物质结构与性能

y p y h
4
位置确定，则动量不确定
动量确定，则位置不就确定
z p z h
4
量子力学基础
量子力学的基本假设
假设Ⅰ——状态波函数与几率 假设Ⅱ——力学量与算符 假设Ⅲ——薛定谔方程 假设Ⅳ——态叠加原理 假设Ⅴ——Pauli不相容原理
—— 原子结构与分子结构
量子力学基础
量子力学基础
测不准关系
在经典物理学：宏观物体的状态，可用坐标和动量来描 述。 微观粒子的运动：波粒二象性，用坐标和动量来描述微 观物体的运动，会带来不准确性，1927年海森泊提出了 不确定关系式。
x p x h
4
△x、△y、△z：坐标的不确定量 △px、△py、△pz：动量的不确定量
四、物质结构与性能关系的研究即物质微观结构 与宏观性能关系的研究
微观结构：原子、分子水平的信息
——量子化学计算获得、结构化学知识解析、 现代检测手段（XRD-单晶/小角、AFM、TEM、 能谱-XPS、 波谱-IR/UV/Raman等） 宏观性能：电、光、磁、化学反应、催化性能等 —— 实验事实、现代检测结果
开壳层则包括大多数中性原子，如H、Na、Mg、C、 F等。
闭壳层原子(或离子)与开壳层原子之间相互作用很不
原子间相互作用大致可分为以下几类：
(1)两个闭壳层的中性原子，例如 He-He，它们之间是van der Waals(范德华)引力作用。
(2)两个开壳层的中性原子，例如H-H，它们之间靠共用电 子对结合称为“共价键”。
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1、多学科交叉与新理论、新概念、新技术移植。
2、宏观研究与微观研究相结合。
通过研究化学 /化工 /有色金属冶金 /材料制备 关键过程中热力学和动力学规律，建立过程 的宏观模型（ c,p,V,m,… ）；同时采用微观测 试手段（ ATM 、 XPS 、 TEM 、 STM ），结合 结构化学理论与量子化学计算方法、谱学 （IR、Raman）方法等，从微观上研究作用过 程中的分子行为、能态特征、结构与性能关 系，研究过程作用机制并建立进行预测、优 化和强化的理论基础。
第一章 结构化学与量子化学基本知识
第一节 结构化学基本知识
什么是结构化学？
结构化学是一门在原子、分子水平上讨论物 质微观结构的课程。它以量子化学理论与计算 为基础，结合化学体系的实验事实，来讨论原 子、分子的化学键理论。 结构化学的基础是量子力学，研究的是微观粒 子的运动规律，因为微观粒子的运动规律缺乏 基础（实验）。
2
ˆ V V
E T V
2 ˆ ˆ E V H 2 2 2 2m x y z ——Hamilton算符
量子力学基础
力学量与线性自共轭（Hermite）算符： 若一个力学量的算符作用于一个波函数等于一 个常数乘以ψ，即
ˆ a A
量子力学基础
Pauli不相容原理：
在同一原子轨道或分子轨道上，至多只能 容纳两个电子，这两个电子的自旋状态必
须相反。或者说两个自旋相同的电子不能 占据相同的轨道。
分子结构基本知识
两个原子相互靠近，它们之间存在什么样 的作用力，怎样才能形成稳定的分子结构？ 这是化学键理论讨论的主要问题。两个原 子相距较长距离时，它们倾向于相互吸引， 而在短距离内它们会互相排斥。 实验事实：某一对原子间相互吸引力很弱， 而另一对原子间吸引力强到足以形成稳定 分子。 为什么?
原子间相互作用力------分子形成
原子是由带电粒子组成的，原子间相互作用 力大多是静电相互作用，作用力大小主要取决于 两个方面，一是原子的带电状态(中性原子或离子)， 二是原子的电子结构，按原子最外价电子层全满 状态(闭壳层)或未满状态(开壳层)来分类。
闭壳层包括中性原子，如稀有气体He、Ne、Kr……， 及具有稀有气体闭壳层结构的离子如Li+、Na+、Mg2+、F-、 Cl-等。
E2 E1 h
（E不连续，υ不连续，λ不连续 谱）
线性光
量子力学基础
微观粒子的波粒二象性 光的波粒二象性：
粒子说（牛顿）光是粒子——光子
波动说（惠更斯）光是电磁波
1905年爱因斯坦：光有波粒二象性
E h
ph

通过普郎克常数联系波动性与粒子性
量子力学基础
微观粒子的波粒二象性 实物粒子的波粒二象性：
物质结构与性能
现代科学研究的方法与思路
结构与性能关系研究的方法与思路
引言
一、科学研究类别
1. 应用研究
2. 基础研究
3.应用基础研究
引言
二、现代（应用）基础理论研究方法的特点
——化学、应化、材料、冶金、矿物、化工
综合运用化学、物理学、冶金学、材料科学、矿物加 工工程学、生物学、膜科学、环境工程学和数学等各 学科的研究方法与非平衡热力学理论、非线性动力学 理论、分形理论、场论、原子经济过程原则、分子自 组装及计算机技术等现代研究方法，同时配合波谱、 电化学阻抗谱、分子探针、原子力显微镜、激光全息 在线摄影、过程弛豫等现代技术。
开方算符
dx2 2x dx
9x 2 3x
量子力学基础
力学量与线性自共轭（Hermite）算符：
动能算符
2 2 2 2 2 ˆ T 2m x 2 y 2 z 2 2m 2
2 ——Laplace拉普拉斯算符
势能算符 总能量算符
3）正交归一性： *d 1 i j d 0 4）描述化学体系中的微观粒子─电子的状态 波函数，即原子轨道，分子轨道 。
量子力学基础
力学量与线性自共轭（Hermite）算符： 对于微观体系的每一个可观察的物理量，有 一个对应的线性自共轭算符。
算符：使一个函数变成另一个函数的运算符号 （数学符号）。 微分算符
1924年法国24岁德布罗依提出了实物粒子具有波粒二象性 的假说，这种波叫物质波，即德布罗依波。
认为任何运动着的物体，大至行星，小至电子都有波动性， 对于质量为 m ，速度为 v 的物体，其动量与波长的关系式 为 h ph m v h为定值，λ是否突出，取决于m和v。
1927年戴维逊 -革末的电子衍射实验证实了电子波性的存 在。
五、结构与性能关系研究是结构化学重要任务的 拓展 结构化学本身
物质及其 性能……
化学键
原子
分子
相互吸引、 相互排斥 次序、方式
物质中独立地、 相对稳定地存在 并保持其特性的 最小颗粒 化学反应的基本 单元 性质由其结构决 定
原子
分子
物质及其 性能……
六、结构与性能关系研究是现代科学研究的重要 方法
化学键理论简介
分子轨道理论(Molecular Orbital)、价键理论(Valence Bond)和密度泛函理论(Density Functional Theory)。
●分子轨道理论：
从20世纪30年代初，由Hund，Mulliken，LennardJones开创，Slater，Hü ckel，Pople发展至今。该方法 的分子轨道具有较普通的数学形式，较易程序化。上世 纪六十年代以来，随着计算机的发展，该方法得到了很 大的发展。如Pople等研制的Gaussian从头算程序, 已成
揭示不同过程宏观表象的微观本质
选矿、冶金、材料、化学、化工、医药…
科学研究的特点
第一章 结构化学与量子化学基本知识
第一节 结构化学基本知识
什么是结构化学？ 选矿、冶金、材料、化学、化工、医药… 设计新流程、新工艺、新材料… 化学热力学—解决反应的方向和限度问题 化学动力学—解决反应速率与机理 … Why? … 结构化学 —— 解决反应的本质问题（微观，定 量）
1918年获诺贝尔奖 1932年获诺贝尔奖 1933年获诺贝尔奖
1929年 狄拉克 27岁 相对论量子力学 1933年获诺贝尔奖
量子力学基础
经典物理学：牛顿力学、电学、磁学、电磁学、 电动力学、光学和热力学等学科 ——在19世纪比较成熟，19世纪末建立了完整的 体系，可以解释所有宏观物理现象 宏观体系与微观体系的区别： 宏观体系：物理量的变化连续 微观体系：物理量的变化量子化、不连续 （黑体辐射、光电效应、原子光谱、波粒 二象性、测不准关系、）
微观粒子的力学量 A对于ψ所描述的状态就有确 定值a。
a称为力学量算符的本征值。 Ψ称为力学量算符的本征函数，该方程为本征方 程。
量子力学基础
薛定谔方程： 能量算符 作用在某个状态波函数 上，等 于某个常数E 乘以状态波函数 ，即
2 2 2m V E
通过实验现象及实验数据的观察与测量， 设计合理的能反映实际过程的模型，进行计 算机模拟及优化，达到实验研究方法与模型 研究方法的统一。
发展趋势：
宏观 微观
体相 界面
线性 非线性
平衡 非平衡
三、理论知识是重要基础，实验与现代检测是重 要手段 (特别是化学学科)
物质结构与性能关系： 结构化学和量子化学知识是重要基础，实验与 现代测试是重要手段
物质结构与性能
参考书：
1. 杨频，高孝恢编著，性能-结构-化学键，高等教育出版 社，1987
2. 陈启元编著，有色金属基础理论研究——新方法与新进 展 ，科学出版社，2005
教育：知识教育与素质教育 知识教育 本科：学习新知识及学习新知识方法 硕士研究生：科学研究思路与科学研究方法 博士研究生：进行科学研究（高水平）
2 2 2 2 2 2 E V 2 2m x y z
通过薛定谔方程可以求得波函数，Ψ是不含t的Ψ，即 定态波函数，是能量算符的本征函数，本征值就是能量。
量子力学基础
态迭加原理 ： 若1， 2， 3… n 为某一微观体系的可能状 态，由它们线性组合所得的 也是该体系可 能存在的状态。——不同的原子轨道组成杂 化轨道
宏观规律的微观本质
3、体相研究与界面研究相结合。
综合研究多元复杂体系结构及组元行为、化 学反应 , 研究化学 / 化工 / 有色金属冶金 / 材料制 备关键过程中体相热力学和动力学规律；研 究物质提取与材料制备过程界面行为，以期 获得化学 /化工 /有色金属冶金 /材料制备等过 程新相形成、结构演变及其调控理论，揭示 物质提取的过程科学与理论。
4 、平衡 / 线性研究与非平衡 / 非线性研究相结 合。 以非平衡耗散理论的观点研究界面耗散结构 与自组织行为；描述不规则（分维或分形） 相界面的动力学行为；研究化学 /化工/有色金 属冶金 / 材料制备等过程中相界面作用的非平 衡热力学和非线性动力学规律。
5、实验观察、测量与模型研究相结合。
状态波函数与几率：为了描述微观体系的运动状态
和在空间出现的几率，可用一状态波函数来表示。 是体系包含的所有微粒的坐标（q1，q2，q3，…t） 和 时间 t的函数，即状态函数随坐标与时间两个变量变化：
= （q1，q2，q3，…t）
：1）单值、连续、平方可积；
2）几率密度* 与几率 * d；
量子力学基础
3个重要实验 黑体辐射：辐射强度与温度、入射光波长的关系 光电效应：逸出电子的动能与光强无关，但依赖 于光的频率 氢原子光谱：线状光谱
量子力学基础
氢原子光谱： 1913年丹麦28岁的波尔提出了学说解释，1922年 获得诺贝尔奖。基本要点：
（ 1 ）电子于核外只能在某些特定的轨道上运动， 不吸放能量，能量不会降低，电子不会掉在核上。 (2)只有在不同的轨道间跃迁时才吸放能量，
(3)一个闭壳层的正离子与一个闭壳层的负离子，例如 Na+-Cl-，它们之间是静电相互作用，称之为“离子键”。 (4)一个开壳层离子(一般是正离子)与多个闭壳层离子(或 分子)，例如过渡金属配合物Mn+(X-)m,它们之间形成配位 键（属共价键范围）。 (5)许多金属原子聚集在一起，最外层价电子脱离核的束 缚，在整个金属固体内运动——金属键。
结构化学的基本内容：
●量子力学基础 ●原子结构
●分子结构
●晶体结构 ● 金属和合金结构、 离子化合物……
量子力学基础
量子力学产生：1900年普朗克提出量子论（1900年，普朗克45岁， 量子化效应，提出能量不连续的观点）
1927年布鲁塞尔科学会
1900年 普朗克 45岁 量子化效应 1927年 海森堡 26岁 矩阵力学 薛定谔 40岁 波动力学