江苏师范大学结构化学课件第一章 量子力学基础资料

2、归纳法：
即凭借物理测试手段，通过对物质的性质的测定来了解物质 内部原子排布及其中电子运动状态等，然后再把这些数据总结成规 律。
三、主要参考书
1、王荣顺等，结构化学，高等教育出版社（2003） 2、周公度,段连运,结构化学基础(第三版), 高等教育出
版社(1998) 3、潘道皑,赵大成,郑载兴,物质结构(第二版),高等教育
1905年, Einstein提出光量子(光子)学说, 解释了光电效应.
（1）光是一束光子流，每一种频率的光的能 量都有一个最小单位称为光子，光子的能量与光子
的
①
频
率
成
0
h正
比
即
：
（2）光子不但有能量，还有质量（m），但光子的静止质量为零。按相对
论质能联系定律：
0 mc 2
光子的质量为：
m
在十九世纪末，人们利用传统的经典物理学对几个问题始终不能给予
解释, 这其中包括著名的黑体辐射、 光电效应、氢原子光谱和原子 结构等问题.
（一） 黑体辐射与能量量子化
1.黑体辐射：黑体是一种能全部吸收照射到它上面的各种波长辐射的物
体。它能发射出各种电磁波。实验上以E(,T)代表在某一温度下黑体在单位时
绪论
一、研究内容
研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子、 分子和电子的运动规律，研究物质的结构和性能之 间的关系。
二、研究方法
1、演绎法：
即从量子力学规律出发，通过逻辑思维和数学方法处理，推断 原子的性质和电子结构的关系，进一步研究两个或多个原子又是如 何组成分子或晶体的，由此探讨化学键的本质。
0
c2
h
c2
h
c
②。
（3）光子具有一定的动量(p)：
h h ③
p mc
c
（4）光子的强度取决于单位体积内光子的数目即光子密度ρ：
I h
（5）光子与电子碰撞时服从能量守恒和动量守恒定律。
h
w Ek
h
0
1 2
mv
2
④ w：逸出功或脱出功
光的波粒二象性，其关系式为：
E h
p h
（三）氢原子光谱与玻尔的氢原子模型
牛 顿 的 经 典 力 学 ， 麦 克 斯 威 （ Maxwell) 的 电 磁 场 理 论 ， 吉 布 斯 （Gibbs)的热力学和玻尔兹曼(Boltzmann)的统计物理学等，能很成功地解
释常见的许多运动、电、磁、光、热等现象。这些理论统称为经典物理 学理论。但将经典物理学理论推广到高速运动和小线度范围时， 结果却失败了。这是因为微观物体与宏观物体所遵循的运动规 律是不同的。
1913年, Bohr提出一个新模型:
（1）原子存在于一些具有分立能值的稳定状态，称为定态。 （基态，激发态）,定态中的原子不辐射能量。对于各定态，其 电子轨道运动的角动量|M|
M mvr n h n(n 1,2,3) 玻尔量子化规则
2
（2）只有电子从一定态跃迁到另一定态时才发射或吸收辐射。
人们对原子结构的认识? 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:
光电效应的实验现象：
（1）入射光频率 ν0（临阈频率）；不同金属ν0值不同；
（2）随着光强I的增加，发射的光电子数ne也增加，但光电子 的动能Ek不变。 （3）增加光的频率 ，光电子的动能Ek也随之增加。
光电子的动能显然来自光能。 按照经典波动理论, 光能取 决于光强度即振幅平方,与频率无关. 显然, 经典波动理论完全 不能解释光电效应的实验事实。
间、单位表面积上辐射的能量密度，代表频率，作E(,T) ～的能量分布曲线
图，如下图所示。
随着
温度的升
高，总辐
射能量E
（即曲线
包罗的面
积）增大，
而且其辐
射频率的
黑体在不同温度下辐射的能量分布曲 线
极大值向 高频移动。
对黑体辐射能量密度与频率实验，经典物理学在解释时遭遇严重
困难：维恩公式（利用经典统计力学）只适用于短波部 分; 而由能量连续的经典力学出发导出的瑞利-金斯公式 则只适用于长波部分,它在短波部分引出了 “紫外灾难”，即
微观世界中状态量子化的另一证据是原子的线状光谱。
原子光谱：当原子被电火花、电弧、火焰或其他方法激发时， 能够发出一系列具有一定频率（或波长）的光谱线。
早在1884年，Balmer已将当时已知的可见区14条氢谱线总结成经验公式 （后被J.R.Rydberg表示成如下的波数形式）,并正确地推断该式可推广之(式 中n1、n2均为正整数):
出版社(1995) 4、谢有畅,邵美成, 结构化学, 人民教育出版社(1983) 5、江元生, 结构化学, 高等教育出版社(1997)
第一章 量子力学基础
Chapter 1. Introduction to Quantum Mechanics
§1.1 量子力学产生的背景
一、 经典物理学困难与旧量子论的诞生
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.
E(v,T
)dv
8v 2 k T
c3
dv
M.Planck
1900年，Planck假定：黑体中原子 或分子辐射能量时作简谐振动，这种作 简谐振动的原子或分子称为谐振子。它 只能发射或吸收频率为ν，能量数值为 ε0=hv的整数倍的电磁波，即ε=nhν
（n为包括0的正整数）。能量数值是不 连续的，称为能量量子化。
h 6.626068911034 J s
这些不同能量的谐振子出现的几率之比为：
1：e h / kT ：e 2hv / kT ：…e：nhv / kT 因此频率为ν的振子的振动
的平均能量为 h ，由此可得单位时间，单位表面积上辐
e h / kT 1
射的能量。公式计算值与实验结果非常吻合。
E
Βιβλιοθήκη Baidu
2h
5c3
e h
1
/ kT
1
普朗克的振子能量量子化的概念不仅成功地解释了黑体辐 射的能量曲线，而且第一次冲击了经典物理学对于微观领域 的束缚，开创了用量子论研究小限度的微观粒子的新时代。
（二） 光电效应与光子学说
经典物理无法解释的另一个现象就是光电效应。
光电效应：是光照射在金属样品表面上，使金属发 射出电子的现象。金属中的电子从光获得足够的能量 而逸出金属，称为光电子。