结构化学课件第一章剖析

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@njust.edu.cn 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
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
★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，
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
★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
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。
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
★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＝）
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
分子的对称性
6
多原子分子的化学键
7
配位化合物的结构和性质
4
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
• 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）。
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：
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。