结构化学第一章课件

结构化学的地位
药物、健康 材料、器械 生命起源、宇宙
肉眼、仪器 可直接观测 （宏观世界）
内在本质
Helium burning Hydrogen burning
T ~ 107K T < 2 x 108K
运动规律就 是量子力学--结构化学
Carbon core
Hydroge n burning
T ~ 107K
E
8h 3 c3
e
h / kt
1

1
M. Planck, Berlin University, Germany (1858-1947)
波尔兹曼常数 k: 1.381* 10-23 J•K-1
The Nobel Prize in Physics 1918
能量量子化(能量的不连续性)：把黑体看作一组连续振动的谐 振子，振子的能量值只能取最小能量单位hv的整数倍。（p3)
带有一个微孔的空心金属球，非常接近于黑 体，进入金属球小孔的辐射，经过多次吸收、 反射，使射入的辐射全部被吸收。当空腔受热 时，空腔壁会发出辐射，极小部分通过小孔逸 出。 黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电 磁波的现象。
若以E表示黑体辐射 的能量，E(d)表示频 率在到d范围内、 单位时间、单位表面 积上辐射的能量。 以E对作图，得到 能量分布曲线。 实验现象：E=σT4 斯忒蕃
Albert Einstein Germany，1879 - 1955
实验事实：
(1)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。 (2)入射光照射到金属表面，立即有电子逸出，二者几乎无时间差。 (3)由光电效应产生的电子动能仅随光的频率增大而增加，与光的强 度无关。 (4)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。
产生光电效应时的能量守恒：
h＝w＋ T ＝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，T=h－ h0，动能与频 率呈直线关系，与光强无关。
RH=1.09677576×107m-1
1
n2≥ n1+1
如此简单的公式，却把大量的光谱线科学地分成许多谱线系，计算所得的 波长与实验值非常一致，但对于原子结构的理论模型在当时却是一个非常 难解的“谜”
原子光谱是原子结构的信使. 那么, 在此之前, 人们对 原子结构认识如何呢? 1903年，J．J．汤姆逊提出“葡萄布丁”原子模型. 1911年, 卢瑟福在α粒子散射实验基础上提出原子的 有核模型. 但问题是: 原子是一个电力系统, 电子如果像行 星绕太阳那样绕核运转, 就会在这种加速运动中发射电磁 波而损失能量, 从而沿螺旋线坠落到核上并发射连续光谱, 与原子稳定性和光谱分立性相矛盾:
二、实物微粒的波粒二象性
２. 光电效应和爱因斯坦光子学说
经典物理无法解释的另一个现象： H. R. 赫兹1887年的著名实 验. 这一实验极为有趣和重要, 因为它既证实了Maxwell的电磁 波理论——该理论认为光也是电磁波, 又发现了光电效应, 后 来导致了光的粒子学说.
光电效应：是光照在金属表面 上，金属发射出电子的现象。
以后的大量实验证 明，普朗克常数h是一
个只有光速c才可与之 比拟的普适常数
=h，p=h/
科学史上的前车之鉴
Einstein 的光量子理论于1916年被密立根从实验上证实, 1921年获 诺贝尔物理学奖. Einstein 以相对论闻名于世, 却不是以相对论获得诺 贝尔奖, 因为当时有些著名的物理学家拒不接受相对论, 甚至有人说,如 果为相对论颁发诺贝尔奖,他们就要退回已获的诺贝尔奖! 尽管Einstein 以光量子理论解释光电效应获得诺贝尔奖当之无愧, 但科学史上这一段旧事却为人们留下许多值得思考的问题. 更令人困惑的是: 量子论创始人Planck对爱因斯坦的相对论很早就 给予高度评价，对光量子理论却持否定态度. 然而，这似乎又不奇怪, 正是Planck本人在多少年中都试图用经典统计理论来解释他自己提出 的作用量子h, 以便将量子论纳入经典物理学范畴. 当然，这是不可能 成功的.
当n=1时, r=52.9pm为氢原子的最小半径,称为玻尔半径
Bohr模型对于单电子原子在多方面应用得很有成 效，对碱金属原子也近似适用. 但它竟不能解释 He 原子 的光谱，更不必说较复杂的原子；也不能计算谱线强 度。 后来，Bohr模型又被A. Sommerfeld等人进一步改 进，增加了椭圆轨道和轨道平面取向量子化(即空间量子 化):
hv h ③ 根据质能联系定律，光子质量也可以为： m 2 2 c c c m0 根据相对论原理， m 1 (v / c ) 2
对于光子ν=c，所以m0为0，即光子没有静止质量 ④光子动量P
mc 2 hv h p mc c c
⑤ 光子与电子碰撞时服从能量守恒和动量守恒。
3．氢原子光谱与波尔的原子模型
当原子被电火花、电弧或其它方法激发时，能够发出一系列具有一 定频率（或波长）的光谱线，这些光谱线构成原子光谱。 1885年巴耳麦和随后的里德堡建立了对映氢原子光谱可见光区14 条谱线的巴尔麦公式。20世纪初又在紫外和红外区发现了许多新的氢 谱线，经验公式推广为：
1 1 RH ( 2 2 ) n1 n 2
第一章
量子力学基础
一位著名的科学家(据说就是 伟大的开尔文勋爵)说：“物 理学的未来，将只有在小数 点第六位后面去寻找”。 普朗克的导师甚至劝他不要 再浪费时间去研究这个已经 高度成熟的体系。
十九世纪末的物理学
十九世纪末，经典物理学已经形成一个相当完善的体系，机 械力学方面建立了牛顿三大定律，热力学方面有吉布斯理论， 电磁学方面用麦克斯韦方程统一解释电、磁、光等现象，而统 计方面有玻耳兹曼的统计力学。当时物理学家很自豪地说，物 理学的问题基本解决了 。 唯独有几个物理实验还没找到解释的途径，“在物理学阳光灿烂 的天空中漂浮着两朵小乌云”。
(东北师范大学等编写)
成绩考核： 平时作业成绩(20%) +课程论文/总结(10%) + 课堂讨论/回答问题(5%) + 期末考试 (60%) 结构化学精品课程网站
http://202.114.34.167/jghx/ http://202.114.34.167/jghx/bbs
课程关键词： 课前预习、课堂学习、课后练习
1913年为解释氢原子光谱的实验事实，玻尔综合了Planck的量子论、Einstein的 光子说以及卢瑟福的原子有核模型，提出玻尔模型.
玻尔模型
（１）原子存在于一些具有分立能值的稳定状态—定态 （能量最低的叫基态，其它叫激发态），定态不辐射。 （２）定态（E2）→定态（E1）跃迁辐射
1 E 2 E1 h
而恰恰是这几个实验为我们打开了一扇通向微观世界的大门，研究对象 由低速到高速，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结 构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。
量子力学
§1-1量子力学产生的背景
一、经典物理学的困难与旧量子论的诞生 １.黑体辐射实验与普郎克的量子论 黑体：一种能全部吸收照射到它上面的 各种波长的光，同时也能发射各种波长 光的物体。
（3）电子轨道角动量
| M | mvr n h n 2
量子数
n=1,2,3,……
1922年, Bohr获 诺贝尔物理学奖
利用这些假定，可以很好地说明原子光谱分立谱线这一事实，计算得到氢 原子的能级和光谱线频吻合得非常好。 me v 2 e2 n r = 52.9n2, r 4 0 r 2
光的波粒二象性
• 只有把光看成是由光粒子组成的光束，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，波和粒子表面 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：
★经典理论与实验事实间的矛盾：
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。 能 量 它在短波部分引出了 “紫外灾变”，即波长 变短时辐射的能量密度趋于无穷大,而不象 实验结果那样趋于零. d d 8kT
运动特ห้องสมุดไป่ตู้区别
宏观物体 1、线度大 2、能量变化的连续性 3、位置和速度可同时确定 4、波性和粒性不可调和 5、服从牛顿力学

微观粒子 线度小 能量变化的量子化特征 无确定运动轨迹 具有波粒二象性 服从量子力学
微观物体运动遵循的规律——量子力学，被称为是20 世纪三大科学发现（ 相对论、量子力学、 DNA 双螺旋结 构 ）之一. 100多年前量子概念的诞生、随后的发展及 其产生的革命性巨变，是一场激动人心又发人深省的史 话. 结构化学是在原子、分子的水平上，深入到电子层次， 研究物质的微观结构及其宏观性能关系的科学。
轨 道 的 空 间 量 子 化
这些改进并没有从根本上解决问题(今天来分析主 要原因是这些模型只考虑了实物粒子的粒子性), 促使 更多物理学家认识到, 必须对物理学进行一场深刻变革. 法国物理学家德布罗意(L.V.de Broglie)勇敢地迈出 一大步. 1924年, 他提出了物质波可能存在的主要论点.
《结 构 化 学》
主讲教师： 任彦亮
Office: 731 Tel: 18995611837 E-mail: renyl@mail.ccnu.edu.cn
结构化学
教材: 结构化学 参考书:
1.物质结构 (华东师范大学 潘道皑等编写) 2.结构化学基础 (周公度等编写) 3.物质结构 (徐光宪等编写) 4.ATKINS’ Physical Chemistry ( Peter Atkins)
M.Planck
. 辐射能量的最小单元为hv. v是振子的频率 ， h 就是著名的 Planck 常数，其最新数值为 6.626×10-34 J.s. 这一重要事件后来被认为是量子革命的 开端. Planck为此获1918年诺贝尔物理学奖.
Planck能量量子化假设
• 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：
Helium burning
T < 2 x 108K
40Ca… …58Ni
肉眼、仪器 不可直接观测 （微观世界）
Ca Ni formed
Heavy elements
(C and O burning) T < 3 x 109K
微观粒子和宏观物体的区别
• 粗略划分 m >>分子质量 宏观物体 m ≤分子质量 微观粒子
The Nobel Prize in Physics 1921
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。
光 金属
电子
Einstein光子学说 (理论解释) ①光的能量是不连续的,也是量子化的，其最小能量单位是 0 h ，称为 光量子。 ②光为一束以光速c运动的光子流，光的强度I正比于光子的密度ρ。ρ为单 位体元内光子的数目。 I hv
4
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。 !按经典理论只能得出能量随波长单调变化 的曲线，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
1900年, Max Planck给出一个能够成功 描述整个实验曲线的公式. 但他不得不为此 引入一个“离经叛道”的假设: 黑体吸收或发 射辐射的能量必须是不连续的，即量子化的