1、結(jié)構(gòu)和物性第1頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二緒 言結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究范圍結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷程結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法第2頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究范圍 原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu) 原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系第3頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要內(nèi)容決定反映原子結(jié)構(gòu)（原子中電子的分布和能級(jí)）分子結(jié)構(gòu)（化學(xué)鍵的性質(zhì)和分子的能量狀態(tài)）晶體結(jié)構(gòu)（晶胞中分子的堆垛）實(shí)驗(yàn)方法（IR、NMR、UPS、XPS、XRD）結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系（結(jié)構(gòu) 性能）微觀粒子運(yùn)動(dòng)所遵循的量子力

2、學(xué)規(guī)律第4頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷程利用現(xiàn)代技術(shù)不斷武裝自己 采用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、單晶衍射、多晶衍射、原子光譜、 分子光譜、核磁共振等現(xiàn)代手段，積累了大量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為歸納總結(jié)結(jié)構(gòu)化學(xué)的規(guī)律和原理作基礎(chǔ)；運(yùn)用規(guī)律和理論指導(dǎo)化學(xué)實(shí)踐 將結(jié)構(gòu)和性能聯(lián)系起來(lái)，用以設(shè)計(jì)合成路線、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、開(kāi)拓產(chǎn)品用途。第5頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法培養(yǎng)目標(biāo)用微觀結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)和方法分析、解決化學(xué)問(wèn)題學(xué)習(xí)方法把握重點(diǎn)（原理、概念、方法） 重視實(shí)驗(yàn)方法（衍射法、光譜法、磁共振法)） 結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系第6頁(yè)，共17頁(yè)，20

3、22年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征 經(jīng)典物理學(xué)遇到了難題 19世紀(jì)末，物理學(xué)理論（經(jīng)典物理學(xué)）已相當(dāng)完善：Newton力學(xué)Maxwell電磁場(chǎng)理論Gibbs熱力學(xué)Boltzmann統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 上述理論可解釋當(dāng)時(shí)常見(jiàn)物理現(xiàn)象，但也發(fā)現(xiàn)了解釋不了的新現(xiàn)象。第7頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二黑體：能全部吸收外來(lái)電磁波的物體。黑色物體或開(kāi)一小孔的空心金屬球近似于黑體。黑體輻射：加熱時(shí)，黑體能輻射出各種波長(zhǎng)電磁波的現(xiàn)象。 經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)間的矛盾： 經(jīng)典電磁理論假定，黑體輻射是由黑體中帶電粒子的振動(dòng)發(fā)出的，按經(jīng)典熱力學(xué)

4、和統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論，計(jì)算所得的黑體輻射能量隨波長(zhǎng)變化的分布曲線，與實(shí)驗(yàn)所得曲線明顯不符。Wien（維恩）曲線能量波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)曲線Rayleigh-Jeans（瑞利金斯）曲線黑體輻射能量分布曲線按經(jīng)典理論： Rayleigh-Jeans把分子物理學(xué)中能量按自由度均分原則用到電磁輻射上，按其公式計(jì)算所得結(jié)果在長(zhǎng)波處比較接近實(shí)驗(yàn)曲線。 Wien假定輻射波長(zhǎng)的分布與Maxwell分子速度分布類似，計(jì)算結(jié)果在短波處與實(shí)驗(yàn)較接近。 1.1.1 黑體輻射與能量量子化第8頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二Planck能量量子化假設(shè)1900年，Planck（普朗克）假定，黑體中原子或分子輻射能量

5、時(shí)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，只能發(fā)射或吸收頻率為,能量為h的整數(shù)倍的電磁能，即振動(dòng)頻率為的振子，發(fā)射的能量只能是0h，1h，2h，nh（n為整數(shù)）。h稱為Planck常數(shù)，h6.6261034JS按Planck假定，算出的輻射能E與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的黑體輻射能非常吻合：能量量子化：黑體只能輻射頻率為，數(shù)值 為h的整數(shù)倍的不連續(xù)的能量。第9頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二1.1.2 光電效應(yīng)與光的波粒二象性光電效應(yīng)：光照射在金屬表面，使金屬發(fā)射出電子的現(xiàn)象。金屬光電子Ek00光電子動(dòng)能與照射光頻率的關(guān)系1900年前后，許多實(shí)驗(yàn)已證實(shí)：照射光頻率須超過(guò)某個(gè)最小頻率0，金 屬才能發(fā)射出光電子；

6、增加照射光強(qiáng)度，不能增加光電子的動(dòng)能，只能使光電子的數(shù)目增加；光電子動(dòng)能隨照射光頻率的增加而增加。經(jīng)典理論不能解釋光電效應(yīng)： 經(jīng)典理論認(rèn)為，光波的能量與其強(qiáng)度成正比，而與頻率無(wú)關(guān)；只要光強(qiáng)足夠，任何頻率的光都應(yīng)產(chǎn)生光電效應(yīng)；光電子的動(dòng)能隨光強(qiáng)增加而增加，與光的頻率無(wú)關(guān)。這些推論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)正好相反。第10頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二Einstein光子學(xué)說(shuō) 1905年，Einstein在Planck能量量子化的啟發(fā)下，提出光子說(shuō)：光是一束光子流，每一種頻率的光其能量都有一個(gè)最小單位，稱為光子，光子的能量與其頻率成正比：h光子不但有能量，還有質(zhì)量（m），但光子的靜止質(zhì)

7、量為零。根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能聯(lián)系定律mc2，光子的質(zhì)量為：mh/c2，不同頻率的光子具有不同的質(zhì)量。光子具有一定的動(dòng)量：pmch/ch/ (c）光的強(qiáng)度取決于單位體積內(nèi)光子的數(shù)目（光子密度）。產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)的能量守恒：hwEkh0+mv2/2 （脫出功：電子逸出金屬所需的最低能量，wh0）用Einstein光子說(shuō)，可圓滿解釋光電效應(yīng)：當(dāng)hw時(shí)，0，光子沒(méi)有足夠能量使電子逸出金屬，不發(fā)生光電效應(yīng)；當(dāng)hw時(shí)，0，這時(shí)的頻率就是產(chǎn)生光電效應(yīng)的臨閾頻率（ 0 ）；當(dāng)hw時(shí)，0，逸出金屬的電子具有一定動(dòng)能，Ekhh0，動(dòng)能與頻 率呈直線關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。第11頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11

8、分，星期二光的波粒二象性只有把光看成是由光子組成的光束，才能理解光電效應(yīng)；而只有把光看成波，才能解釋衍射和干涉現(xiàn)象。即，光表現(xiàn)出波粒二象性。波動(dòng)模型是連續(xù)的，光子模型是量子化的，波和粒表面上看是互不相容的，卻通過(guò)Planck常數(shù)，將代表波性的概念和與代表粒性的概念和p聯(lián)系在了一起，將光的波粒二象性統(tǒng)一起來(lái)：=h，ph/第12頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二1.1.3 實(shí)物微粒的波粒二象性de Broglie(德布羅意）假設(shè)：1924年，de Broglie受光的波粒二象性啟發(fā)，提出實(shí)物微粒（靜止質(zhì)量不為零的粒子，如電子、質(zhì)子、原子、分子等）也有波粒二象性。認(rèn)為=h，p

9、h/ 也適用于實(shí)物微粒，即，以pmv的動(dòng)量運(yùn)動(dòng)的實(shí)物微粒，伴隨有波長(zhǎng)為 h/ph/mv 的波。此即de Broglie關(guān)系式。de Broglie波與光波不同：光波的傳播速度和光子的運(yùn)動(dòng)速度相等；de Broglie波的傳播速度（u）只有實(shí)物粒子運(yùn)動(dòng)速度的一半：v2u。對(duì)于實(shí)物微粒：u，Ep2/(2m)(1/2)mv2 ,對(duì)于光：c，Epcmc2微觀粒子運(yùn)動(dòng)速度快，自身尺度小，其波性不能忽略；宏觀粒子運(yùn)動(dòng)速度慢，自身尺度大，其波性可以忽略：以1.0106m/s的速度運(yùn)動(dòng)的電子，其de Broglie波長(zhǎng)為7.31010m（0.73nm），與分子大小相當(dāng)；質(zhì)量為1g的宏觀粒子以 1102m/s

10、的速度運(yùn)動(dòng)，de Broglie 波長(zhǎng)為7 1029m，與宏觀粒子的大小相比可忽略，觀察不到波動(dòng)效應(yīng)。1927年，Davisson和Germer用鎳單晶電子衍射、Thomson用多晶金屬箔電子衍射，分別得到了與X-射線衍射相同的斑點(diǎn)和同心圓，證實(shí)電子確有波性。后來(lái)證實(shí)：中子、質(zhì)子、原子等實(shí)物微粒都有波性。實(shí)物微粒也有波粒二象性第13頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二 電子衍射示意圖 CsI箔電子衍射圖第14頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二實(shí)物微粒波的物理意義Born的統(tǒng)計(jì)解釋Born認(rèn)為，實(shí)物微粒波是幾率波：在空間任一點(diǎn)上，波的強(qiáng)度和粒子出現(xiàn)的

11、幾率成正比。用較強(qiáng)的電子流可在短時(shí)間內(nèi)得到電子衍射照片；但用很弱的電子流，讓電子先后一個(gè)一個(gè)地到達(dá)底片，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，也能得到同樣的電子衍射照片。電子衍射不是電子間相互作用的結(jié)果，而是電子本身運(yùn)動(dòng)所固有的規(guī)律性。實(shí)物微粒的波性是和微粒行為的統(tǒng)計(jì)性聯(lián)系在一起的，沒(méi)有象機(jī)械波（介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)）那樣直接的物理意義，實(shí)物微粒波的強(qiáng)度反映粒子出現(xiàn)幾率的大小。對(duì)實(shí)物微粒粒性的理解也要區(qū)別于服從Newton力學(xué)的粒子，實(shí)物微粒的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有可預(yù)測(cè)的軌跡。一個(gè)粒子不能形成一個(gè)波，但從大量粒子的衍射圖像可揭示出粒子運(yùn)動(dòng)的波性和這種波的統(tǒng)計(jì)性。原子和分子中電子的運(yùn)動(dòng)可用波函數(shù)描述，而電子出現(xiàn)的幾率密度可用電子云描述

12、。第15頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二1.1.4 Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理測(cè)不準(zhǔn)原理：一個(gè)粒子不能同時(shí)具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量。測(cè)不準(zhǔn)原理是由微觀粒子本身特性決定的物理量間相互關(guān)系的原理。反映的是物質(zhì)的波性，并非儀器精度不夠。yeDOxPQAOACPpsin電子單縫衍射實(shí)驗(yàn)示意圖測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式的導(dǎo)出： OPAPOC/2狹縫到底片的距離比狹縫的寬度大得多當(dāng)CPAP時(shí)，PAC,PCA,ACO均接近90，sinOC/AO=/D D越?。ㄗ鴺?biāo)確定得越準(zhǔn)確），越大，電子經(jīng)狹縫后運(yùn)動(dòng)方向分散得越厲害（動(dòng)量的不確定程度越大）。落到P點(diǎn)的電子，在狹縫處其pxpsin，即pxpx p

13、sinp/D=h/D，而xD所以 xpxh，考慮二級(jí)以上衍射，xpxh第16頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)11分，星期二測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)適用范圍的判據(jù)例如，0.01kg的子彈，v1000m/s，若v v1%，則，xh /（mv）6.61033m，完全可忽略，宏觀物體其動(dòng)量和位置可同時(shí)確定；但對(duì)于相同速度和速度不確定程度的電子，xh /（mv）7.27105m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原子中電子離核的距離。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是微觀粒子波粒二象性的客觀反映，是對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)的深化。它限制了經(jīng)典力學(xué)適用的范圍。微觀粒子和宏觀粒子的特征比較：宏觀物體同時(shí)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量，可用Newton力學(xué)描述；而微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)確定，需用量子力學(xué)描述。宏觀物體有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡加以分辨；微觀粒子具有