量子力学基础知识 (I).ppt
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1、2023/6/26,1,结 构 化 学,Structural Chemistry,湖南人文科技学院化学与材料科学系,吴超富,二一 年 八 月,2023/6/26,2,绪 论,一、结构化学研究的主要内容,结构化学是研究原子、分子、晶体的结构以及结构与性质之间关系的科学。,主要包括:量子力学基础知识、原子的结构和性质、分子的结构和性质、化学键理论、晶体化学、研究结构的实验原理和基本方法等内容。,2023/6/26,3,二、结构化学的地位和特点,结构化学与其它学科的关系,结构化学是其它学科的理论基础,具有成上启下的作用。,结构化学的特点,新概念多,数学推导多,系统性强。,绪 论,2023/6/26,
2、4,三、学习结构化学的目的与意义,1、目 的,通过本课程的学习,培养学生用微观结构的观点分析、解决化学问题的能力。培养学生具有扎实的基础理论知识,为后续课程(如有机结构分析,配位化学,高等无机化学,量子化学等)打下良好的理论基础。,2023/6/26,5,2、意 义,当今化学已进入纳米空间、皮秒时间时代,随着人们对物质微观结构认识的不断深入,结构化学的基本理论越来越广泛地应用于化学的各个领域,特别是在材料、信息、能源等领域。,根据结构决定性能、性能反映结构的相互关系,使化学家有可能对新材料等进行“分子设计”。,2023/6/26,6,石墨的导电性改良,石墨为层状结构,C采取SP2杂化,同层内为
3、六角形结构且在与分子平面垂直的P轨道上各占一个电子,所以层内导电性能好,层间导电性能差。,为了提高石墨的导电性,往往在其中加入一些钾原子。,2023/6/26,7,在大自然中,豆科植物的根瘤菌在常温常压下可以吸收空气中的N2固定成NH3。化学工作者通过模拟固氮酶对氮的特殊催化作用,使氮活化转化为氨。,人工模拟生物固氮,合成氨反应,高温、高压催化剂,2023/6/26,8,新药的合成,其中结构测定和分子设计必须具有扎实的结构化学知识。,2023/6/26,9,四、主要参考书,绪 论,1.东北师范大学等 结构化学,高等教育出版社,2003;2.郭用猷结构化学,山东大学出版社,1998;3.江元生结
4、构化学,高等教育出版社,1997;4.潘道皑等物质结构(第二版),高等教育出版社,1989;5.倪行,高剑南物质结构学习指导,科学出版社,1999;6.郭用猷物质结构基本原理,高等教育出版社,1987;7.周公度等编著结构化学习题解析,北京大学出版社,2002。,2023/6/26,10,第一章 量子力学基础知识,1-1 微观粒子的运动特征,经典物理学能否用来描述微观粒子的运动状态,经典物理学,Gibbs-Boltzman统计物理学,Maxwell电磁理论,Newton力 学,2023/6/26,11,第一章 量子力学基础知识,经典物理学无法解释的三个著名实验,氢原子光谱实验(1885年),黑
5、体辐射实验(1884年),光电效应实验(1887年),2023/6/26,12,第一章 量子力学基础知识,一、黑体辐射和能量量子化,黑体是指能够完全吸收照射在其上面各种波长的光而无反射的物体。,2023/6/26,13,第一章 量子力学基础知识,E:能量密度 单位面积黑体辐射的能量。,实验得到:黑体辐射时能量密度按频率分布的关系曲线。,2023/6/26,14,第一章 量子力学基础知识,经典物理学的解释,经典电磁理论认为:黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的,由于其振动是连续的,因此辐射电磁波的能量也是连续变化的。,2023/6/26,15,低频时,瑞利-金斯曲线与实验曲线比较吻合;在高频时
6、,维恩曲线较吻合。但是在频率接近紫外光时,理论计算值趋于无穷。,第一章 量子力学基础知识,紫外灾难,2023/6/26,16,Planck,第一章 量子力学基础知识,Planck量子论,1.黑体是由不同频率的谐振子组成;2.每个谐振子的能量总是某个最小能量单位 的整数倍;,因此,黑体辐射时能量是不连续的、即是量子化的。,2023/6/26,17,普朗克基于上述假定,采用与瑞利-金斯完全相同的处理方法经典统计物理学的方法解释黑体辐射时能量密度与频率变化规律,得到了与实验完全吻合的结果。,第一章 量子力学基础知识,Planck能量量子化假设的提出,标志着量子理论的诞生;1918年,Planck获得
7、的诺贝尔物理学奖。,2023/6/26,18,第一章 量子力学基础知识,二、光电效应和光子学说,光电效应光照射在金属表面,使金属发射出电子的现象。,实验现象,光电子的产生与入射光的频率有关,光电子的动能与入射光的频率成正比,而与光的强度无关。,2023/6/26,19,第一章 量子力学基础知识,Einstein光子说,1,光是一束光子流,每一种频率的光的能量都有一个最小单位,称为光子,光子的能量与光子的频率成正比,即:,Planck常数,光子频率,Einstein,2023/6/26,20,第一章 量子力学基础知识,光子的强度取决于单位体积内光子的数目,即光子的密度。,3,光与物质作用时,能量
8、守恒,动量守恒。,4,光子具有质量m和动量P。根据爱因斯坦质能联系公式:,光子的质量m和动量P分别为:,2,2023/6/26,21,光电效应的解释,第一章 量子力学基础知识,当一束频率为v的光照射到金属表面时,根据能量守恒原理,光子的能量hv 就会被电子所吸收,其中一部分用来克服金属表面的吸引,另一部分就是电子离开金属表面所具有的动能。,式中W是电子脱离金属所需要的最小能量,称为电子的脱出功或逸出功。,2023/6/26,22,解释光电效应实验结果:当hvW 时,光子的能量不足以克服逸出功,不发生光电效应;当hv=W 时,光子的频率即为产生光电效应的临阈频率(v0);当hvW 时,从金属中发
9、射的电子具有一定的动能,它随v的增加而增加,与光强无关。,第一章 量子力学基础知识,光电方程,1921年,爱因斯坦因在光电效应方面的成就而被授予诺贝尔物理学奖。,2023/6/26,23,光的波粒二象性,第一章 量子力学基础知识,波动说(Huggens)(1690年),微粒说(Newton)(1680年),电磁波(Maxwell)(1865年),光子说(Einstein)(1905年),光的本质的认识历史,光具有波性和粒性的双重性质,称为光的波粒二象性。,2023/6/26,24,第一章 量子力学基础知识,波粒二象性联系公式,光是波性和粒性的统一体。光在传播过程中,例如光的干涉、衍射,波性为主
10、;光与物质作用时,例如光电效应,光化反应,粒性为主。,2023/6/26,25,三、实物微粒的波粒二象性,第一章 量子力学基础知识,De Brogile,1、德布罗依(De Brogile)假设,实物微粒也具有波粒二象性,应服从与光的波粒二象性一样的公式。,实物粒子静止质量(m00)的微观粒子。如电子、质子、中子、原子、分子等。,2023/6/26,26,第一章 量子力学基础知识,对于实物粒子P=mv 与此微粒相适应的波长为:,德布罗依关系式,实物微粒所具有的波就称为物质波或德布罗依波。,德布罗依(De Broglie)波与光波的区别:光波的传播速度和光子的运动速度相等;德布罗依波的传播速度为
11、相速度u,不等于实物粒子的运动速度V。,2023/6/26,27,2、德布罗依波波长的计算,第一章 量子力学基础知识,例1,飞行的子弹m=10-2 kg,v=102 ms-1,试确定其德布罗依波长。,解:,子弹的尺度在cm数量级,德布罗依波子弹的尺度,故其波动性可以忽略。,2023/6/26,28,例2,原子中的电子 me=9.110-31 kg,v=1.0106 ms-1,试确定其德布罗依波长。,原子半径在10-10m数量级,与原子大小相近,故波动性不可忽略。,解:,第一章 量子力学基础知识,2023/6/26,29,3、德布罗依波的实验证实,第一章 量子力学基础知识,Davtsson和Ge
12、rmer Ni单晶电子衍射实验,Thomson 多晶电子衍射实验,2023/6/26,30,第一章 量子力学基础知识,根据电子衍射实验测得的电子波长与由德布罗依关系式计算出的电子波长非常吻合。后来发现质子、中子、粒子、甚至原子和分子等微粒运动时也都具有波动性,都能产生衍射现象。1929年,德布罗依荣获诺贝尔物理学奖。,2023/6/26,31,4、德布罗依波的统计解释,第一章 量子力学基础知识,1926年,玻恩(Born)对实物微粒波进行了统计解释。在空间任何一点上波的强度与该点处粒子出现的几率成正比。,Born,因此,实物微粒波也称为几率波。,2023/6/26,32,第一章 量子力学基础知
13、识,实物微粒波与经典波的异同,机械波是介质质点振动的传播,电磁波是电场和磁场在空间的传播。而实物微粒的波没有这种直接的物理意义,它的强度反映出粒子在空间不同区域出现几率的大小。二者的相似之处是都表现有波的相干性。,2023/6/26,33,四、不确定关系,第一章 量子力学基础知识,1927年,德国物理学家Heisenberg提出了不确定关系,他认为具有波性的粒子不能同时具有确定的坐标和动量,它们遵循不确定关系。,1、不确定关系式,Heisenberg,2023/6/26,34,、不确定关系式的证明,第一章 量子力学基础知识,根据电子单缝衍射实验:,2023/6/26,35,第一章 量子力学基础
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