第1章量子力学基础知识..ppt

結構化學基礎（第三版） 周公度 段連運 編著 授課學時：46 學分：3 參 考 書：1.周公度 段連運編著《結構化學基礎》，第二版，北京大學出版社，1995年 2.江元生遍《結構化學》，第一版，高等教育出版社，1997年 序 言 結構化學的研究範圍 結構化學的主要內容 結構化學的發展歷程 結構化學的學習方法 第一章 量子力學基礎知識 1.1 微觀粒子的運動特徵 ☆經典物理學遇到了難題 19世紀末，物理學理論（經典物理學）已相當完善： ◆Newton力學 ◆Maxwell電磁場理論 ◆Gibbs熱力學 ◆Boltzmann統計物理學 上述理論可解釋當時常見物理現象，但也發現了解釋不了的新現象。 1. 黑體輻射與能量量子化 Planck能量量子化假設 1900年，Planck（普朗克）假定，黑體中原子或分子輻射能量時作簡諧振動，只能發射或吸收頻率為?,能量為??h?的整數倍的電磁能，即振動頻率為?的振子，發射的能量只能是0h?，1h?，2h?，……，nh?（n為整數）。 h 稱為Planck常數，h＝6.626×10－34J?S 按Planck假定，算出的輻射能E?與實驗觀測到的黑體輻射能非常吻合： 2. 光電效應與光的波粒二象性 光電效應：光照射在金屬表面，使金屬發射出電子的現象。 Einstein光子學說 1905年，Einstein在Planck能量量子化的啟發下，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，還有質量（m），但光子的靜止質量為零。根據相對論的質能聯繫定律?＝mc2，光子的質量為：m＝h?/c2，不同頻率的光子具有不同的質量。 ★光子具有一定的動量：p＝mc＝h?/c＝h/?(c＝??） ★光的強度取決於單位體積內光子的數目（光子密度）。 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；而只有把光看成波，才能解釋衍射和干涉現象。即，光表現出波粒二象性。 波動模型是連續的，光子模型是量子化的，波和粒表面上看是互不相容的，卻通過Planck常數，將代表波性的概念?和?與代表粒性的概念?和p聯繫在了一起，將光的波粒二象性統一起來： 3. 實物微粒的波粒二象性 de Broglie(德布羅意）假設： 1924年，de Broglie受光的波粒二象性啟發，提出實物微粒（靜止質量不為零的粒子，如電子、質子、原子、分子等）也有波粒二象性。認為?=h?，p＝h/? 也適用於實物微粒，即，以p＝mv的動量運動的實物微粒，伴隨有波長為?＝h/p＝h/mv 的波。此即de Broglie關係式。 de Broglie波與光波不同：光波的傳播速度和光子的運動速度相等；de Broglie波的傳播速度（u）只有實物粒子運動速度的一半：v＝2u。對於實物微粒：u＝??，E＝p2/(2m)＝(1/2)mv2,對於光：c＝??，E＝pc＝mc2 微觀粒子運動速度快，自身尺度小，其波性不能忽略；宏觀粒子運動速度慢，自身尺度大，其波性可以忽略：以1.0?106m/s的速度運動的電子，其 de Broglie 波長為7.3?10－10m（0.73nm），與分子大小相當；品質為1g的宏觀粒子以 1?10－2m/s 的速度運動，de Broglie 波長為7 ?10－29m，與宏觀粒子的大小相比可忽略，觀察不到波動效應。 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和同心圓，證實電子確有波性。後來證實：中子、質子、原子等實物微粒都有波性。 ■實物微粒波的物理意義——Born的統計解釋 Born認為，實物微粒波是機率波：在空間任一點上，波的強度和粒子出現的機率成正比。 用較強的電子流可在短時間內得到電子衍射照片；但用很弱的電子流，讓電子先後一個一個地到達底片，只要時間足夠長，也能得到同樣的電子衍射照片。電子衍射不是電子間相互作用的結果，而是電子本身運動所固有的規律性。 實物微粒的波性是和微粒行為的統計性聯繫在一起的，沒有像機械波（介質質點的振動）那樣直接的物理意義，實物微粒波的強度反映粒子出現機率的大小。 對實物微粒粒性的理解也要區別于服從Newton力學的粒子，實物微粒的運動沒有可預測的軌跡。 一個粒子不能形成一個波，但從大量粒子的衍射圖像可揭示出粒子運動的波性和這種波的統計性。 原子和分子中電子的運動可用波函數描述，而電子出現的機率密度可用電子雲描述。 4. Heisenberg測不准原理 測不准原理：一個粒子不能同時具有確定的座標和動量。 測不准原理