用性来看，应用 化学同国民经济和人类生活的各个方而有关。而仇关系越密切的领域，越易被重视而成为 重要的化学前沿。众所周知，不少化学前沿是属于应用化学的范围，诸如能源化学、材料
11、 化学、海洋化学等。另外，从综合性角度來看，应用化学研究对象都是较复杂的物质客体 或较复杂的物质系统，往往需要多种学科的结合以及多种理论与技术的结合。二、物理学与化学客观上的联系物理是化学的基础，比化学更加基本，普通化学研究的是构成物质的分子的原子的分解 和重新组合的规律，研究层次主要在分子和原子两个层次上，只对化学反应规律进行总结 整理和加以应用，一般不探究这些规律背后更深层次的原因（那是物理化学这一交叉学科 的任务）；物理学则需要研究一切自然现象，研究层次从微观（基本粒子、亚原子粒子、 原子、分子）、介观（介于微观与宏观之间，尺度在纳米和毫米之间）到宏观一直到宇观 （星际直至整个宇宙），研
12、究的现象包括力、热、光、电等各方面、研究的对象涵盖基本 粒子（如质子、中子、电子）、亚原子粒子（如原子核）、原子、分子、微粒（颗粒）、 宏观物体、犬体、星系直至整个宇宙，以探索物质的运动规律及其动因为根本任务，物理 学与其他学科结合产生了人量交叉学科和边缘学科，如天体物理、物理化学等，其范围之 广、内容之深是化学无法比拟的；物理学理论（特别是热力学、量子理论等）在更加基本 的层次上解释和阐明了化学反应规律的成因，还预言了一些新的未被发现的化学现象，而 化学规律则吋以检验和证明物理理论正确与否；容易发现，化学（广义上的）体系中的物 理化学（包含热化学、电化学等）等分支学科带有很明显的物理理论（热
13、力学、量子理论 等）的痕迹，例如热化学与热力学中最基本的内容几乎完全一致，而对于元素周期律以及 化学键理论的理解则离不开原子物理学和现代量子力学，其至还用到了相对论，这些在物 理化学中是非常明显的特征，化学就是在物理学的影响下发展起来的学科，也是受物理学 影响最深的学科，比如，理论化学最深刻的部分必定会归结于量了力学。任何事物的作用 是相兀的，物理与化学间的影响也是和互作用的，在化学的发展壮大的同时，她又促进了 物理学的发展，比如，化学中対物质结构的研究，提出原子理论等的理论，这些化学上的 成就促进了物理学中材料的研究与进展，有利于对导体、绝缘体、半导体等的导电的微观 原理的研究等。所以说，物
14、理-与化学冇着密切的联系。物理学分为基础物理学和理论物理学，化学同样分基础化学和理论化学，虽然它们研究 的内容不尽相同，但它们二者密切联系，优势互补，在它们的基础上建起了许多融合学 科，比容物理化学、热化学、电化学、光化学、化学动力学等学 科。在二者和互联系，和互借鉴的基础上，它们共同取的了巨大成就。从根木上说来， 化学规律属于特定层次和范围内的的物理规律，物理与化学相辅相成，互相促进，一起组 成了其它自然科学分支学科（如生物学、天文学等）的理论基础。三、物理与化学紧密联系的实例分析早在1661年，波义耳就发现一定量的气体在温度不变的情况下，体积与压力成反比。 17年后，法国物理学家马里奥特也
15、独立地发现了这个规律。1737年左右，法国物理学家 查理又提出了气体体积随温度变化的规律。1820年，盖吕萨克曾计算出查理左律表达式中 常数项的近似值。根据波义耳定律和盖H萨克定律，很容易得到气态方程PV = RT,式中的T为绝对温度。 当气体为1摩尔时，R=PV/T,这个方程是由法国T程师兼物理学家克拉佩隆首先提出來 的，所以通常称Z为克拉佩隆方程。这些气体定律只能根据原子一分子学说和分子运动学说來加以解释。到了 1738年荷兰 机械与物理学家伯努力提出了气体压力与分子运动Z间关系的数学表达式。19世纪下半期法国物理学家阿马加，发现所冇气体都不严格遵守波义耳左律，特别是在 高压情况下更是如此
16、，他又进行了更周密的实验。到了 1871年，荷兰人范徳华考虑到气体分了间相互吸引力和分了本身体积这两个因索 提出了非理想气体的状态方程，完成了理论与实验非常一致的公式。在此基础上，1865 年左右，奥地利物理学家洛施米特根据阿佛加徳罗假说和分子运动学说，计算出了在标准 状态下每立方厘米中气体分了的数冃，这一数冃是：26870X1019 （这是后来进一步测定 的精确数字，叫做洛施米特数）。同气体分了运动紧密相关的问题Z是气体的液化。徳莫沃和孚克劳曾以冷却与加压相 结合的方法液化了二氧化硫和氨。Z后，法拉第又为进一步研究气体液化的方法，做出了 重要的贡献：他在1823年，将氯气变为液体。科学家们尝试了多种方法，都没有实现氢气、氧气和氟气的液化。因此把这种气体称Z 为“永久性气体”，这种名称一直沿用了近1/4个世纪。1869年，英国物理学家、贝尔洁斯特学院教授安徳鲁斯在研究C02的液化时发现，它有 一个温度界限。推而广
