[理学]结构化学课件周公度版第一章.pdf

第一章 量子力学基础 Chapter 1. Introduction to Quantum Mechanics 结构化学是研究原子、分子、固体的微观结构， 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. 1.1 从经典力学到早期量子论 ☆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 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。而恰恰是这几个实验为我们打开了一扇通向 微观世界的大门。 但它对几个问题始终不能给予解释, 其中之一就是著 名的黑体辐射问题. 此外还有光电效应、原子光谱和原子 结构等问题. 而恰恰是这些问题的解决为我们打开了一扇 通向微观世界的大门。 1.1.1 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。 黑体辐射能量密度与波长的关系是19世纪末物理学家 关心的重要问题之一.经典物理学在此遭遇严重困难： 维恩公式只适用于短波部分; 由能量均分定理导出的瑞利-金斯公式则只适用于长波 部分,它在短波部分引出了 “紫外灾变”，即波长变短时 辐射的能量密度趋于无穷大,而不象实验结果那样趋于零. 1900年, Max Planck给出一个能够成功 描述整个实验曲线的公式. 但他不得不为此 引入一个 “离经叛道”的假设: 黑体吸收或 发射辐射的能量必须是不连续的，即量子化 的. 辐射能量的最小单元为hν.ν是振子的频 率，h就是著名的Planck常数，其最新数值 M.Planck -34 . 为6.626 ×10 J s. 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. 黑体辐射在单位波长间隔的能量密度曲线 科 M. Planck被誉为量子论的创始人. 关于科学发现问题， 学 他曾有这样一段精辟的论述： 发 现 ……我们遇到了一个难题，即如何找到最适当的假说的 漫 问题？在这方面并无普遍的规则. 单有逻辑思维是不够的，甚 谈 至有特别大量和多方面的经验事实来帮助逻辑思维也还是不 够的. 唯一可能的办法是直接掌握问题或抓住某些适当的概念. 这种智力上的跃进，唯有创造力极强的人生气勃勃地独立思 考，并在有关事实的正确知识指导下走上正轨，才能实现. 1.1.2 光电效应与光量子化 经典物理无法解释的另一个现象来自H.R.赫芝1887 年的著名实验. 这一实验极为有趣和重要, 因为它既证实 了Maxwell 的电磁波理论——该理论认为光也是电磁波, 又发现了光电效应(photoelectric effect), 后来导致了光的 粒子学说. 1889年, 斯托列托夫提出获得光电流的电池方案(下图 G为电流表, V为电压表; C为阴极, A 为阳极): ● 1898年，P.勒纳特确认放电粒子为电子,