结构化学课件第一章剖析
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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》课件
《结构化学》ppt课件
contents
目录
• 结构化学简介 • 原子结构与性质 • 分子的电子结构与性质 • 晶体结构与性质 • 结构化学实验结构化学的定义
总结词
结构化学是一门研究物质结构与 性质之间关系的科学。
详细描述
结构化学主要研究原子的排列方 式、电子分布和分子间的相互作 用，以揭示物质的基本性质和行 为。
晶体的电导率、热导率等性质取决于其内 部结构，不同晶体在这些方面表现出不同 的特性。
晶体的力学性质
晶体材料的应用
晶体的硬度、韧性等力学性质与其内部原 子排列密切相关，这些性质决定了晶体在 不同工程领域的应用价值。
晶体材料广泛应用于电子、光学、激光、 半导体等领域，如单晶硅、宝石等。了解 晶体的性质是实现这些应用的关键。
分子的选择性
分子的选择性是指分子在化学反应中对反应物的选择性和对产物的选择性。选择性强的分 子可以在特定条件下优先与某些反应物发生反应，产生特定的产物。
04
晶体结构与性质
晶体结构的基础知识
晶体定义与分类
晶体是由原子、分子或离子在空 间按一定规律重复排列形成的固 体物质。根据晶体内部原子、分 子或离子的排列方式，晶体可分 为七大晶系和14种空间点阵。
电子显微镜技术
• 总结词：分辨率和应用 • 电子显微镜技术是一种利用电子显微镜来观察样品的技术。相比光学显微镜，
电子显微镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数，因此可以观察更细微的结构 和组分。 • 电子显微镜技术的分辨率一般在0.1~0.2nm左右，远高于光学显微镜的分辨 率（约200nm）。因此，电子显微镜可以观察到更小的晶体结构、病毒、蛋 白质等细微结构。 • 电子显微镜技术的应用范围很广，例如在生物学领域中，可以用于观察细胞、 病毒、蛋白质等生物样品的结构和形态；在环境科学领域中，可以用于观察污 染物的分布和形态；在材料科学领域中，可以用于观察金属、陶瓷、高分子等 材料的表面和断口形貌等。
contents
目录
• 结构化学简介 • 原子结构与性质 • 分子的电子结构与性质 • 晶体结构与性质 • 结构化学实验结构化学的定义
总结词
结构化学是一门研究物质结构与 性质之间关系的科学。
详细描述
结构化学主要研究原子的排列方 式、电子分布和分子间的相互作 用，以揭示物质的基本性质和行 为。
晶体的电导率、热导率等性质取决于其内 部结构，不同晶体在这些方面表现出不同 的特性。
晶体的力学性质
晶体材料的应用
晶体的硬度、韧性等力学性质与其内部原 子排列密切相关，这些性质决定了晶体在 不同工程领域的应用价值。
晶体材料广泛应用于电子、光学、激光、 半导体等领域，如单晶硅、宝石等。了解 晶体的性质是实现这些应用的关键。
分子的选择性
分子的选择性是指分子在化学反应中对反应物的选择性和对产物的选择性。选择性强的分 子可以在特定条件下优先与某些反应物发生反应，产生特定的产物。
04
晶体结构与性质
晶体结构的基础知识
晶体定义与分类
晶体是由原子、分子或离子在空 间按一定规律重复排列形成的固 体物质。根据晶体内部原子、分 子或离子的排列方式，晶体可分 为七大晶系和14种空间点阵。
电子显微镜技术
• 总结词：分辨率和应用 • 电子显微镜技术是一种利用电子显微镜来观察样品的技术。相比光学显微镜，
电子显微镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数，因此可以观察更细微的结构 和组分。 • 电子显微镜技术的分辨率一般在0.1~0.2nm左右，远高于光学显微镜的分辨 率（约200nm）。因此，电子显微镜可以观察到更小的晶体结构、病毒、蛋 白质等细微结构。 • 电子显微镜技术的应用范围很广，例如在生物学领域中，可以用于观察细胞、 病毒、蛋白质等生物样品的结构和形态；在环境科学领域中，可以用于观察污 染物的分布和形态；在材料科学领域中，可以用于观察金属、陶瓷、高分子等 材料的表面和断口形貌等。
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1章讲义
2020/8/1
4
二 课程内容 对象 主要理论工具
章节
原子 量子力学
分子 点群理论 共价键理论
第一章 量子力学 第二章 原子结构
第三章 分子对称性 第四章 双原子分子 第五章 多原子分子
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对象 主要理论工具
章节
络合物 配位场理论 第六章 配位化合物
晶体 点阵结构理论 第七章 晶体结构 密堆积原理 第八章 晶体材料
献有发明了微积分，发现了万有引力定律和经典力学等等，被誉为人类历
史上最伟大，最有影响力的科学家。为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出
成就，“牛顿”后来成为衡量力的大小的物理单位。
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27
2. Maxwell电磁场理论
波函数描述运动状态：
单色平面波 (x,t) Acos(x t)
(λ为波长，ν为频率)
这些振子的能量只能取某些基本能量单位的 整数倍，基本能量单位和频率成正比——
h E n n h （n=1, 2, 3…）
Planck 常数：h=6.626× 10-34 J·s
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振子在吸收或者发射电磁波时，只能从某一个特 定状态过渡到另一个特定状态，
E(v,T
)dv
8v2k
维恩公式只适用于短波部分;
瑞利-金斯公式则只适用于长波部分,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。
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34
Planck 量子论
1900年12月14日，普朗克公布了他对黑体 辐射的研究成果。
提出假设：黑体辐射的是带电的谐振子。
结构化学
湖南大学结构化学讲义第一章
35
结构化学
1993 年，M. F. Crommie 等人用扫描隧道显微镜技术，把蒸发 到Cu（111）表面上的48 个Fe 原子排列成了半径为7.13nm 的 圆环形“量子栅栏（Quantum Corral）”。在量子栅栏内，受到 Fe 原子散射的电子波与入射的电子波发生干涉 而形成同心圆
36
结驻构波化学，直观地显示了电子的波动性。
结构化学 黑体辐射----经典的理论解
L. Rayleigh（瑞利）7 1911年Nobel物理奖
Rayleigh－Jeans方程
1900年6月，Rayleigh和Jeans从经典的电磁理论出发 推导出黑体辐射的数学表达式：
dEV
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(
)
d
8kT
1
4
d
近似地按简谐振动处理，可连续改变振动状态，发射
理 或吸收电磁波。 论 平衡时，空腔内形成驻波，驻波的个数与频率的平方 要 成正比。 点 驻波的振幅和能量可以连续地变化，每个驻波具有相
5
(2)黑体辐射实
high
Frequency,
low
黑体辐射实验的结论是：随 着温度升高，辐射总能量急 剧增加，最大强度蓝移。
黑体在热辐射达到平衡时，
结辐构射化能学量Er 随频率ν的变化曲线
6
(3) 基于经典物理理论的解
不少物理学家，如Wien（1864～1928，德）、 Rayleigh（1842～1919，英）和Jeans（1877～ 1946，英）试图用经典热力学和统计力学理论来解 释这种现象，从理论上推导出符合实验曲线的函数 表达式，但都不能得到满意的结果。
25
结构化学
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。
结构化学
1993 年，M. F. Crommie 等人用扫描隧道显微镜技术，把蒸发 到Cu（111）表面上的48 个Fe 原子排列成了半径为7.13nm 的 圆环形“量子栅栏（Quantum Corral）”。在量子栅栏内，受到 Fe 原子散射的电子波与入射的电子波发生干涉 而形成同心圆
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结驻构波化学，直观地显示了电子的波动性。
结构化学 黑体辐射----经典的理论解
L. Rayleigh（瑞利）7 1911年Nobel物理奖
Rayleigh－Jeans方程
1900年6月，Rayleigh和Jeans从经典的电磁理论出发 推导出黑体辐射的数学表达式：
dEV
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(
)
d
8kT
1
4
d
近似地按简谐振动处理，可连续改变振动状态，发射
理 或吸收电磁波。 论 平衡时，空腔内形成驻波，驻波的个数与频率的平方 要 成正比。 点 驻波的振幅和能量可以连续地变化，每个驻波具有相
5
(2)黑体辐射实
high
Frequency,
low
黑体辐射实验的结论是：随 着温度升高，辐射总能量急 剧增加，最大强度蓝移。
黑体在热辐射达到平衡时，
结辐构射化能学量Er 随频率ν的变化曲线
6
(3) 基于经典物理理论的解
不少物理学家，如Wien（1864～1928，德）、 Rayleigh（1842～1919，英）和Jeans（1877～ 1946，英）试图用经典热力学和统计力学理论来解 释这种现象，从理论上推导出符合实验曲线的函数 表达式，但都不能得到满意的结果。
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结构化学
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。
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。
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]第一章-量子力学基础详解
![[结构化学]第一章-量子力学基础详解](https://img.taocdn.com/s3/m/1233bc93192e45361066f5c3.png)
★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。
★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）。
=h，p＝h/
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 .[ 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=hν=hu/λ=h(1/2v)/λ=h(1/2v)/(h/mv)=p2/(2m)=(1/2)mv2 ,对于光： c=，E=pc=mc2
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。
★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。
★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）。
=h，p＝h/
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 .[ 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=hν=hu/λ=h(1/2v)/λ=h(1/2v)/(h/mv)=p2/(2m)=(1/2)mv2 ,对于光： c=，E=pc=mc2
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。
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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★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。
★光子具有一定的动量：p＝mc＝h/c＝h/ (c＝）
结构化学的主要内容
•微观粒子运动所遵循的量子力学规律 ·原子结构（原子中电子的分布和能级） ·分子结构（化学键的性质和分子的能量状态） ·晶体结构（晶胞中分子的堆积） ·结构与性能的关系（结构 决性定 能）
反映
结构化学的主要内容
在结构化学基础课中,结构就是指它们的 电子结构和几何结构。电子结构主要是指描 述电子运动规律的波函数，即原子轨道和分 子轨道，通过轨道相互作用了解化学键的本 质。几何结构主要是指分子或晶体中原子空 间布排的立体结构。一切化学现象都是原子 核和外围电子的重新排列和组合，即都与原 子、分子和晶体的电子结构和几何结构有关。
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。
结构化学的学习方法
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。
Einstein光子学说
1905年，Einstein在Planck能量量子化 的启发下，提出光子说：
结构化学基础
（第4版）
周公度 段连运编著
主讲：居学海 联系方式：xhju@ 15195767576
参考书: 1.周公度 段连运编著《结构化学基础》，第4版，北 京大学出版社，2008年
2.谢有畅 邵美成编《结构化学》，第二版，人 民教 育出版社，1983年 3.江元生编《结构化学》，第一版，高等教育出版社， 1997年
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。
★培养目标
用微观结构的观点和方法分析、解决化学问题
★学习方法
♥把握重点（原理、概念、方法） ♥重视实验方法（衍射法、光谱法、磁共振法）
♥结构与性能间的关系
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
7 学时
原子的结构和性质
7
共价键和双原子分子的结构和性质 7分子Fra bibliotek对称性6
多原子分子的化学键
7
配位化合物的结构和性质
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次级键和超分子结构化学
4
分子轨道法及其在结构化学中的应用 2
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
结构化学的研究范围
♥ 原子、分子和晶体的微观结构 ♥ 原子和分子的运动规律 ♥ 物质的结构与性能间的关系
结构化学是研究原子、分子、凝聚态的微观结构， 运动规律，物质结构与性能关系的科学.
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.
量子力学基础知识
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
• 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。
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。
• h称为Planck常数: h＝6.626×10－34J•S
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：
E
8h 3 c3
eh / kt 1 1
➢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。
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.
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。
●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；
Ek
光
电子
金属
●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；
●光电子动能随照射光频率的 增加而增加。
0
0
光电子动能与照射光频率的关系
2. 光电效应与光的波粒二象性
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。
1. 黑体辐射与能量量子化
能量
Wien（维恩）曲线
Rayleigh-Jeans（瑞利－金 斯）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
M.Planck
• 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）。
★光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密 度）。
Einstein光子学说
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）
Einstein光子学说
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，
★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。
★光子具有一定的动量：p＝mc＝h/c＝h/ (c＝）
结构化学的主要内容
•微观粒子运动所遵循的量子力学规律 ·原子结构（原子中电子的分布和能级） ·分子结构（化学键的性质和分子的能量状态） ·晶体结构（晶胞中分子的堆积） ·结构与性能的关系（结构 决性定 能）
反映
结构化学的主要内容
在结构化学基础课中,结构就是指它们的 电子结构和几何结构。电子结构主要是指描 述电子运动规律的波函数，即原子轨道和分 子轨道，通过轨道相互作用了解化学键的本 质。几何结构主要是指分子或晶体中原子空 间布排的立体结构。一切化学现象都是原子 核和外围电子的重新排列和组合，即都与原 子、分子和晶体的电子结构和几何结构有关。
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。
结构化学的学习方法
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。
Einstein光子学说
1905年，Einstein在Planck能量量子化 的启发下，提出光子说：
结构化学基础
（第4版）
周公度 段连运编著
主讲：居学海 联系方式：xhju@ 15195767576
参考书: 1.周公度 段连运编著《结构化学基础》，第4版，北 京大学出版社，2008年
2.谢有畅 邵美成编《结构化学》，第二版，人 民教 育出版社，1983年 3.江元生编《结构化学》，第一版，高等教育出版社， 1997年
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。
★培养目标
用微观结构的观点和方法分析、解决化学问题
★学习方法
♥把握重点（原理、概念、方法） ♥重视实验方法（衍射法、光谱法、磁共振法）
♥结构与性能间的关系
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
7 学时
原子的结构和性质
7
共价键和双原子分子的结构和性质 7分子Fra bibliotek对称性6
多原子分子的化学键
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配位化合物的结构和性质
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次级键和超分子结构化学
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分子轨道法及其在结构化学中的应用 2
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
结构化学的研究范围
♥ 原子、分子和晶体的微观结构 ♥ 原子和分子的运动规律 ♥ 物质的结构与性能间的关系
结构化学是研究原子、分子、凝聚态的微观结构， 运动规律，物质结构与性能关系的科学.
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.
量子力学基础知识
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
• 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。
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。
• h称为Planck常数: h＝6.626×10－34J•S
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：
E
8h 3 c3
eh / kt 1 1
➢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。
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.
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。
●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；
Ek
光
电子
金属
●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；
●光电子动能随照射光频率的 增加而增加。
0
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光电子动能与照射光频率的关系
2. 光电效应与光的波粒二象性
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。
1. 黑体辐射与能量量子化
能量
Wien（维恩）曲线
Rayleigh-Jeans（瑞利－金 斯）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
M.Planck
• 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）。
★光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密 度）。
Einstein光子学说
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）
Einstein光子学说
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，