绪论、结构化学课件第一章讲义
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结构化学基础（第三板）
周公度 段连运 编著
主讲教师：孙 忠 副教授
辅 导：敖迎春
授课学时：48
学分：3
参 考 书：1.厦门大学化学系物构组，《结构化学》，科
学出版社，2004年.
2.江元生，《结构化学》，高等教育出版社，
1997年.
3.谢有畅 邵美成，《结构化学》，第二版，
人 民教育出版社，1983年.
绪言
• 结构化学的研究范围 • 结构化学的主要内容 • 结构化学的发展历程 • 结构化学的学习方法
第一章 量子力学基础知识
1.1 微观粒子的运动特征 ☆ 经典物理学遇到了难题
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
按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线： 能 Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量按自由度 量
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。
Wien（维恩）曲线
RayleighJeans（瑞 利－金斯） 曲线
的光子具有不同的质量。
★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）。
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； ○当h＝w时，＝0，这时的频率就是产生光电效应的临阈频率（ 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
经典理论无论如何也得不出这种 有极大值的曲线。
实验曲线 黑体辐射能量分布曲线 波长
Planck能量量子化假设
• 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wenku.baidu.comh，1h，2h，……，nh（n为整数）。
4. 徐光宪、王祥云，《物质结构》，第二版，高等 教育出版社，1987年.
5. I.N.Levine ， 《Quantum Chemistry》 ， 5th edition，Published by Pearson Education Asia
Limited and Beijing World Publishing Corporation，2004. 6. 周公度、段连运，《结构化学基础（第3版）习 题解析》，北京大学出版社，2002年第一版. 7. 周公度、段连运，《结构化学基础》，北京大学 出版社，1995年第二版. 8. 周公度、段连运，《结构化学习题解析》，北京 大学出版社，1997年第一版. 9. 周公度，《结构和物性：化学原理的应用》，高 等教育出版社，2000年第一版。
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。
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。
呈直线关系，与光强无关。
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。
• 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
• 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
E e 1 射能非常吻合：
2h 3 h / kT
1
c2
●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。
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。
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，不能增加光电子的动
能，只能使光电子的数目增加；
Ek
●光电子动能随照射光频率的增加而增加。
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 的动能随光强增加而增加，与光的频率无 关。这些推论与实验事实正好相反。
• 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
• 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 1.0106 m/s 的 速 度 运 动 的 电 子 ， 其 de Broglie波长为7.310－10 m（0.73nm），与分子大小 相当；质量为1g的宏观粒子以 110－2 m/s 的速度运 动，de Broglie 波长为7 10－29 m，与宏观粒子的大 小相比可忽略，观察不到波动效应。
0
0
光电子动能与照射光频率的关系
Einstein光子学说
1905年，Einstein在Planck能量量子化的启发下，提出光子说：
★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
系在了一起，将光的波粒二象性统一起来：
= h，p ＝
h/
3. 实物微粒的波粒二象性
• 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（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。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。
周公度 段连运 编著
主讲教师：孙 忠 副教授
辅 导：敖迎春
授课学时：48
学分：3
参 考 书：1.厦门大学化学系物构组，《结构化学》，科
学出版社，2004年.
2.江元生，《结构化学》，高等教育出版社，
1997年.
3.谢有畅 邵美成，《结构化学》，第二版，
人 民教育出版社，1983年.
绪言
• 结构化学的研究范围 • 结构化学的主要内容 • 结构化学的发展历程 • 结构化学的学习方法
第一章 量子力学基础知识
1.1 微观粒子的运动特征 ☆ 经典物理学遇到了难题
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
按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线： 能 Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量按自由度 量
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。
Wien（维恩）曲线
RayleighJeans（瑞 利－金斯） 曲线
的光子具有不同的质量。
★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）。
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； ○当h＝w时，＝0，这时的频率就是产生光电效应的临阈频率（ 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
经典理论无论如何也得不出这种 有极大值的曲线。
实验曲线 黑体辐射能量分布曲线 波长
Planck能量量子化假设
• 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wenku.baidu.comh，1h，2h，……，nh（n为整数）。
4. 徐光宪、王祥云，《物质结构》，第二版，高等 教育出版社，1987年.
5. I.N.Levine ， 《Quantum Chemistry》 ， 5th edition，Published by Pearson Education Asia
Limited and Beijing World Publishing Corporation，2004. 6. 周公度、段连运，《结构化学基础（第3版）习 题解析》，北京大学出版社，2002年第一版. 7. 周公度、段连运，《结构化学基础》，北京大学 出版社，1995年第二版. 8. 周公度、段连运，《结构化学习题解析》，北京 大学出版社，1997年第一版. 9. 周公度，《结构和物性：化学原理的应用》，高 等教育出版社，2000年第一版。
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。
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。
呈直线关系，与光强无关。
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。
• 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
• 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
E e 1 射能非常吻合：
2h 3 h / kT
1
c2
●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。
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。
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，不能增加光电子的动
能，只能使光电子的数目增加；
Ek
●光电子动能随照射光频率的增加而增加。
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 的动能随光强增加而增加，与光的频率无 关。这些推论与实验事实正好相反。
• 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
• 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 1.0106 m/s 的 速 度 运 动 的 电 子 ， 其 de Broglie波长为7.310－10 m（0.73nm），与分子大小 相当；质量为1g的宏观粒子以 110－2 m/s 的速度运 动，de Broglie 波长为7 10－29 m，与宏观粒子的大 小相比可忽略，观察不到波动效应。
0
0
光电子动能与照射光频率的关系
Einstein光子学说
1905年，Einstein在Planck能量量子化的启发下，提出光子说：
★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
系在了一起，将光的波粒二象性统一起来：
= h，p ＝
h/
3. 实物微粒的波粒二象性
• 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（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。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。