结构化学第一章课件
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结构化学课件(周公度版)第一章
有带电或不带电物体的运动，因而也不是电磁波.
1927年，戴维逊、革末用电子束单晶衍射法，G.P.汤姆 逊用薄膜透射法证实了物质波的存在, 用德布罗意关系式计 算的波长与布拉格方程计算结果一致. 1929年, de Broglie获 诺贝尔物理学奖；1937年，戴维逊、革末、G.P.汤姆逊也获
得诺贝尔奖.
请在后面输入加速电压: de Broglie波长等于
100 V 122.5 pm
de Broglie还利用他的关系式为Bohr的轨道角动量 量子化条件
h mvr n 2
作了一个解释：由这一条件导出的
nh h S 2r n n mv p
表明圆轨道周长S是波长的整数倍，这正是在圆周上形 成稳定的驻波所需要的，如同琴弦上形成驻波的条件是 自由振动的弦长为半波长的整数倍一样. 尽管这种轨迹确定的轨道被不确定原理否定了，但 “定态与驻波相联系”的思想还是富有启发性的.
1 1 R( 2 2 ), n2 n1 n1 n2 n1 1, Lyman 系 n1 2, Balmer 系 n1 3, Paschen 系 n1 4, Brackett系 n1 5, Pfund 系
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?
1.1.2
光电效应与光量子化
经典物理无法解释的另一个现象来自 H.R.赫芝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(photoelectric effect), 后来导致了光的 粒子学说.
1889年, 斯托列托夫提出获得光电流的电池方案(下图
的相似或相同，推出它们在其他方面也可能相似或相同的思想方法，
结构化学1
solid liquid gas synthetic
Types of substances
Atoms
Molecules
Clusters Nano materials
Size and structure make the difference of properties.
Bulk materials
1900:
1913:
1921:
•Louis De Broglie Louis De •Otto Stern published his doctoral thesis, Broglie won measures the magnetic “Recherches sur la the Nobel moment of the théorie des quanta”, Prize in Physics for proton which introduced hypothesis. •Schrödinger his theory of wins Nobel electron waves. prize for his Schrödinger Equation
relationships between structures and properties
of substances such as atoms, molecules, crystals, and so on.
Objective of Structural Chemistry
1) Determining the structure of a known substance. 2) Understanding the structure-property relationship of a known substance. 3) Predicting a unknown substance with specific structure and property.
Types of substances
Atoms
Molecules
Clusters Nano materials
Size and structure make the difference of properties.
Bulk materials
1900:
1913:
1921:
•Louis De Broglie Louis De •Otto Stern published his doctoral thesis, Broglie won measures the magnetic “Recherches sur la the Nobel moment of the théorie des quanta”, Prize in Physics for proton which introduced hypothesis. •Schrödinger his theory of wins Nobel electron waves. prize for his Schrödinger Equation
relationships between structures and properties
of substances such as atoms, molecules, crystals, and so on.
Objective of Structural Chemistry
1) Determining the structure of a known substance. 2) Understanding the structure-property relationship of a known substance. 3) Predicting a unknown substance with specific structure and property.
结构化学 第1章 量子力学基本原理---量子论
光是一种电磁波
➢1856年，Maxwell建立电磁场理论，预言了电 磁波的存在。 ➢理论计算出电磁波以3×108m/s的速度在真空 中传播，与光速度相同，所以人们认为光也是 电磁波。 ➢1888年，Hertz探测到电磁波。 ➢光作为电磁波的一部分，在理论上和实验上就 完全确定了。
L. Rayleigh（瑞利） 1911年Nobel物理奖
➢R － J 方 程 只 在 波 长 很 大时与实际情况比较符
。实验 -- 维恩 -- 瑞利－金斯
合 ， 随 着 λ 减 小 ， ρλ 单调增大，与实验结果
呈现巨大分歧。
➢推 论 ： 黑 体 的 单 色 辐
射强度将随波长变短而
趋于“无限大”。
光子学说对光电效应的解释
当光照射金属中的电子时，电子吸收光子的能量，
体现为逸出功(W0)和光电子动能(Ek) ：
hn
1 mv2 2
W0
n0=W0/h，为金属材料的特征值。
当n＞n0时，如果光的强度越大，则单位体积内
通过的光子数目就越多，因而光电流也越大。
W0
W0
W0 ,逸出功, 或称为功函数，F
结构化学 —— 第一章量子力学原理
第一章
I 量子论的形成 新理论的产生
为世人接受的新 观念和新理论
传统观念 和经典理论
不能解释 实验新发现
解释实验且为 其他实验证实
修
新观念 新假设
正
结构化学 —— 第一章量子力学原理
经典物理学
1900年以前，物理学的发展处于经典物理学 (classical physics)阶段: 由经典力学，电磁波理论， 统计物理学和热力学等组成。
与此相反，Wien方程只在
－－“紫外灾难” 高频区符合。
结构化学 第 1 章 量子力学基础 ppt
De Brogile
30
第一章
De Broglie提出实物微粒也具有波性，以此作为克服 旧量子论的缺点，探求微观粒子运动的根本途径，这种实 物微粒所具有的波就称为物质波或德布罗依波。 De Brogile关系式
E h
h h p mυ
1-5 1-6
式中, E为粒子能量， 物质波频率， 为物质波的波长，p为粒子的动 量，h为普郎克常数。这个假设形式上与Einstein关系式相同，但它实际上 是一个完全崭新的假设，因为它不仅适用于光，而且对实物微粒也适用。
1 1 RH ( 2 2 ) n1 n2
RH 109677.581 cm1
1
n2 > n1
称为 Rydberg 常数
20
第一章
对原子结构的认识：
1897 Thomson 发现电子，证明了原子的可分性； 1903 Thomson 提出“葡萄干布丁”原子模型； 带负电的电子嵌在带正电的原子中： 正电荷以均匀的
着量子理论的诞生。
Planck获得1918年诺贝尔物理学奖！
虽然Planck是在黑体辐射这个特殊的场 合中引入了能量量子化的概念，但后来发现 Planck 许多微观体系都是以能量或其它物理量不能 连续变化为特征的，因而都称为量子化。此 后，在1900-1926年间，人们逐渐把量子化 的概念推广到所有微观体系。 12
第一章
1.1.2 光电效应与 Einstein 光子学说（光量子化）
光电效应是第二个发现用经典物理学无法解释的实验现象。 当光照射到阴极K上时，使阴极上金属中的一些 自由电子的能量增加，逸出金属表面，产生光电 子。实验现象为：
A K G V
● 只有当照射光的频率超过某个最小频率0 (又 称临阈频率)时，金属才能发射光电子。不同 金属的0不同，大多数金属的0位于紫外 区。 ● 随着光的强度增大，发射的电子数目增加， 但不影响光电子的动能。 ● 增加光的频率，光电子的动能也随之增加。 若按经典波动理论，光能取决于光强度即振幅 平方，与频率无关。
结构化学第一章课件
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：
★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
运动特性区别
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。
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。
结构化学第一章 量子力学基础
~= 1 =R 1 − 1 ν H 2 2 λ n1 n2
1913年为解释氢原子光谱的实验事实， Bohr综合 1913年为解释氢原子光谱的实验事实， Bohr综合 年为解释氢原子光谱的实验事实 了Planck的量子论、Einstein的光子说以及卢瑟福的原 Planck的量子论、Einstein的光子说以及卢瑟福的原 的量子论 子有核模型，提出： 子有核模型，提出：
氢原子线状光谱
1885年巴耳麦（Balmer）和随后的里德堡(Rydberg) 1885年巴耳麦（Balmer）和随后的里德堡(Rydberg) 建立了 年巴耳麦 对映氢原子光谱的可见光区14条谱线的巴尔麦公式。20世纪 14条谱线的巴尔麦公式 对映氢原子光谱的可见光区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，公式推广为： 初又在紫外和红外区发现了许多新的氢谱线，公式推广为：
一、 经典物理学的困难与旧量子论的诞生 １.黑体辐射实验与普朗克的量子论 黑体辐射是最早发现与经 典物理学相矛盾的实验现象之 一。 所谓黑体是指能全部吸 收各种波长入射光线辐射的物 体。带有一个微孔的空心的金 属球，非常接近于黑体，进入 金属小孔的辐射，经过多次吸 收、反射，使射入的辐射完全 被吸收，当空腔受热时，又能 发射出各种波长的电磁波。 黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。 黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。
1 2 hν = W + EK = hν 0 + mv 2
是电子逸出金属所需要的最小能量，称为逸出功， 式中W是电子逸出金属所需要的最小能量，称为逸出功， 它等于hν0；EK是电子的动能， 是电子的动能，
1 2 解释了光电效应实验的全部结果： 上式解释了光电效应实验的全部结果： 光子没有足够的能量使电子逸出金属， hν＜ 当hν＜W 时，光子没有足够的能量使电子逸出金属，不发生 光电效应； 光电效应； 这时的频率是产生光电效应的临阈频率( 当hν=W 时，这时的频率是产生光电效应的临阈频率(ν0) ； 从金属中发射的电子具有一定的动能， hν＞ 当hν＞W 时，从金属中发射的电子具有一定的动能，它随ν 的增加而增加( 与光强无关。 的增加而增加(T＝hν－hν0)，与光强无关。但 增加光的强度可增加光束中单位体积内的光子 因此增加发射电子的数目。 数，因此增加发射电子的数目。
结构化学 原子结构-S1
第一章
量子力学基础
§1.5 氢原子和类氢离子的薛定谔方程
第一章
量子力学基础
§1.5 氢原子和类氢离子的薛定谔方程
4
第一章
量子力学基础
§1.5 氢原子和类氢离子的薛定谔方程
5
6
结论
ψ n ,l ,m (r , θ , φ ) = Rn ,l (r ).Θl ,m (θ ).Φ m (φ )
Z 2R En = − 2 n
第一章 原子结构
§1.5 氢原子与类氢离子的定态薛定谔方程及其解 §1.6 氢原子与类氢离子的解的讨论 §1.7 波函数和电子云的图形表示 §1.8 多电子原子结构理论的轨道近似模型 §1.9 电子自旋 §1.10 原子整体的状态和原子光谱项 §1.11 原子内电子的排布和元素周期律
第一章
量子力学基础
∧
∧ ∧ 2
M Z 的本征函数
∧
实函数是 H M 2 的本征函数 对于一个确定的m值，可以得出一个确定的复 函数解。如m=1
∧
第一章
量子力学基础
§1.5 氢原子和类氢离子的薛定谔方程
对于一个确定的m值，一般说并不能得出一个 确定的实函数解。如
m
当m=0时，复函数解就是实函数解。所以对 m=0这样确定的m值，才可以得出一个确定的实 函数解。
第一章
量子力学基础
2 2
§1.5 氢原子和类氢离子的薛定谔方程
8π m ③ α + 2 E=0 h 1 2π mZe 2 ( − 2α ) = 0 ④ r ε 0h2 π me 2 Z 由④式得： α = 2 ε 0h Z ε 0h2 α= 令a0 = = 52.9 pm 2 a0 π me −me 4 2 代入③式得： E = Z 2 2 8ε 0 h me 4 令 R = 2 2 =13.6eV = 2.18 × 10−18 J 8ε 0 h
1结构化学第一章量子力学基础知识讲解课件
·结构与性能的关系（结构
决定 反映
性能）
结构化学的发展历程
▲利用现代技术不断武装自己
采用电子技术、计算机、单晶衍射、多晶衍射、原子光谱、 分子光谱、核磁共振等现代手段，积累了大量结构数据，为归 纳总结结构化学的规律和原理作基础；
▲运用规律和理论指导化学实践
将结构和性能联系起来，用以设计合成路线、改进产品 质量、开拓产品用途。
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。
经典理论无论如何也得不出这种有极大值的曲线。
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0h，1h， 2h，……，nh（n为整数）。
普朗克
The Nobel Prize in Physics 1918
Max Karl Ernst Ludwig Planck
Germany Berlin University Berlin, Germany
1858 - 1947
1.1.2
光电效应是光照在金属表面上，金属发射出电子的现象。
图1-3 光电效应示意图
“光子说”表明——光不仅有波动性，且有 微粒性，这就是光的波粒二象性思想。
Einstein
The Nobel Prize in Physics 1921
爱因斯坦
"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"
结构化学复习课件
假设2 假设2：实物微粒的稳定态运动规律符合定 态薛定谔(Schrödinger)方程 态薛定谔(Schrödinger)方程
h 2 ∂ 2 Ψ ( xyz ) ∂ 2 Ψ ( xyz) ∂ 2 Ψ ( xyz) + VΨ ( xyz ) = EΨ ( xyz) − 2 + + 2 2 ∂x 2 8π m ∂y ∂z
－
－
ψ ∗ Q ψ dτ ∫ ψ ∗ψ d τ ∫
∗ ∧
（ 2 ） 若 ψ 已 归 一 化 ， 则 Q ＝ ∫ ψ Q ψ dτ （ 3 ） 若 ψ ＝ c 1ψ 1＋ c 2ψ 2＋ 且 Q ψ i＝ Q iψ i Q 则： ＝
∧
＋ c nψ n
c1
n i= 1
2
Σ ci
2
Q 1＋
c2
n i= 1
3、波函数和电子云的图形表示
径向分布图 径向分布函数 D(r)=r2R2(r) )=r 角度分布图
4、多电子原子结构
多单电子原子s－方程 多单电子原子s B-O近似 单电子近似 中心力场近似
h 2 2 ( Z − σ i )e 2 ∇i − Ψi = Ei Ψi − 4πε 0 ri 2m
∆x∆px ≥ h
测不准关系式可用于判断哪些物体其运动规律可用经 典力学处理，而哪些则必须用量子力学处理。 典力学处理，而哪些则必须用量子力学处理。
2.量子力学基本假设： 2.量子力学基本假设： 量子力学基本假设
假设1 假设1： 波函数和微观粒子的状态 波函数和微观粒子的状态
定态波函数 合格波函数 几率 几率密度 正交归一性
自测题： 自测题：
1、粒子处于定态意味着 、 (A) 粒子处于概率最大的状态。 粒子处于概率最大的状态。 (B) 粒子处于势能为 的状态 粒子处于势能为0的状态 (C) 粒子处于静止状态。 粒子处于静止状态。 ） (D) 粒子的力学量平均值及几率密度分布都与时间无关的状态。 粒子的力学量平均值及几率密度分布都与时间无关的状态。 2、提出光兼具粒子性的科学家是：（ 、提出光兼具粒子性的科学家是：（ （A）de Broglie ） (B)A.Einstein ( )
化学第一章课件
第一节 原子的基本结构
课堂链接
原子很小，而原子核更小，它的体积只占原子体 积的几千亿分之一。如果把原子比喻成一个庞大的体 育场，则原子核只相当于体育场中央的一只蚂蚁。因 此原子内部有相当大的空间，电子就在这个空间内绕 着原子核做高速运动。
第二节 元素周期律和元素周期表
一、 元素周期律
人们在长期的生产实践和科学实验中发现，元素之间存在着某种联 系，并呈现出一定的规律性，表1-1中列出了核电荷数为1～18的元素 的原子核外电子排布及一些主要特征。
第二节 元素周期律和元素周期表
3. 元素周期表中元素性质的递变规律
同一周期的元素，从左到右随着核电荷数的递增，其金属性逐渐 减弱，非金属性逐渐增强。因此，金属元素的最高价氧化物对应的水 化物的碱性逐渐减弱。
同一主族的元素，从上到下随着电子层数的逐渐增多，其非金属 性逐渐减弱，金属性逐渐增强。表1-2中列出了元素周期表中元素一些 常见性质的递变规律。
A表示。若中子数用字母N表示，则 质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N） 于是，原子组成及粒子之间的关系可表示为
第一节 原子的基本结构
课堂链接
欧内斯特·卢瑟福，1871年8月30日生于新西兰纳 尔逊的一个手工业工人家庭，1937年10月19日因病 在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬。他被公认为 二十世纪最伟大的实验物理学家，在放射性和原子结 构等方面都做出了重大的贡献。他还是最先研究核物 理的人，被称为近代原子核物理学之父。
第二节 元素周期律和元素周期表
4. 元素周期表的作用
（1）可以一目了然地获得元素的一些信息，如元素名称、元素 符号、原子序数、相对原子质量等。
（2）元素周期表上对金属元素、非金属元素（包括稀有气体元 素）用不同的颜色进行了分区，因此可以清楚地确定元素是属于金属 元素还是非金属元素以及是否属于过渡元素。
结构化学第一章-1
1905 年 Einstain 接受量子化概念，提出了著 名的光子学说。 1. 一定频率的光子能量是不连续的，也就是量子 化的。光子能量的最小单位为 E=hv 2.光子不但具有能量，还有质量m，但静质量为0。
h E mc m 2 c 3.光子具有动量 h h P mc c
实验表明，单位面积所发出的不同 频率辐射的速率只与温度有关，而 与制作的材料无关。
借助棱镜将黑体所发出的辐射按频率分开， 可以, T )d
：表示在温度 T 下，单位时间内由黑 体单位表面积上所发出频率在 d 间的 辐射能量。 R( , T ) ：表示黑体辐射的频率分布，称 为频率分布函数. 实验得到的频率分布函数如下：
8h R( , T ) 3 hv / kT c e 1
3
与实验完全一致。与实 验曲线对比，得Plank常数
ｈ＝6.62610-34J· S
这是量子革命的开端，Planck被誉为量子论的 创始人，为此获1918年诺贝尔物理学奖，对科 学家的思想观念产生了巨大的影响
二、 光电效应 光电效应是光照射到金属表面上，金属中的 电子吸收光的能量，而脱出金属表面的现象。 实验发现： 1. 光电子初动能与光强度无关；对于 0 时才有光电子射出， 一定的金属M，光频率 光电子初动能与 成线性关系。 0 称为该金属的临阈频率。 2. 单位时间脱出金属表面的光电子数目与光的频 率无关，与光强成正比。 经典电磁理论认为光的强度取决于光的 振幅，金属中电子在光的诱导下振幅应与光 强成正比。不能解释光电效应。
第八章: 分子光谱（ Molecular spectra ）
晶体结构理论 （ The theory of crystal structure ）
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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
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。
运动特性区别
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。
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:
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”。
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)
(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
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。
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.
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。
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：
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
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。
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
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
《结 构 化 学》
主讲教师： 任彦亮
Office: 731 Tel: 18995611837 E-mail: renyl@
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)
（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
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.
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：
结构化学的地位