結(jié)構(gòu)化學(xué)-第1章講義課件

結(jié)構(gòu)化學(xué)(物質(zhì)結(jié)構(gòu))HΨ=EΨ2023/7/232網(wǎng)絡(luò)資源:教材：

《結(jié)構(gòu)化學(xué)》第二版,東北師范大學(xué)，華東師范大學(xué)，西北師范大學(xué)，高等教育出版社，2016。主要參考書：1.潘道皚，《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》，高等教育出版社，19872.周公度，《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》，北大出版社，19953.江元生，《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》，高等教育出版社，19994.李宗和，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》，高等教育出版社，20025.林夢海，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》，科學(xué)出版社，20046.李炳瑞，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》，高等教育出版社，20047.周公度，《結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)題解析》，北大出版社，19958.倪行，《物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》，科學(xué)出版社，19992023/7/233網(wǎng)絡(luò)資源:教學(xué)管理省級精品課程結(jié)構(gòu)化學(xué)精品課程2023/7/234網(wǎng)絡(luò)資源:

緒論

一基本內(nèi)容

結(jié)構(gòu)化學(xué)主要研究原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)(幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu))以及結(jié)構(gòu)和性質(zhì)間的相互關(guān)系。歸類于物理化學(xué)。“化學(xué)的規(guī)律是有的，那就是量子力學(xué)。所有化學(xué)現(xiàn)象都是原子核和外圍電子的重新排列組合。”

—李遠(yuǎn)哲

2023/7/235二發(fā)展?fàn)顩r標(biāo)志性成果:

國際:Fukui前線分子軌道理論

內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)法1.發(fā)展中的領(lǐng)域:不十分完善,有大量工作可做2.研究微觀領(lǐng)域:目的搞清化學(xué)鍵的本質(zhì)和反應(yīng),完成分子設(shè)計(jì)3.對實(shí)踐研究有指導(dǎo)作用:人工合成維生素B12,原子力顯微鏡Hoffmann,Woodward:分子軌道對成守恒原理2023/7/236FukuiKenichi(福井謙一，1918年10月4日-1998年1月9日)，日本理論化學(xué)家。生于曰本奈良縣,1948年獲京都大學(xué)博士學(xué)位，1951年擔(dān)任京都大學(xué)物理化學(xué)教授。因1951年提出的“前線軌道”理論，而在1981年獲得諾貝爾化學(xué)獎，是第一位獲得諾貝爾化學(xué)獎的日籍科學(xué)家。此后福井博士又獲得了美國科學(xué)院外籍院士、歐洲藝術(shù)科學(xué)文學(xué)院院士、日本政府文化勛章、英國皇家學(xué)會會員等殊榮。

作者以一名世界頂級科學(xué)家的身份用翔實(shí)、珍貴的資料和生動的文筆抒寫了對現(xiàn)行教育制度的深刻思考，對人才培養(yǎng)的建議，對未來世界和科學(xué)發(fā)展的預(yù)見，對青少年建立科學(xué)精神的殷切希望?？梢哉f，這是一本獻(xiàn)給青少年、教育人士和科研人員的兼具啟迪性、教育性和實(shí)用性的傳世之作。

2023/7/237RoaldHoffmann(R.霍夫曼,1937年7月18日出生于波蘭，美國物理學(xué)家和化學(xué)家。1958年哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)，1960年獲哈佛大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位，1962年獲哈佛大學(xué)化學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。1965年開始在康奈爾大學(xué)任教，1981年獲得諾貝爾化學(xué)獎，美國科學(xué)院院士。福井謙一使用的計(jì)算機(jī)2023/7/238李遠(yuǎn)哲:交叉分子束法:測定10-11秒壽命的分子，1986年獲諾貝爾物理獎WalterKohn:提出密度泛函理論JohnA.Pople:發(fā)展了化學(xué)中的計(jì)算方法1998年獲諾貝爾化學(xué)獎2023/7/239

WalterKohn(瓦爾特·科恩)，1923年生于奧地利維也納，1938年德國吞并奧地利,Kohn與他的姐妹逃離到英國,隨后來到加拿大。1945年Kohn在多倫多大學(xué)獲得數(shù)學(xué)與物理學(xué)學(xué)士學(xué)位,1946年獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)碩士學(xué)位。1948年Kohn在美國的哈佛大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1950年至1960年,Kohn在Carnegie-Mellon大學(xué)物理系任教授。后轉(zhuǎn)到加州大學(xué)SanDiego分校物理系任教,曾任該系系主任。1979年至今,Kohn一直在加州大學(xué)SantaBarbara分校工作,是該校理論物理研究所的創(chuàng)建人。Kohn教授是美國國家科學(xué)院和美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。2023/7/2310

JohnA．Pople(J.A.波普爾

)1925年生于英國,至今他仍然保留英國國籍。1951年在劍橋大學(xué)獲得數(shù)學(xué)博士學(xué)位。他的導(dǎo)師,JohnLennard-Jones是劍橋大學(xué)化學(xué)系理論化學(xué)的講座教授,當(dāng)時(shí)的Faraday學(xué)會主席。Pople教授曾經(jīng)在劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系任教,后轉(zhuǎn)入國家物理實(shí)驗(yàn)室工作,1964年移居美國,在Carnegie-Mellon大學(xué)任化學(xué)物理教授。從1993年起至今,Pople一直在西北大學(xué)化學(xué)系任教授。Pople教授是美國國家科學(xué)院和美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。2023/7/2311“量子化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為廣大化學(xué)家使用的工具，將化學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代，在這個(gè)新時(shí)代里，實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)?；瘜W(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了。”“90年代快結(jié)束的時(shí)候，我們看到，化學(xué)理論和計(jì)算的研究有了很大的進(jìn)展，其結(jié)果使整個(gè)化學(xué)正在經(jīng)歷著一場革命性的變化。”“這項(xiàng)突破被公認(rèn)為最近一二十年來化學(xué)學(xué)科中最重要的成果之一?！?/p>

2023/7/2312國內(nèi):唐敖慶(1915-2008):在中國建立了理論化學(xué)學(xué)科，被稱為中國量子化學(xué)之父徐光憲(1920-):榮膺2008年度國家最高科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎盧嘉錫(1915-2001):對中國原子簇化學(xué)的發(fā)展起了重要推動作用2023/7/2313

唐敖慶(191511.18-200807.15)，江蘇宜興人，理論化學(xué)家?教育家和科技組織領(lǐng)導(dǎo)者?他在組建理論化學(xué)隊(duì)伍和研究機(jī)構(gòu)中做出了業(yè)績?他是中國理論化學(xué)研究的開拓者,在配位場理論?分子軌道圖形理論?高分子反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論等領(lǐng)域取得了一系列杰出的研究成果,對中國理論化學(xué)學(xué)科的奠基和發(fā)展做出了貢獻(xiàn)?他還曾任國家自然科學(xué)基金委員會首屆主任,創(chuàng)建了中國的科學(xué)基金制度?2023/7/23141915年11月18日出生于江蘇省宜興縣?1936年8月考入北京大學(xué)化學(xué)系學(xué)習(xí)?1940年7月西南聯(lián)合大學(xué)化學(xué)系畢業(yè),留校任教?1949年11月畢業(yè)于美國哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系,獲博士學(xué)位?1950年1月回到祖國,任北京大學(xué)化學(xué)系副教授?教授?1952年9月調(diào)東北人民大學(xué)(吉林大學(xué)前身)任教授,與蔡鎦生等創(chuàng)建化學(xué)系?1955年6月當(dāng)選為中國科學(xué)院數(shù)學(xué)?物理?化學(xué)學(xué)部委員?1978年5月任吉林大學(xué)校長?黨委副書記?1981年8月當(dāng)選為國際量子分子科學(xué)研究院院士?1986年2月任國家自然科學(xué)基金委員會主任?吉林大學(xué)名譽(yù)校長?2023/7/2315唐敖慶8弟子：鄢國森曾經(jīng)擔(dān)任過四川大學(xué)校長江元生南京大學(xué)1991年成為科學(xué)院院士劉若莊北京師范大學(xué)1999年成為科學(xué)院院士戴樹珊云南大學(xué)張乾二廈門大學(xué)1991年成為科學(xué)院院士鄧從豪山東大學(xué)任山東大學(xué)校長，1993年成為科學(xué)院院士孫家鐘吉林大學(xué)1991年成為科學(xué)院院士古正四川大學(xué)2023/7/2316

徐光憲，1920年11月7日出生于浙江省紹興上虞市，曾就讀于著名的春暉中學(xué)，受到夏丏尊、朱自清、李叔同（弘一法師）等著名前輩的熏陶。1944年畢業(yè)于交通大學(xué)化學(xué)系。1946年任交通大學(xué)化學(xué)系助教。1947年赴美留學(xué)，1951年獲美國哥倫比亞大學(xué)物理化學(xué)博士學(xué)位，不久回國，到北京大學(xué)任教至今。1980年當(dāng)選為中國科學(xué)院學(xué)部委員（院士）。1991年被選為亞洲化學(xué)聯(lián)合會主席?，F(xiàn)任北京大學(xué)化學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師。歷任北京大學(xué)原子能系（后改為技術(shù)物理系）副主任、稀土化學(xué)研究中心主任，國家自然科學(xué)基金委員會化學(xué)科學(xué)部主任，中國化學(xué)學(xué)會理事長，中國稀土學(xué)會副理事長，全國人大代表，全國政協(xié)委員等職。2023/7/2317

盧嘉錫，1915年10月26日出生于福建省廈門市，祖籍臺灣省臺南市。物理化學(xué)家、化學(xué)教育家和科技組織領(lǐng)導(dǎo)者。1950年后歷任廈門大學(xué)理學(xué)院院長、研究部部長，福州大學(xué)副校長，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究說研究員、所長，還曾任中國科學(xué)院院長等職。第三、五屆全國人大代表；第六屆全國政治協(xié)商會議常委；中國農(nóng)工民主黨第九屆中央副主席；中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會常委；中國化學(xué)會副理事長、理事長。1993年3月當(dāng)選為第八屆全國人民代表大會常務(wù)委員會副委員長。對中國原子簇化學(xué)的發(fā)展起了重要推動作用。1955年，他被選為中國科學(xué)院化學(xué)學(xué)部委員，同年被高等教育部聘為一級教授，是我國當(dāng)時(shí)最年輕的學(xué)部委員和一級教授之一。2001年6月4日在福州病逝，終年86歲。2023/7/2318我院:趙成大教授化學(xué)反應(yīng)動力學(xué),統(tǒng)計(jì)理論王榮順教授有機(jī)導(dǎo)電材料,電池材料黃宗浩教授有機(jī)、聚合物光電材料蘇忠民教授有機(jī)功能材料,非線性光學(xué)材料多酸理論研究功能材料化學(xué)研究所:化學(xué)反應(yīng)動力學(xué),富勒烯材料,電池材料,有機(jī)光電材料,非線性光學(xué)、磁性材料2023/7/2319

趙成大，1927年8月生，1941年2月，考入偽滿吉林省立第四國民高等學(xué)校學(xué)習(xí)，1948年10月長春解放，加入到東北大學(xué)進(jìn)行政治學(xué)習(xí)，結(jié)業(yè)后被分配到自然科學(xué)學(xué)院化學(xué)系。1951年任助教；1956年晉升為講師；1978年越級晉升為教授。先后擔(dān)任化學(xué)系物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)教研室主任、化學(xué)系黨總支書記、化學(xué)系副系主任、系主任等職。趙成大教授為化學(xué)學(xué)院學(xué)科建設(shè)和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，是量子化學(xué)專業(yè)的奠基人。1952年，師從唐敖慶教授開始了量子化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究。1963年至1966年，參加了由吉林大學(xué)唐敖慶教授舉辦的物質(zhì)結(jié)構(gòu)研討班。1982年，趙成大同志應(yīng)邀到日本京都大學(xué)福井謙一研究室合作研究。1990年，到美國紐約州立大學(xué)Bufalo分校與喬治教授合作研究。2023/7/2320

王榮順教授，博士生導(dǎo)師。1957年7月畢業(yè)于東北師范大學(xué)化學(xué)系，留校任教至今。1964-1966年，在吉林大學(xué)化學(xué)系進(jìn)修；1989-1992年，曾三次分別在美國南伊里諾大學(xué)和紐約州立大學(xué)合作研究；1985-1998年，先后擔(dān)任東北師范大學(xué)教務(wù)長、副校長和校長;1993年被國務(wù)院學(xué)位委員會評為博士生導(dǎo)師，1998年12月至現(xiàn)在，任東北師范大學(xué)榮譽(yù)教授。

曾任中國化學(xué)會理事，教育部科技委學(xué)部委員，吉林省科學(xué)技術(shù)協(xié)會副主席，吉林省化學(xué)會理事長，吉林省專家協(xié)會副主席。現(xiàn)任教育部教師教育專家委員會副主任，吉林省高校設(shè)置評議委員會副主席，吉林省老科協(xié)副主席，《分子科學(xué)學(xué)報(bào)》第一副主編，《功能材料》雜志編委。2023/7/2321二課程內(nèi)容

對象主要理論工具章節(jié)原子量子力學(xué)第一章量子力學(xué)第二章原子結(jié)構(gòu)分子點(diǎn)群理論第三章分子對稱性

共價(jià)鍵理論第四章雙原子分子

第五章多原子分子2023/7/2322絡(luò)合物配位場理論第六章配位化合物

晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論第七章晶體結(jié)構(gòu)密堆積原理第八章晶體材料對象主要理論工具章節(jié)擴(kuò)展內(nèi)容第九章材料科學(xué)簡介

(自學(xué)為主)2023/7/2323三知識特點(diǎn)

微觀領(lǐng)域：與宏觀差別大，初學(xué)抽象，不易理解內(nèi)容集中系統(tǒng)，連續(xù)性強(qiáng)新概念多，抽象思維和邏輯推理多

數(shù)學(xué)、物理知識運(yùn)用較多2023/7/2324?反復(fù)理解新概念，多思考、多討論，基本概念、公式和理論模型要清楚。四學(xué)習(xí)方法?認(rèn)真聽講,課后及時(shí)復(fù)習(xí)，按時(shí)完成作業(yè);?適當(dāng)復(fù)習(xí)原有知識,講授中避開繁雜數(shù)學(xué)推導(dǎo),克服學(xué)習(xí)障礙;?

有問題及時(shí)解決,平時(shí)積極參加輔導(dǎo)答疑。2023/7/2325成績評定:平時(shí)成績(作業(yè),測查):20%期中成績:20%期末成績:60%2023/7/2326第一章

量子力學(xué)基礎(chǔ)2023/7/2327經(jīng)典物理學(xué)1．Newton力學(xué)

F=ma

有經(jīng)典軌道：能量可連續(xù)改變：E=T+V

英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家，其研究領(lǐng)域包括了物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)、神學(xué)、自然哲學(xué)和煉金術(shù)。牛頓的主要貢獻(xiàn)有發(fā)明了微積分，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律和經(jīng)典力學(xué)等等，被譽(yù)為人類歷史上最偉大，最有影響力的科學(xué)家。為了紀(jì)念牛頓在經(jīng)典力學(xué)方面的杰出成就，“牛頓”后來成為衡量力的大小的物理單位。

第一節(jié)

量子力學(xué)產(chǎn)生的背景艾薩克·牛頓(IsaacNewton,1642年~1727年)2023/7/23282.Maxwell電磁場理論單色平面波

(λ為波長，ν為頻率)

場強(qiáng)：I∝|Ψ|2

波函數(shù)描述運(yùn)動狀態(tài)：麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，1831～1879）英國物理學(xué)家，經(jīng)典電磁理論的奠基人。

2023/7/23293．Boltzman、Gibbs的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)玻耳茲曼(LudwigBoltzmann1844-1906）奧地利理論物理學(xué)家，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一，他提出的玻耳茲曼能量分布律是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)。吉布斯(GibbsJosiahWillard,1839~1903),美國物理化學(xué)家

2023/7/2330一、量子論

黑體輻射所研究的問題是黑體腔內(nèi)熱輻射能量密度ρ隨波長λ(或頻率)的變化規(guī)律。1.黑體輻射與普朗克的量子論

黑體是能夠100%吸收投射到它上面的電磁波的物體。2023/7/2331輻射能量與溫度的關(guān)系:斯忒蕃公式2023/7/2332維恩公式維恩(WilhelmWien,1864-1928),1911年諾貝爾物理學(xué)獎,以表彰他發(fā)現(xiàn)了熱輻射定律

維恩位移定律C1和C2是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，通過符合實(shí)驗(yàn)曲線來確定短波波段與實(shí)驗(yàn)符合得很好，但在長波波段與實(shí)驗(yàn)有明顯的偏離。2023/7/2333瑞利、金斯從能量連續(xù)的經(jīng)典力學(xué)出發(fā)，推導(dǎo)出黑體輻射平衡時(shí)在頻率范圍v—v+dv內(nèi)：在長波或高溫情況下，同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，但在短波范圍，能量密度則迅速地單調(diào)上升，同實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾。紫外災(zāi)難2023/7/2334

黑體輻射能量密度與波長的關(guān)系是19世紀(jì)末物理學(xué)家關(guān)心的重要問題之一。經(jīng)典物理學(xué)在此遭遇嚴(yán)重困難：維恩公式只適用于短波部分;

瑞利-金斯公式則只適用于長波部分,它在短波部分引出了“紫外災(zāi)變”，即波長變短時(shí)輻射的能量密度趨于無窮大,而不象實(shí)驗(yàn)結(jié)果那樣趨于零。2023/7/23351900年12月14日，普朗克公布了他對黑體輻射的研究成果。提出假設(shè)：黑體輻射的是帶電的諧振子。這些振子的能量只能取某些基本能量單位的整數(shù)倍，基本能量單位和頻率成正比——Planck量子論hPlanck常數(shù)：h=6.626×10-34J·s（n=1,2,3…）2023/7/2336振子在吸收或者發(fā)射電磁波時(shí)，只能從某一個(gè)特定狀態(tài)過渡到另一個(gè)特定狀態(tài)，成功地解釋了黑體輻射的能量曲線2023/7/2337

近代偉大的德國物理學(xué)家，1858年4月23日生于基爾。1947年10月3日在哥廷根逝世。量子論的奠基人。獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎。

（MaxKarlErnstLudwigPlanck

）2023/7/2338

M.Planck被譽(yù)為量子論的創(chuàng)始人。關(guān)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)問題，他曾有這樣一段精辟的論述：我們遇到了一個(gè)難題，即如何找到最適當(dāng)?shù)募僬f的問題？在這方面并無普遍的規(guī)則。單有邏輯思維是不夠的，甚至有特別大量和多方面的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)來幫助邏輯思維也還是不夠的。唯一可能的辦法是直接掌握問題或抓住某些適當(dāng)?shù)母拍?。這種智力上的躍進(jìn)，唯有創(chuàng)造力極強(qiáng)的人生氣勃勃地獨(dú)立思考，并在有關(guān)事實(shí)的正確知識指導(dǎo)下走上正軌，才能實(shí)現(xiàn)。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)漫談2023/7/23392光電效應(yīng)與愛因斯坦光子說

光電效應(yīng)是19世紀(jì)末人們發(fā)現(xiàn)的新的物理現(xiàn)象：當(dāng)光照射到純凈金屬表面時(shí)有電子(稱光電子)逸出。2023/7/2340實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對于每一種金屬，都存在特征臨閾頻率，不同金屬臨閾頻率不同；光電子初動能與入射光的頻率成正比，與光的強(qiáng)度無關(guān)；(3)單位時(shí)間產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比。

按照電磁波理論，光電子的動能與光的強(qiáng)度有關(guān)，與入射光的頻率無關(guān)。2023/7/2341愛因斯坦(Einstein)光子學(xué)說

1905年愛因斯坦運(yùn)用量子概念成功解釋光電效應(yīng)。獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

1879年~1955年2023/7/2342

每個(gè)光子的能量ε=hν=mc2

(3)動量為p=mc=h/λ,光具有波粒二象性。(2)光存在動質(zhì)量m=ε/c2=hν/c2=h/cλ，靜止質(zhì)量m為0，碰撞時(shí)動量和能量守恒。(1)光的輻射場是由不連續(xù)的光量子(簡稱光子)組成。2023/7/2343

當(dāng)光照射到金屬表面后，一個(gè)光子被一個(gè)電子吸收，光子的能量一部分用來克服金屬對表面電子的束縛能W0(又稱逸出功)，另一部分轉(zhuǎn)化為光電子動能。愛因斯坦光電方程:電子的電量遏制電壓2023/7/2344

光電方程在1916年被羅伯特·安德羅·

密里根(RobertAndrewsMillikan)精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)具有普適性。

愛因斯坦關(guān)系式p=h/λ在1923年被阿瑟·荷里·康普頓(ArthurHollyCompton)的X-射線與電子碰撞的散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)。2023/7/2345科學(xué)史上的前車之鑒

Einstein的光量子理論于1916年被密立根從實(shí)驗(yàn)上證實(shí),1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎。Einstein以相對論聞名于世,卻不是以相對論獲得諾貝爾獎,因?yàn)楫?dāng)時(shí)有些著名的物理學(xué)家拒不接受相對論,甚至有人說,如果為相對論頒發(fā)諾貝爾獎,他們就要退回已獲的諾貝爾獎!

盡管Einstein以光量子理論解釋光電效應(yīng)獲得諾貝爾獎當(dāng)之無愧,但科學(xué)史上這一段舊事卻為人們留下許多值得思考的問題。更令人困惑的是:量子論創(chuàng)始人Planck對愛因斯坦的相對論很早就給予高度評價(jià)，對光量子理論卻持否定態(tài)度。然而，這似乎又不奇怪,正是Planck本人在多少年中都試圖用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論來解釋他自己提出的作用量子h,以便將量子論納入經(jīng)典物理學(xué)范疇。當(dāng)然，這是不可能成功的。2023/7/2346Planck說過：“新理論的創(chuàng)造者，不知是由于惰性還是其他感情作用，對于引導(dǎo)他們得出新發(fā)現(xiàn)的那一群觀念往往不愿多作更動，他們往往運(yùn)用自己全部現(xiàn)有的權(quán)威來維護(hù)原來的觀點(diǎn)，因此，我們很容易理解阻礙理論健康發(fā)展的困難是什么?！?/p>

Planck看出了這一點(diǎn)，但他自己也未能完全避免犯同樣的錯誤。科學(xué)的先驅(qū)們是一群勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進(jìn)，他們的精神值得我們敬佩，后人不應(yīng)對他們過分苛求，但應(yīng)該從中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。2023/7/23473.氫原子光譜與玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)時(shí)比較流行的原子結(jié)構(gòu)模型是盧瑟福(E.Rutherford)原子有核模型(又稱原子的天體模型)氫原子在可見和近紫外區(qū)域的發(fā)射光譜1871年~1937年

1908年因發(fā)現(xiàn)α和β射線獲諾貝爾獎

2023/7/2348經(jīng)典電磁理論遇到的困難：(1)原子核塌陷(2)連續(xù)光譜1922年諾貝爾物理獎

N.H.D.Bohr1885~19622023/7/2349(1)“定態(tài)假設(shè)”：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中，電子雖做變速運(yùn)動，但并不向外輻射電磁波，這樣的相對穩(wěn)定的狀態(tài)稱為定態(tài)。Bohr原子理論——三條假設(shè)(2)“躍遷假設(shè)”：只有電子在兩個(gè)不同定態(tài)間發(fā)生躍遷時(shí)，才會輻射(吸收)能量，電磁波的頻率由兩個(gè)定態(tài)的能量差值決定：hv=|E2-E1|。(3)“軌道量子化假設(shè)”：由于能量狀態(tài)的不連續(xù)，因此電子繞核轉(zhuǎn)動的軌道半徑也不能任意取值，角動量必須滿足：|M|=mevr=nh/2π(n=1,2,3….)2023/7/2350Bohr假設(shè)結(jié)合經(jīng)典物理學(xué)可求得：

(1)Bohr半徑：n=1(基態(tài))r=a0=0.529?1?=10-10mn≠1(激發(fā)態(tài))r=n2a0

(2)基態(tài)能量：E1=-R=-13.6eV，

En=-R/n2R=13.6eV(3)譜線公式：2023/7/23511.德布羅依物質(zhì)波假說

二、粒子的類波性LouisVictorduedeBroglie,1892～1960，法國物理學(xué)家，2023/7/23521929年獲諾貝爾物理學(xué)獎1923年12月德布羅依提出了實(shí)物粒子(電子，質(zhì)子，原子等)也具有波動性的假設(shè)。假定具有能量E和動量P的粒子與一個(gè)波相當(dāng)，該波稱為物質(zhì)波。波長為：λ=h/p(p=h/λ)2023/7/2353

deBroglie波不僅對建立量子力學(xué)和原子、分子結(jié)構(gòu)理論有重要意義，而且在技術(shù)上有重要應(yīng)用。

使用deBroglie波的電子顯微鏡分辨率達(dá)到光學(xué)顯微鏡的千倍,為我們打開了微觀世界的大門。2023/7/2354

值得一提的是，路易斯?德布羅意本是學(xué)歷史的,受其兄——實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家莫里斯?德布羅意的影響改行攻讀物理學(xué),結(jié)果他的成就和名聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其兄。類似的故事不少，例如:在普通的放大器中,諧振電路非常重要，但放大的頻帶很有限。奧地利建筑師魯?shù)婪蚩灯辗鸺{對電子學(xué)產(chǎn)生了興趣,后來發(fā)明沒有諧振器、功率增益高達(dá)百萬倍、放大頻帶極寬、工作異常穩(wěn)定的行波管；圣彼得堡帝國銀行總裁亨利希?史利曼醉心于考古學(xué),在邁錫尼、太林斯考古上取得了巨大成就……

那些成功者獨(dú)辟蹊境的勇氣和見識令人贊嘆,其中可能有種種原因,不知這是否與他們跨學(xué)科的經(jīng)歷有某些關(guān)系?是否可以給人們某些啟發(fā)呢?2023/7/2355

(1)飛行子彈:m=10-2kg,v=102m/s

λ=h/p=h/(mv)=6.6×10-34m

與子彈尺寸比波動性可忽略實(shí)例(2)原子內(nèi)電子：m=10-30kg,v=106m/sλ=6.626×10-10m

與原子大小相近，波動性不可忽略結(jié)論：r>>h,λ→0,經(jīng)典物理適用；

r≈h,λ不可忽略，二象性明顯。2023/7/23562.電子衍射實(shí)驗(yàn)—物質(zhì)波的證實(shí)

（1）戴維遜(C.Davisson)-革末(L.H.Germer)電子在鎳單晶反射實(shí)驗(yàn)C.Davisson1937年獲諾貝爾物理學(xué)獎2023/7/2357（2）

湯姆遜(G.P.Thomson)電子衍射實(shí)驗(yàn)1906年,J.J.Thomson獲得諾貝爾物理學(xué)獎1937年,G.P.Thomson獲得諾貝爾物理學(xué)獎1892年5月3日出生1856年12月18日出生J.J.ThomsonG.P.Thomson2023/7/2358入射光薄膜、狹縫熒光屏一個(gè)電子對應(yīng)屏上一個(gè)亮點(diǎn)。--粒子性電子單縫衍射邏輯實(shí)驗(yàn)2023/7/2359開始2023/7/2360時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果—波動性2023/7/23613.玻恩(M.Born)統(tǒng)計(jì)解釋

單個(gè)電子：(1)衍射強(qiáng)度大的地方電子出現(xiàn)的機(jī)會多

(2)衍射強(qiáng)度小的地方電子出現(xiàn)的機(jī)會少物質(zhì)波是幾率波。大量電子：(1)衍射強(qiáng)度大的地方出現(xiàn)的電子多

(2)衍射強(qiáng)度小的地方出現(xiàn)的電子少2023/7/2362三、不確定關(guān)系1927年，海森堡(W.Heisenberg)提出：微觀粒子在某一時(shí)刻同一方向的坐標(biāo)和動量不能同時(shí)確定。2023/7/2363

對于微觀粒子的坐標(biāo)描述的越準(zhǔn)確(即坐標(biāo)不確定量越小)，其動量描述的就越不準(zhǔn)確，(即動量的不確定量越大)。反之，動量確定的越準(zhǔn)確，坐標(biāo)就越不確定。2023/7/2364不確定關(guān)系式(測不準(zhǔn)關(guān)系式)：Δx·Δpx≥hΔE·Δt≥h結(jié)論：具有波粒二象性的微觀粒子，沒有經(jīng)典軌道。根源：微觀粒子的波粒二象性2023/7/2365試估算速度為300m·s-1,測量誤差在0.01%的電子與槍彈(質(zhì)量m=50g)，其位置與動量在同一實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測量時(shí)，它們的位置測量精度如何？2023/7/2366

四、量子力學(xué)的建立

薛定諤(E.Schr?dinger)的波動力學(xué)：所用的數(shù)學(xué)工具是微分方程海森堡(W.K.Heisenberg)的矩陣力學(xué)：1932獲年諾貝爾物理學(xué)獎所用的數(shù)學(xué)工具是線性代數(shù)狄拉克(P.A.M.Dirac)量子力學(xué)薛定諤和狄拉克共同獲1933年度諾貝爾物理學(xué)獎2023/7/2367

W.K.Heisenberg(1901―1976)

德國物理學(xué)家，26歲任萊比錫大學(xué)教授.因創(chuàng)立矩陣力學(xué)獲1932年諾貝爾物理學(xué)獎.1941年任柏林大學(xué)教授.1943年提出S矩陣?yán)碚?二戰(zhàn)期間領(lǐng)導(dǎo)德國原子能利用計(jì)劃，戰(zhàn)后被俘往美國.1946年返回德國，任普朗克物理研究所所長兼哥廷根大學(xué)教授.1967年發(fā)表《基本粒子的統(tǒng)一場論》.2023/7/2368

E.Schr?dinger

(1887―1961)

奧地利物理學(xué)家.1911年起在維也納大學(xué)從事固體物理學(xué)研究.后任蘇黎世大學(xué)教授，研究熱統(tǒng)計(jì)理論。1926年建立波動力學(xué).1927年任柏林大學(xué)教授，1933年任牛津大學(xué)特別研究員.1938年去美國，任達(dá)布林研究所所長.1933年獲諾貝爾物理學(xué)獎.他在20世紀(jì)40年代發(fā)表的名著《生命是什么》，對分子生物學(xué)的建立產(chǎn)生過重大影響.2023/7/2369一、實(shí)物微粒的運(yùn)動狀態(tài)可用波函數(shù)Ψ(r,t)來描述1波函數(shù)Ψ(r,t)波函數(shù)的Born幾率解釋單個(gè)電子：(1)衍射強(qiáng)度大的地方電子出現(xiàn)的機(jī)會多

(2)衍射強(qiáng)度小的地方電子出現(xiàn)的機(jī)會少大量電子：(1)衍射強(qiáng)度大的地方出現(xiàn)的電子多

(2)衍射強(qiáng)度小的地方出現(xiàn)的電子少第二節(jié)量子力學(xué)基本原理2023/7/2370代表粒子在dτ體積元內(nèi)出現(xiàn)的幾率代表粒子在區(qū)域v內(nèi)出現(xiàn)的幾率代表粒子在全部空間內(nèi)出現(xiàn)的幾率代表粒子在空間某點(diǎn)的幾率密度2023/7/2371

粒子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的幾率密度不隨時(shí)間改變，稱為定態(tài)。2定態(tài)和定態(tài)波函數(shù)Ψ(r)被稱作定態(tài)波函數(shù)Ψ(r,t)=Ψ(r)f(t)2023/7/23721)單值(幾率密度要求)2)連續(xù)，一階導(dǎo)數(shù)連續(xù),且二階導(dǎo)數(shù)存在

(Schr?dinger方程要求)平方可積，收斂有限

(要求)

(1)品優(yōu)函數(shù)(合格波函數(shù))3.Ψ(r)的性質(zhì)2023/7/23732023/7/2374(2)若c為常數(shù)，Ψ(r)和cΨ(r)描述同一態(tài)(3)正交歸一性對于討論的粒子，其在全空間出現(xiàn)的概率為1,這是波函數(shù)的歸一性：正交性：正交歸一性：2023/7/2375令Ψ’(r)=KΨ(r)為歸一化波函數(shù)，K為歸一化常數(shù)若Ψ(r)未歸一化2023/7/2376歸一化公式，取正值2023/7/2377

二、微觀體系每一可測物理量都對應(yīng)一線性厄米算符一個(gè)運(yùn)算符號作用到一函數(shù)f(x)上，如果得到一新函數(shù)g，那么就稱該運(yùn)算符號為算符。(一)算符d/dx[cos(kx)]=-ksin(kx),d2/dx2[cos(kx)]=(d/dx)2[cos(kx)]=-k2cos(kx)對函數(shù)進(jìn)行某種運(yùn)算的符號2023/7/2378微分算符

如果算符滿足則為線性算符。1.線性算符2023/7/2379量子力學(xué)中的算符都是線性厄米算符

2.

厄米算符3.算符運(yùn)算加法(減法)；乘法(除法)；相等

2023/7/23802023/7/2381運(yùn)算規(guī)則：滿足結(jié)合律,一般不滿足交換律可對易算符不可對易算符2023/7/23824.力學(xué)量算符化規(guī)則1)力學(xué)量——量子力學(xué)中算符