結(jié)構(gòu)和物性

1、結(jié)構(gòu)和物性,授課學(xué)時(shí)：51 學(xué)分：3教 材：周公度 段連運(yùn)編著《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》，第4版，北京大學(xué)出版社，2008年參考書：1.謝有暢 邵美成編《結(jié)構(gòu)化學(xué)》，第二版，人 民教育出版社，1983年 2.江元生編《結(jié)構(gòu)化學(xué)》，第一版，高等教育出版社，1997年,緒 言,結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究范圍結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷程結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法,結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究范圍,?

2、 原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu),? 原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,? 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系,結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要內(nèi)容,·原子結(jié)構(gòu)（原子中電子的分布和能級(jí)）,·分子結(jié)構(gòu)（化學(xué)鍵的性質(zhì)和分子的能量狀態(tài)）,·晶體結(jié)構(gòu)（晶胞中分子的堆垛）,·實(shí)驗(yàn)方法（IR、NMR、UPS、XPS、XRD）,·結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系（結(jié)構(gòu) 性能）,微觀粒子運(yùn)動(dòng)所遵循的量子力學(xué)規(guī)律,結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷程,▲利用現(xiàn)代

3、技術(shù)不斷武裝自己,采用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、單晶衍射、多晶衍射、原子光譜、 分子光譜、核磁共振等現(xiàn)代手段，積累了大量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為歸納總結(jié)結(jié)構(gòu)化學(xué)的規(guī)律和原理作基礎(chǔ)；,▲運(yùn)用規(guī)律和理論指導(dǎo)化學(xué)實(shí)踐,將結(jié)構(gòu)和性能聯(lián)系起來，用以設(shè)計(jì)合成路線、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、開拓產(chǎn)品用途。,結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法,★培養(yǎng)目標(biāo),用微觀結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)和方法分析、解決化學(xué)問題,★學(xué)習(xí)方法,?把握重點(diǎn)（原理、概念、方法）,?重視實(shí)驗(yàn)方法（衍射法、光譜法、磁共振法)）,?結(jié)構(gòu)與性能間

4、的關(guān)系,第一章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),1.1 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征☆ 經(jīng)典物理學(xué)遇到了難題 19世紀(jì)末，物理學(xué)理論（經(jīng)典物理學(xué)）已相當(dāng)完善：◆Newton力學(xué)◆Maxwell電磁場理論◆Gibbs熱力學(xué)◆Boltzmann統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 上述理論可解釋當(dāng)時(shí)常見物理現(xiàn)象，但也發(fā)現(xiàn)了解釋不了的新現(xiàn)象。,黑體：能全部吸收外來電磁波的物體。黑色物體或開一小孔的空心金屬球近似于黑體。黑體輻射：加熱時(shí)，黑體能輻射出

5、各種波長電磁波的現(xiàn)象。,★經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)間的矛盾： 經(jīng)典電磁理論假定，黑體輻射是由黑體中帶電粒子的振動(dòng)發(fā)出的，按經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論，計(jì)算所得的黑體輻射能量隨波長變化的分布曲線，與實(shí)驗(yàn)所得曲線明顯不符。,按經(jīng)典理論： Rayleigh-Jeans把分子物理學(xué)中能量按自由度均分原則用到電磁輻射上，按其公式計(jì)算所得結(jié)果在長波處比較接近實(shí)驗(yàn)曲線。 Wien假定輻射波長的分布與Maxwell分子速

6、度分布類似，計(jì)算結(jié)果在短波處與實(shí)驗(yàn)較接近。,1.1.1 黑體輻射與能量量子化,Planck能量量子化假設(shè),1900年，Planck（普朗克）假定，黑體中原子或分子輻射能量時(shí)作簡諧振動(dòng)，只能發(fā)射或吸收頻率為?,能量為??h?的整數(shù)倍的電磁能，即振動(dòng)頻率為?的振子，發(fā)射的能量只能是0h?，1h?，2h?，……，nh?（n為整數(shù)）。h稱為Planck常數(shù)，h＝6.626×10－34J?S按Planck假定，算出的輻射能E?與實(shí)驗(yàn)

7、觀測到的黑體輻射能非常吻合：,●能量量子化：黑體只能輻射頻率為?，數(shù)值 為h?的整數(shù)倍的不連續(xù)的能量。,1.1.2 光電效應(yīng)與光的波粒二象性,光電效應(yīng)：光照射在金屬表面，使金屬發(fā)射出電子的現(xiàn)象。,1900年前后，許多實(shí)驗(yàn)已證實(shí)：●照射光頻率須超過某個(gè)最小頻率?0，金 屬才能發(fā)射出光電子；●增加照射光強(qiáng)度，不能增加光電子的動(dòng)能，只能使光電子的數(shù)目增加；●光電子動(dòng)能隨照射光頻率的增加而增加。,經(jīng)典理論不能解釋光電

8、效應(yīng)： 經(jīng)典理論認(rèn)為，光波的能量與其強(qiáng)度成正比，而與頻率無關(guān)；只要光強(qiáng)足夠，任何頻率的光都應(yīng)產(chǎn)生光電效應(yīng)；光電子的動(dòng)能隨光強(qiáng)增加而增加，與光的頻率無關(guān)。這些推論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)正好相反。,Einstein光子學(xué)說,1905年，Einstein在Planck能量量子化的啟發(fā)下，提出光子說：★光是一束光子流，每一種頻率的光其能量都有一個(gè)最小單位，稱為光子，光子的能量與其頻率成正比：??h?★光子不但有能量，還有質(zhì)量（m），但光

9、子的靜止質(zhì)量為零。根據(jù)相對論的質(zhì)能聯(lián)系定律?＝mc2，光子的質(zhì)量為：m＝h?/c2，不同頻率的光子具有不同的質(zhì)量?！锕庾泳哂幸欢ǖ膭?dòng)量：p＝mc＝h?/c＝h/? (c＝??）★光的強(qiáng)度取決于單位體積內(nèi)光子的數(shù)目（光子密度）。,產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)的能量守恒：h?＝w＋Ek＝h?0+mv2/2 （脫出功：電子逸出金屬所需的最低能量，w＝h?0）用Einstein光子說，可圓滿解釋光電效應(yīng)：

10、○當(dāng)h??w時(shí)，???0，光子沒有足夠能量使電子逸出金屬，不發(fā)生光電效應(yīng)；○當(dāng)h?＝w時(shí)，?＝?0，這時(shí)的頻率就是產(chǎn)生光電效應(yīng)的臨閾頻率（ ?0 ）；○當(dāng)h??w時(shí)，???0，逸出金屬的電子具有一定動(dòng)能，Ek＝h?－h(huán)?0，動(dòng)能與頻 率呈直線關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。,光的波粒二象性,只有把光看成是由光子組成的光束，才能理解光電效應(yīng)；而只有把光看成波，才能解釋衍射和干涉現(xiàn)象。即，光表現(xiàn)出波粒二象性。波動(dòng)模型是連續(xù)的，光子模型是量子化的，波

11、和粒表面上看是互不相容的，卻通過Planck常數(shù)，將代表波性的概念?和?與代表粒性的概念?和p聯(lián)系在了一起，將光的波粒二象性統(tǒng)一起來：,?=h?，p＝h/?,1.1.3 實(shí)物微粒的波粒二象性,de Broglie(德布羅意）假設(shè)：1924年，de Broglie受光的波粒二象性啟發(fā)，提出實(shí)物微粒（靜止質(zhì)量不為零的粒子，如電子、質(zhì)子、原子、分子等）也有波粒二象性。認(rèn)為?=h?，p＝h/? 也適用于實(shí)物微粒，即，以p＝mv的動(dòng)量運(yùn)動(dòng)的實(shí)物

12、微粒，伴隨有波長為 ?＝h/p＝h/mv 的波。此即de Broglie關(guān)系式。de Broglie波與光波不同：光波的傳播速度和光子的運(yùn)動(dòng)速度相等；de Broglie波的傳播速度（u）只有實(shí)物粒子運(yùn)動(dòng)速度的一半：v＝2u。對于實(shí)物微粒：u＝??，E＝p2/(2m)＝(1/2)mv2 ,對于光：c＝??，E＝pc＝mc2微觀粒子運(yùn)動(dòng)速度快，自身尺度小，其波性不能忽略；宏觀粒子運(yùn)動(dòng)速度慢，自身尺度大，其波性可以忽略：以1.0?10

13、6m/s的速度運(yùn)動(dòng)的電子，其de Broglie波長為7.3?10－10m（0.73nm），與分子大小相當(dāng)；質(zhì)量為1g的宏觀粒子以 1?10－2m/s 的速度運(yùn)動(dòng)，de Broglie 波長為7 ?10－29m，與宏觀粒子的大小相比可忽略，觀察不到波動(dòng)效應(yīng)。1927年，Davisson和Germer用鎳單晶電子衍射、Thomson用多晶金屬箔電子衍射，分別得到了與X-射線衍射相同的斑點(diǎn)和同心圓，證實(shí)電子確有波性。后來證實(shí)：中子、質(zhì)子、

14、原子等實(shí)物微粒都有波性。,實(shí)物微粒也有波粒二象性,電子衍射示意圖 CsI箔電子衍射圖,■實(shí)物微粒波的物理意義——Born的統(tǒng)計(jì)解釋,Born認(rèn)為，實(shí)物微粒波是幾率波：在空間任一點(diǎn)上，波的強(qiáng)度和粒子出現(xiàn)的幾率成正比。用較強(qiáng)的電子流可在短時(shí)間內(nèi)得到電子衍射照片；但用很弱的電子流，讓電子先后一個(gè)一個(gè)地到達(dá)底片，只要時(shí)間足夠長，也能得到同樣的電子衍射照片。電子衍射不

15、是電子間相互作用的結(jié)果，而是電子本身運(yùn)動(dòng)所固有的規(guī)律性。實(shí)物微粒的波性是和微粒行為的統(tǒng)計(jì)性聯(lián)系在一起的，沒有象機(jī)械波（介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)）那樣直接的物理意義，實(shí)物微粒波的強(qiáng)度反映粒子出現(xiàn)幾率的大小。對實(shí)物微粒粒性的理解也要區(qū)別于服從Newton力學(xué)的粒子，實(shí)物微粒的運(yùn)動(dòng)沒有可預(yù)測的軌跡。一個(gè)粒子不能形成一個(gè)波，但從大量粒子的衍射圖像可揭示出粒子運(yùn)動(dòng)的波性和這種波的統(tǒng)計(jì)性。原子和分子中電子的運(yùn)動(dòng)可用波函數(shù)描述，而電子出現(xiàn)的幾率密度可用

16、電子云描述。,1.1.4 Heisenberg測不準(zhǔn)原理,測不準(zhǔn)原理：一個(gè)粒子不能同時(shí)具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量。測不準(zhǔn)原理是由微觀粒子本身特性決定的物理量間相互關(guān)系的原理。反映的是物質(zhì)的波性，并非儀器精度不夠。,☆測不準(zhǔn)關(guān)系式的導(dǎo)出： OP－AP＝OC＝?/2狹縫到底片的距離比狹縫的寬度大得多當(dāng)CP＝AP時(shí)，∠PAC,∠PCA,∠ACO均接近90°，sin?＝OC/AO=?/D D越?。ㄗ鴺?biāo)確定得越準(zhǔn)確）

17、，?越大，電子經(jīng)狹縫后運(yùn)動(dòng)方向分散得越厲害（動(dòng)量的不確定程度越大）。落到P點(diǎn)的電子，在狹縫處其px＝psin?，即△px△px＝ psin?＝p?/D=h/D，而△x＝D所以 △x△px＝h，考慮二級(jí)以上衍射，,△x△px≥h,●測不準(zhǔn)關(guān)系是經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)適用范圍的判據(jù)例如，0.01kg的子彈，v＝1000m/s，若△v＝ v1%，則，△x＝h /（m△v）＝6.6?10－33m，完全可忽略，宏觀物體其動(dòng)量和位置可同時(shí)確定；

18、但對于相同速度和速度不確定程度的電子，△x＝h /（m△v）＝7.27?10－5m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原子中電子離核的距離。,●測不準(zhǔn)關(guān)系是微觀粒子波粒二象性的客觀反映，是對微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)的深化。它限制了經(jīng)典力學(xué)適用的范圍。,●微觀粒子和宏觀粒子的特征比較：▲宏觀物體同時(shí)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量，可用Newton力學(xué)描述；而微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)確定，需用量子力學(xué)描述?！暧^物體有連續(xù)可測的運(yùn)動(dòng)軌道，可追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡加以分辨；微