结构化学-第一章
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○当h=w时，=0，这时的频率就是产生光电效应的临阈 （yu）频率( 0)；
○当hw时，0，逸出金属的电子具有一定动能， Ek=h－h0，动能与频 率呈直线关系，与光强无关。
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20
3.光的波粒二象性
只有把光看成是由光子组成的光束，才能理解光 电效应；而只有把光看成波，才能解释衍射和干 涉现象。即光表现出波粒二象性。
结构化学基础
（第三版） 周公度 段连运 编著
授课老师：艾洪奇 齐中囡
2020/5/8
1
三个问题
关于考试：
1. 考试成绩的组成：期末成绩80%＋平时成 绩20％左右（出勤＋作业＋平时小测验）。 2. 往届的考试情况
关于学习重点：
三部分：课堂例题，作业，小测验
2020/5/8
2
两点希望(要求)
③静态到动态
静态结构：当物质的内部结构处于稳定状态，它将不随时间而 变化，称为静态结构。
一种静态
另一种静态
化学反应过程中产生的过渡态、激发态、中间产物为动态结构。
过渡态：通常指结构的中间态。
激发态：指电子的运动状态。
中间产物：上述二者都叫中间产物,都是瞬间不稳定的。
2020/5/8
7
④体相到表相：表面化学
2020/5/8
15
按经典理论只能得出能量随波长单
调变化的曲线：
能
量
Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量
按自由度均分原则用到电磁辐射上，按
其公式计算所得结果在长波处比较接近
实验曲线。
Wien（维恩）曲线
RayleighJeans（瑞 利－金斯） 曲线
Wien假定辐射波长的分布与Maxwell 分子速度分布类似，计算结果在短波处 与实验较接近。
1. 化学的发展趋势是合成化学、结构化学和量子化学的紧密结 合并相互促进（多学科多层面的研究）
2.五个特点（发展趋势决定了以下的特点）
① 宏观到微观 二十世纪以来，化学从研究宏观领域，进入微观领域的研究。
从研究物质的光、电、热、磁的宏观性质到微观粒子的内部结构 及运动状态，建立起了量子化学、核化学等新学科。
波动模型是连续的，光子模型是量子化的，波和 粒表面上看是互不相容的，却通过Planck常数， 将代表波性的概念和与代表粒性的概念和p联 系在了一起，将光的波粒二象性统一起来：
=h，p＝h/
2020/5/8
21
de Broglie(德布罗意）假设：
1924年，de Broglie受光的波粒二象性启发，提出实物微粒
与宏观粒子的大小相比可忽略，观察不到波动效应。
1927年，Davisson(戴维孙)和Germer（革末）用镍单晶
电子衍射、Thomson（汤姆孙）用多晶金属箔电子衍射
，分别得到了与X-射线衍射相同的斑点和同心圆，证实
电子确有波性。后来证实：中子、质子、原子等实物微
粒都有波性。
2020/5/8
23
电子衍射示意图
0
0
光电子动能与照射光频率的关系
加而增加，与光的频率无关。这些
推论与实验事实正好相反。
2020/5/8
18
1905年，Einstein在Planck能量量子化的启发下，提出光子 学说：
★光是一束光子流，每一种频率的光其能量都有一个最小单 位，称为光子，光子的能量与其频率成正比：h
★光子不但有能量，还有质量(m)，但光子的静止质量为零。 根据相对论的质能联系定律=mc2，光子的质量为： m=h/c2，不同频率的光子具有不同的质量。
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9
2. 研究方法
①归纳法（个别到一般） 利用现代的物理测试手段，如衍射法、光谱法及核磁
共振法等对物质的光、电、磁、热等性质的测定，或用计 算机模拟的方法，了解物质内部原子的排布及电子运动状 态等，然后再把这些数据总结成规律。
②演绎法（一般到个别）
即从微观物体普遍遵循的量子力学规律（物理工具）出发， 研究原子中电子的结构及电子与核的相互作用。
（静止质量不为零的粒子，如电子、质子、原子、分子等） 也有波粒二象性.[微观粒子:10-10m数量级的粒子]。认为=h， p=h/ 也适用于实物微粒，即以p=mv的动量运动的实物微 粒，伴随有波长为 =h/p=h/mv 的波。此即de Broglie关系 式。
de Broglie波与光波不同：光波的传播速度和光子的运动速 度相等；de Broglie波的传播速度（u）只有实物粒子运动速 度 的 一 半 ： v=2u 。 对 于 实 物 微 粒 ： u= ， E=p2/(2m)=(1/2)mv2 ,对于光：c=，E=pc=mc2
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CsI箔电子衍射图
24
■实物微粒波的物理意义——Born的统计解释
Born认为，实物微粒波是几率波：在空间任一点上，波的 强度和粒子出现的几率成正比。
用较强的电子流可在短时间内得到电子衍射照片；但用很 弱的电子流，让电子先后一个一个地到达底片，只要时间 足够长，也能得到同样的电子衍射照片。电子衍射不是电 子间相互作用的结果，而是电子本身运动所固有的规律性。
几何结构 电子结构
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8
几何结构：是指构成原子、分子及晶体的更基本微粒的空间几 何构型，尤其是对称性问题。
如：
SF6 Oh CH4 Td BF3 D3h
电子结构：是指电子的运动状态和能级（组态）。
研究内容决定了学习结构化学的目的
学会用微观结构的观点和思维方法来分析和解决化学中遇到的 实际问题。
实物微粒的波性是和微粒行为的统计性联系在一起的，没 有象机械波（介质质点的振动）那样直接的物理意义，实 物微粒波的强度反映粒子出现几率的大小。
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25
➢对实物微粒粒性的理解也要区别于服从Newton力学 的粒子，实物微粒的运动没有可预测的轨迹。
➢一个粒子不能形成一个波，但从大量粒子的衍射图 像可揭示出粒子运动的波性和这种波的统计性。 原子和分子中电子的运动可用波函数描述，而电子出 现的几率密度可用电子云描述。
1. 严格要求自己，打好基础，从第一堂课开 始。
2. 按时上课，掌握重点，独立完成每一次的 作业，做一个合格的大学生。
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3
绪论
➢现代化学的发展趋势及其特点 ➢结构化学的研究内容、研究方法及发展简史 ➢注意事项
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4
一. 现代化学的发展趋势及其特点
化学事实 化学研究
化学理论
★光子具有一定的动量：p=mc=h/c=h/ (c=） ★光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密度）。
2020/5/8
19
产生光电效应时的能量守恒：
h=w+Ek=h0+mv2/2
（脱出功：电子逸出金属所需的最低能量，w=h0）
用Einstein光子说，可圆满解释光电效应：
○当hw时，0，光子没有足够能量使电子逸出金属， 不发生光电效应；
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。
2020/5/8
14
1. 黑体辐射与能量量子化
黑体：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。
黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。
★经典理论与实验事实间的矛盾： 经典电磁理论假定，黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出 的，按经典热力学和统计力学理论，计算所得的黑体辐射能量 随波长变化的分布曲线，与实验所得曲线明显不符。
P点的电子，在狭缝处其px=psin，
12
第一章 量子力学基础
➢微观粒子的运动特征 ➢量子力学的基本假设 ➢一维势箱中粒子的薛定谔方程及其解
2020/5/8
13
1.1 微观粒子的运动特征
☆ 经典物理学遇到了难题(经典统计力学的局限) 19世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当 完善：
◆Newton力学 ◆Maxwell电磁场理论 ◆Gibbs热力学 ◆Boltzmann统计物理学
② 定性到定量
2020/5/8
6
定量研究是必然趋势，这需要借助精密的测试工具。为深入研 究原子、分子和晶体的结构和性质间的关系，结构化学在计算机 和四圆衍射仪等现代仪器的推动下，可提供丰富可靠的定量结构 数据，对复杂的生物大分子结构也有解决办法。
精密晶体结晶学可以精密地测定分子中电子云分布和化学 成键状况。
2020/5/8
22
微观粒子运动速度快，自身尺度小，其波性不能忽略；
宏观粒子运动速度慢，自身尺度大，其波性可以忽略：
以1.0106m/s的速度运动的电子，其de Broglie波长为
7.310-10m（0.73nm）与分子大小相当；质量为1g的宏观
粒子以 110-2m/s 的速度运动,de Broglie 波长为710-29m,
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27
☆测不准关系式的导出： OP－AP＝OC＝/2
狭缝到底片的距离比狭缝的宽度
大得多,当CP＝AP时, PAC, PCA,
ACO均接近90°,
D
sin=OC/AO=/2/D/2 =/D
e
D越小(坐标确定得越准确)，越
x
A OC
P y
大，电子经狭缝后运动方向分散得
越厉害(动量的不确定程度越大).落到
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3. 发展简史 ① 量子力学的产生
从1900年普朗克提出量子论到1926年薛定谔建立量子力学的 基本方程后，量子力学才真正建立起来。
普朗克（Plank,1900年，谐振子能量量子化：黑体辐射） 爱因斯坦（Einstein,1905年光能量量子化：光电效应） 玻尔（Bohr,1913年原子能量量子化：氢原子光谱） 德布罗意（de Broglie,1924年实物微粒的波动性） 薛定谔（Schrödinger,1926年薛定谔方程） 海森堡（Heisenberg,1927年测不准原理） 狄拉克（Dirac,矩阵方程） 保里（Pauli） 玻恩（Born,实物微粒波的统计解释）
实验曲线 黑体辐射能量分布曲线 波长
经典理论无论如何也得不出这种有 极大值的曲线。
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16
1900年，Planck（普朗克）假定，黑体中原子或分子辐射 能量时作简谐振动，只能发射或吸收频率为,能量为h 的整数倍的电磁能，即振动频率为的振子，发射的能量 只能是0h，1h，2h，……，nh（n为整数）。
➢要正确理解实物粒子的波粒二象性，必须摆脱波和 粒子的经典概念的束缚，用量子力学的概念来理解。 1925～1927年测不准原理和薛定谔方程的提出，标 志着量子力学的诞生。
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测不准原理
测不准原理：一个粒子不能同时具有确定的坐标 和动量。
测不准原理是由微观粒子本身特性决定的物理量 间相互关系的原理。反映的是物质的波性，并非 仪器精度不够。
h称为Planck常数，h＝6.626×10－34J•S 按Planck假定，算出的辐射能E与实验观测到的黑体辐射
能非常吻合.
• 能量量子化：黑体只能辐射频率为，数值为h的整数倍 的不连续的能量。
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17
2. 光电效应与光的波粒二象性
光电效应：光照射在金属表面，使金属发射出电子的现象。
化学事实：人们熟知的各种现象的研究 化学理论：各种现象是否有规律，即需要研究现象的本质
1986年Nobel化学奖获得者李远哲教授：“化学的规律是有的 ，那就是量子力学。所有化学现象都是原子核和外围电子的重 新排列和组合。”
量子力学运用于解释H2的形成
量子化学的诞生
2020/5/8
5
化学理论 宏观(热力学、统计热力学) 完整体系构成 微观(结构化学、量子化学)
1900年前后，许多实验已证实： ●照射光频率须超过某个最小频
率0，金 属才能发射出光电子； ●增加照射光强度，不能增加光电子Ek
的动能，只能使光增 加。
光
电子
金属
经典理论不能解释光电效应：
经典理论认为，光波的能量与其
强度成正比，而与频率无关；只要 光强足够，任何频率的光都应产生 光电效应；光电子的动能随光强增
以合成氨在催化剂上反应为例：Fe催化剂+Al2O3 k2O CaO MgO ⑤纯化学学科到边缘学科
生物化学、半导体化学、环境化学、超导材料、稀土材料、 原子核物理、物理化学、化学物理等。
二. 结构化学的研究内容、研究方法及发展简史
1.研究内容
主要研究原子、分子和晶体的微观结构及结构与性能间的关系
。 微观结构
2020/5/8
11
② 量子化学的诞生 量子力学建立后很快就应用到化学中来，1927年海特勒
（Heitler）和伦敦（London）用量子力学研究氢分子H2，提 出了价键理论的理论基础，一门新兴的化学学科——量子化学 诞
生了。
三．注意事项
模型 近似、假设 逻辑推理 微观粒子的运动状态
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○当hw时，0，逸出金属的电子具有一定动能， Ek=h－h0，动能与频 率呈直线关系，与光强无关。
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3.光的波粒二象性
只有把光看成是由光子组成的光束，才能理解光 电效应；而只有把光看成波，才能解释衍射和干 涉现象。即光表现出波粒二象性。
结构化学基础
（第三版） 周公度 段连运 编著
授课老师：艾洪奇 齐中囡
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1
三个问题
关于考试：
1. 考试成绩的组成：期末成绩80%＋平时成 绩20％左右（出勤＋作业＋平时小测验）。 2. 往届的考试情况
关于学习重点：
三部分：课堂例题，作业，小测验
2020/5/8
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两点希望(要求)
③静态到动态
静态结构：当物质的内部结构处于稳定状态，它将不随时间而 变化，称为静态结构。
一种静态
另一种静态
化学反应过程中产生的过渡态、激发态、中间产物为动态结构。
过渡态：通常指结构的中间态。
激发态：指电子的运动状态。
中间产物：上述二者都叫中间产物,都是瞬间不稳定的。
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④体相到表相：表面化学
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按经典理论只能得出能量随波长单
调变化的曲线：
能
量
Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量
按自由度均分原则用到电磁辐射上，按
其公式计算所得结果在长波处比较接近
实验曲线。
Wien（维恩）曲线
RayleighJeans（瑞 利－金斯） 曲线
Wien假定辐射波长的分布与Maxwell 分子速度分布类似，计算结果在短波处 与实验较接近。
1. 化学的发展趋势是合成化学、结构化学和量子化学的紧密结 合并相互促进（多学科多层面的研究）
2.五个特点（发展趋势决定了以下的特点）
① 宏观到微观 二十世纪以来，化学从研究宏观领域，进入微观领域的研究。
从研究物质的光、电、热、磁的宏观性质到微观粒子的内部结构 及运动状态，建立起了量子化学、核化学等新学科。
波动模型是连续的，光子模型是量子化的，波和 粒表面上看是互不相容的，却通过Planck常数， 将代表波性的概念和与代表粒性的概念和p联 系在了一起，将光的波粒二象性统一起来：
=h，p＝h/
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de Broglie(德布罗意）假设：
1924年，de Broglie受光的波粒二象性启发，提出实物微粒
与宏观粒子的大小相比可忽略，观察不到波动效应。
1927年，Davisson(戴维孙)和Germer（革末）用镍单晶
电子衍射、Thomson（汤姆孙）用多晶金属箔电子衍射
，分别得到了与X-射线衍射相同的斑点和同心圆，证实
电子确有波性。后来证实：中子、质子、原子等实物微
粒都有波性。
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电子衍射示意图
0
0
光电子动能与照射光频率的关系
加而增加，与光的频率无关。这些
推论与实验事实正好相反。
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18
1905年，Einstein在Planck能量量子化的启发下，提出光子 学说：
★光是一束光子流，每一种频率的光其能量都有一个最小单 位，称为光子，光子的能量与其频率成正比：h
★光子不但有能量，还有质量(m)，但光子的静止质量为零。 根据相对论的质能联系定律=mc2，光子的质量为： m=h/c2，不同频率的光子具有不同的质量。
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2. 研究方法
①归纳法（个别到一般） 利用现代的物理测试手段，如衍射法、光谱法及核磁
共振法等对物质的光、电、磁、热等性质的测定，或用计 算机模拟的方法，了解物质内部原子的排布及电子运动状 态等，然后再把这些数据总结成规律。
②演绎法（一般到个别）
即从微观物体普遍遵循的量子力学规律（物理工具）出发， 研究原子中电子的结构及电子与核的相互作用。
（静止质量不为零的粒子，如电子、质子、原子、分子等） 也有波粒二象性.[微观粒子:10-10m数量级的粒子]。认为=h， p=h/ 也适用于实物微粒，即以p=mv的动量运动的实物微 粒，伴随有波长为 =h/p=h/mv 的波。此即de Broglie关系 式。
de Broglie波与光波不同：光波的传播速度和光子的运动速 度相等；de Broglie波的传播速度（u）只有实物粒子运动速 度 的 一 半 ： v=2u 。 对 于 实 物 微 粒 ： u= ， E=p2/(2m)=(1/2)mv2 ,对于光：c=，E=pc=mc2
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CsI箔电子衍射图
24
■实物微粒波的物理意义——Born的统计解释
Born认为，实物微粒波是几率波：在空间任一点上，波的 强度和粒子出现的几率成正比。
用较强的电子流可在短时间内得到电子衍射照片；但用很 弱的电子流，让电子先后一个一个地到达底片，只要时间 足够长，也能得到同样的电子衍射照片。电子衍射不是电 子间相互作用的结果，而是电子本身运动所固有的规律性。
几何结构 电子结构
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几何结构：是指构成原子、分子及晶体的更基本微粒的空间几 何构型，尤其是对称性问题。
如：
SF6 Oh CH4 Td BF3 D3h
电子结构：是指电子的运动状态和能级（组态）。
研究内容决定了学习结构化学的目的
学会用微观结构的观点和思维方法来分析和解决化学中遇到的 实际问题。
实物微粒的波性是和微粒行为的统计性联系在一起的，没 有象机械波（介质质点的振动）那样直接的物理意义，实 物微粒波的强度反映粒子出现几率的大小。
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➢对实物微粒粒性的理解也要区别于服从Newton力学 的粒子，实物微粒的运动没有可预测的轨迹。
➢一个粒子不能形成一个波，但从大量粒子的衍射图 像可揭示出粒子运动的波性和这种波的统计性。 原子和分子中电子的运动可用波函数描述，而电子出 现的几率密度可用电子云描述。
1. 严格要求自己，打好基础，从第一堂课开 始。
2. 按时上课，掌握重点，独立完成每一次的 作业，做一个合格的大学生。
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绪论
➢现代化学的发展趋势及其特点 ➢结构化学的研究内容、研究方法及发展简史 ➢注意事项
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一. 现代化学的发展趋势及其特点
化学事实 化学研究
化学理论
★光子具有一定的动量：p=mc=h/c=h/ (c=） ★光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密度）。
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产生光电效应时的能量守恒：
h=w+Ek=h0+mv2/2
（脱出功：电子逸出金属所需的最低能量，w=h0）
用Einstein光子说，可圆满解释光电效应：
○当hw时，0，光子没有足够能量使电子逸出金属， 不发生光电效应；
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。
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1. 黑体辐射与能量量子化
黑体：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。
黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。
★经典理论与实验事实间的矛盾： 经典电磁理论假定，黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出 的，按经典热力学和统计力学理论，计算所得的黑体辐射能量 随波长变化的分布曲线，与实验所得曲线明显不符。
P点的电子，在狭缝处其px=psin，
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第一章 量子力学基础
➢微观粒子的运动特征 ➢量子力学的基本假设 ➢一维势箱中粒子的薛定谔方程及其解
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1.1 微观粒子的运动特征
☆ 经典物理学遇到了难题(经典统计力学的局限) 19世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当 完善：
◆Newton力学 ◆Maxwell电磁场理论 ◆Gibbs热力学 ◆Boltzmann统计物理学
② 定性到定量
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定量研究是必然趋势，这需要借助精密的测试工具。为深入研 究原子、分子和晶体的结构和性质间的关系，结构化学在计算机 和四圆衍射仪等现代仪器的推动下，可提供丰富可靠的定量结构 数据，对复杂的生物大分子结构也有解决办法。
精密晶体结晶学可以精密地测定分子中电子云分布和化学 成键状况。
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微观粒子运动速度快，自身尺度小，其波性不能忽略；
宏观粒子运动速度慢，自身尺度大，其波性可以忽略：
以1.0106m/s的速度运动的电子，其de Broglie波长为
7.310-10m（0.73nm）与分子大小相当；质量为1g的宏观
粒子以 110-2m/s 的速度运动,de Broglie 波长为710-29m,
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☆测不准关系式的导出： OP－AP＝OC＝/2
狭缝到底片的距离比狭缝的宽度
大得多,当CP＝AP时, PAC, PCA,
ACO均接近90°,
D
sin=OC/AO=/2/D/2 =/D
e
D越小(坐标确定得越准确)，越
x
A OC
P y
大，电子经狭缝后运动方向分散得
越厉害(动量的不确定程度越大).落到
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3. 发展简史 ① 量子力学的产生
从1900年普朗克提出量子论到1926年薛定谔建立量子力学的 基本方程后，量子力学才真正建立起来。
普朗克（Plank,1900年，谐振子能量量子化：黑体辐射） 爱因斯坦（Einstein,1905年光能量量子化：光电效应） 玻尔（Bohr,1913年原子能量量子化：氢原子光谱） 德布罗意（de Broglie,1924年实物微粒的波动性） 薛定谔（Schrödinger,1926年薛定谔方程） 海森堡（Heisenberg,1927年测不准原理） 狄拉克（Dirac,矩阵方程） 保里（Pauli） 玻恩（Born,实物微粒波的统计解释）
实验曲线 黑体辐射能量分布曲线 波长
经典理论无论如何也得不出这种有 极大值的曲线。
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1900年，Planck（普朗克）假定，黑体中原子或分子辐射 能量时作简谐振动，只能发射或吸收频率为,能量为h 的整数倍的电磁能，即振动频率为的振子，发射的能量 只能是0h，1h，2h，……，nh（n为整数）。
➢要正确理解实物粒子的波粒二象性，必须摆脱波和 粒子的经典概念的束缚，用量子力学的概念来理解。 1925～1927年测不准原理和薛定谔方程的提出，标 志着量子力学的诞生。
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测不准原理
测不准原理：一个粒子不能同时具有确定的坐标 和动量。
测不准原理是由微观粒子本身特性决定的物理量 间相互关系的原理。反映的是物质的波性，并非 仪器精度不够。
h称为Planck常数，h＝6.626×10－34J•S 按Planck假定，算出的辐射能E与实验观测到的黑体辐射
能非常吻合.
• 能量量子化：黑体只能辐射频率为，数值为h的整数倍 的不连续的能量。
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2. 光电效应与光的波粒二象性
光电效应：光照射在金属表面，使金属发射出电子的现象。
化学事实：人们熟知的各种现象的研究 化学理论：各种现象是否有规律，即需要研究现象的本质
1986年Nobel化学奖获得者李远哲教授：“化学的规律是有的 ，那就是量子力学。所有化学现象都是原子核和外围电子的重 新排列和组合。”
量子力学运用于解释H2的形成
量子化学的诞生
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化学理论 宏观(热力学、统计热力学) 完整体系构成 微观(结构化学、量子化学)
1900年前后，许多实验已证实： ●照射光频率须超过某个最小频
率0，金 属才能发射出光电子； ●增加照射光强度，不能增加光电子Ek
的动能，只能使光增 加。
光
电子
金属
经典理论不能解释光电效应：
经典理论认为，光波的能量与其
强度成正比，而与频率无关；只要 光强足够，任何频率的光都应产生 光电效应；光电子的动能随光强增
以合成氨在催化剂上反应为例：Fe催化剂+Al2O3 k2O CaO MgO ⑤纯化学学科到边缘学科
生物化学、半导体化学、环境化学、超导材料、稀土材料、 原子核物理、物理化学、化学物理等。
二. 结构化学的研究内容、研究方法及发展简史
1.研究内容
主要研究原子、分子和晶体的微观结构及结构与性能间的关系
。 微观结构
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② 量子化学的诞生 量子力学建立后很快就应用到化学中来，1927年海特勒
（Heitler）和伦敦（London）用量子力学研究氢分子H2，提 出了价键理论的理论基础，一门新兴的化学学科——量子化学 诞
生了。
三．注意事项
模型 近似、假设 逻辑推理 微观粒子的运动状态
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