结构化学第一章量子力学基础知识精选PPT.ppt
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1、结构化学课件第一章量子力学基础知识第1页,此课件共69页哦 十九世纪末,经典物理学已经形成一个相当完善十九世纪末,经典物理学已经形成一个相当完善的体系,机械力学方面建立了牛顿三大定律,热力学的体系,机械力学方面建立了牛顿三大定律,热力学方面有吉布斯理论,电磁学方面用麦克斯韦方程统一方面有吉布斯理论,电磁学方面用麦克斯韦方程统一解释电、磁、光等现象,而统计方面有玻耳兹曼的统解释电、磁、光等现象,而统计方面有玻耳兹曼的统计力学。当时物理学家很自豪地说,物理学的问题基计力学。当时物理学家很自豪地说,物理学的问题基本解决了,一般的物理都可以从以上某一学说获得解本解决了,一般的物理都可以从以上某一学说获
2、得解释。唯独有几个物理实验还没找到解释的途径,而恰释。唯独有几个物理实验还没找到解释的途径,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恰是这几个实验为我们打开了一扇通向微观世界的大门。门。十九世纪末的物理学十九世纪末的物理学第2页,此课件共69页哦电子、原子、分子和光子等微观粒子,具有波粒二象性电子、原子、分子和光子等微观粒子,具有波粒二象性的运动特征。这一特征体现在以下的现象中,而这些现象均的运动特征。这一特征体现在以下的现象中,而这些现象均不能用经典物理理论来解释,由此人们提出了量子力学理论,不能用经典物理理论来解释,由此人们提出了量子力学理论,这一理论就是本课程的一个重要基础。这
3、一理论就是本课程的一个重要基础。1.1.1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。带有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。带有一微孔的空心金属球,非常接近于黑体,进入金属球小孔的辐射,一微孔的空心金属球,非常接近于黑体,进入金属球小孔的辐射,经过多次吸收、反射、使射入的经过多次吸收、反射、使射入的辐射实际上全部被吸收。当空腔受热时,空腔壁会发出辐射,辐射实际上全部被吸收。当空腔受热时,空腔壁会发出辐射,极小部分通过小孔逸出。黑体是理想的吸收体,也是理想的极小部分通过小孔逸出。黑体是理想的吸收体,也是理想的发射体。发射体。第一节第一节.微观粒子的运动特征微观粒子的
4、运动特征第3页,此课件共69页哦 一个吸收全部入射线的表面称为黑体表面。一一个吸收全部入射线的表面称为黑体表面。一个带小孔的空腔可视为黑体表面。它几乎完全吸个带小孔的空腔可视为黑体表面。它几乎完全吸收入射幅射。通过小孔进去的光线碰到内表面时收入射幅射。通过小孔进去的光线碰到内表面时部分吸收,部分漫反射,反射光线再次被部分吸部分吸收,部分漫反射,反射光线再次被部分吸收和部分漫反射收和部分漫反射,只有很小部分入射光有机会,只有很小部分入射光有机会再从小孔中出来。再从小孔中出来。如图如图11所示所示第4页,此课件共69页哦 图图12表示表示在四种不同的在四种不同的温度下,黑体温度下,黑体单位面积单位
5、单位面积单位波长间隔上发波长间隔上发射的功率曲线。射的功率曲线。十九世纪末,十九世纪末,科学家们对黑科学家们对黑体辐射实验进体辐射实验进行了仔细测量,行了仔细测量,发现辐射强度发现辐射强度对腔壁温度对腔壁温度 T的依赖关系。的依赖关系。第5页,此课件共69页哦为了解释黑体辐射现象,他提出粒子能量永远是为了解释黑体辐射现象,他提出粒子能量永远是 h h 的整数倍,的整数倍,=n=n h h ,其中,其中 是辐射频率,是辐射频率,h h 为新的物理常数,后人称为为新的物理常数,后人称为普朗克常数普朗克常数(h=6.62610h=6.62610-34 -34 J Js s),这一创造性的工作使他成为
6、量,这一创造性的工作使他成为量子理论的奠基者,在物理学发展史上具有划时代的意义。他第一子理论的奠基者,在物理学发展史上具有划时代的意义。他第一次提出辐射能量的不连续性,著名科学家爱因斯坦接受并补充了次提出辐射能量的不连续性,著名科学家爱因斯坦接受并补充了这一理论,以此发展自己的相对论,波尔也曾用这一理论解释原这一理论,以此发展自己的相对论,波尔也曾用这一理论解释原子结构。量子假说使普朗克获得子结构。量子假说使普朗克获得1918年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。黑体黑体是理想的吸收体,也是理想的发射体。当把几种物体是理想的吸收体,也是理想的发射体。当把几种物体加热到同一温度,黑体放出的能量最多。由
7、图中不同温度的曲加热到同一温度,黑体放出的能量最多。由图中不同温度的曲线可见,随温度增加,线可见,随温度增加,E E增大,且其极大值向高频移动。为了对增大,且其极大值向高频移动。为了对以上现象进行合理解释,以上现象进行合理解释,19001900年年PlankPlank提出了黑体辐射的能量量子化提出了黑体辐射的能量量子化公式公式:第6页,此课件共69页哦Plank第7页,此课件共69页哦The Nobel Prize in Physics 1918 for their theories,developed independently,concerning the course of chemic
8、al reactions Max Karl Ernst Ludwig Planck Germany Berlin University Berlin,Germany 1858-1947 普朗克普朗克第8页,此课件共69页哦 根据光波的经典图像,波的能量与它的强度成正比,而与频率无关,因此只要有足够的强度,任何频率的光都能产生光电效应,而电子的能动将随光强的增加而增加,与光的频率无关,这些经典物理学的推测与实验事实不符。光电效应是光照在金属表面上,金属发射出电子的现象。1.只有当照射光的频率超过某个最小频率(即临阈频率)时,金属才能发射光电子,不同金属的临阈频率不同。2 2.随着光强的增加,发射
9、的电子数也增加,但不影响光电子的动能。3 3.增加光的频率,光电子的动能也随之增加。1.1.2第9页,此课件共69页哦图图1-3 1-3 光电效应示意图光电效应示意图(光源打开后光源打开后,电流表电流表指针偏转指针偏转)第10页,此课件共69页哦 (2).光子不但有能量,还有质量(m),但光子的静止质量为零。按相对论的质能联系定律,=mc2,光子的质量为 m=hc2所以不同频率的光子有不同的质量。1905年,Einstein提出光子学说,圆满地解释了光电效应。光子学说的内容如下:(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频率成正比,即式中h为Pl
10、anck常数,为光子的频率。第11页,此课件共69页哦 将频率为 的光照射到金属上,当金属中的一个电子受到一个光子撞击时,产生光电效应,光子消失,并把它的能量h h 转移给电子。电子吸收的能量,一部分用于克服金属对它的束缚力,其余部分则表现为光电子的动能。(3).光子具有一定的动量(p)P=mc=hP=mc=h /c=h/c=h光子有动量在光压实验中得到了证实。(4).光的强度取决于单位体积内光子的数目,即光子密度。E Ek k=h=h W第12页,此课件共69页哦 当hW时,从金属中发射的电子具有一定的动能,它随 的增加而增加,与光强无关。式中W是电子逸出金属所需要的最低能量,称为脱出功,它
11、等于h0;Ek是光电子的动能,它等于 mv22,上式能解释全部实验观测结果:当h n n1 1,n n1 1、n n2 2为正整数为正整数该公式可推广到氢原子光谱的该公式可推广到氢原子光谱的其它谱系其它谱系第16页,此课件共69页哦21(3 3)各态能量一定,角动量也一定)各态能量一定,角动量也一定(M=nh/2(M=nh/2)并且是并且是量子化量子化的,大小为的,大小为 h/2h/2 的整数倍。的整数倍。(1 1)原子中有一些)原子中有一些确定能量确定能量的稳定态,原子处于定态的稳定态,原子处于定态 不辐射能量。不辐射能量。(2 2)原子从)原子从一定态一定态过渡到过渡到另一定态另一定态,才
12、发射或吸收能量。,才发射或吸收能量。为了解释以上结果,玻尔综合了普朗克的量子论,为了解释以上结果,玻尔综合了普朗克的量子论,爱因斯坦的光子说以及卢瑟福的原子有核模型,提出著爱因斯坦的光子说以及卢瑟福的原子有核模型,提出著名的玻尔理论:名的玻尔理论:第17页,此课件共69页哦+e-er库仑引力库仑引力 离心力离心力 角动量角动量总能量总能量动能动能势能势能第18页,此课件共69页哦Bohr模型对于单电子原子在多方面应用得很有成效,模型对于单电子原子在多方面应用得很有成效,对碱金属原子也近似适用对碱金属原子也近似适用.但它竟不能解释但它竟不能解释He原子的光谱,原子的光谱,更不必说较复杂的原子;也
13、不能计算谱线强度。后来,更不必说较复杂的原子;也不能计算谱线强度。后来,Bohr模型又被模型又被.Sommerfeld等人进一步改进,增加了椭圆轨等人进一步改进,增加了椭圆轨道和轨道平面取向量子化道和轨道平面取向量子化(即空间量子化即空间量子化).这些改进并没这些改进并没有从根本上解决问题有从根本上解决问题,促使更多物理学家认识到促使更多物理学家认识到,必须对物必须对物理学进行一场深刻变革理学进行一场深刻变革.法国物理学家德布罗意法国物理学家德布罗意(L.V.deBroglie)勇敢地迈出一大步勇敢地迈出一大步.1924年年,他提出了物质波可他提出了物质波可能存在的主要论点能存在的主要论点.第
14、19页,此课件共69页哦BohrBohr玻尔玻尔他获得了他获得了1922年的年的诺贝尔物理诺贝尔物理学奖。学奖。第20页,此课件共69页哦Bohr(older)Bohr(older)玻尔玻尔第21页,此课件共69页哦 EinsteinEinstein为了解释光电效应提出了光子说,即光为了解释光电效应提出了光子说,即光子是具有波粒二象性的微粒,这一观点在科学界引子是具有波粒二象性的微粒,这一观点在科学界引起很大震动。起很大震动。19241924年,年轻的法国物理学家年,年轻的法国物理学家德布罗意德布罗意(de Brogliede Broglie)从这种思想出发从这种思想出发,提出了实物微粒也有波
15、性,他认为:“在光学上,比起波动的研究方法,是过于忽略了粒子的研究方法;在实物微粒上,是否发生了相反的错误?是不是把粒子的图像想得太多,而过于忽略了波的图像?”-德布罗意物质波 1.1.3他提出实物微粒也有波性,即德布罗意波。E=h v,p=h/E=h v,p=h/第22页,此课件共69页哦 1927年,戴维逊(Davisson)与革末(Germer)利用单晶体电子衍射实验,汤姆逊(Thomson)利用多晶体电子衍射实验证实了德布罗意的假设。光(各种波长的电磁辐射)和微观实物粒子(静止质量不为0的电子、原子和分子等)都有波动性(波性)和微粒性(粒性)的两重性质,称为波粒二象性。戴维逊(Davi
16、sson)等估算了电子的运动速度,等估算了电子的运动速度,若将电子加压到若将电子加压到1000V,电子波长应为几十个电子波长应为几十个pm,这,这样波长一般光栅无法检验出它的波动性。他们联想样波长一般光栅无法检验出它的波动性。他们联想到这一尺寸恰是晶体中原子间距,所以选择了金属到这一尺寸恰是晶体中原子间距,所以选择了金属的单晶为衍射光栅。的单晶为衍射光栅。第23页,此课件共69页哦 将电子束加速到一定速度将电子束加速到一定速度去撞击金属去撞击金属NiNi的单晶,观察到完的单晶,观察到完全类似射线的衍射图象,证实全类似射线的衍射图象,证实了电子确实具有波动性。图了电子确实具有波动性。图1-51-
17、5为电子射线通过为电子射线通过CsI薄膜时的衍射薄膜时的衍射图象,一系列的同心圆称为衍射环纹。图象,一系列的同心圆称为衍射环纹。该实验首次证实了德布罗意物质波的该实验首次证实了德布罗意物质波的存在。后来采用中子、质子、氢原子存在。后来采用中子、质子、氢原子等各种粒子流,都观察到了衍射现象。等各种粒子流,都观察到了衍射现象。证明了不仅光子具有波粒二象性,微证明了不仅光子具有波粒二象性,微观世界里的所有微粒都有具有波粒二观世界里的所有微粒都有具有波粒二象性,波粒二象性是微观粒子的一种象性,波粒二象性是微观粒子的一种基本属性。基本属性。第24页,此课件共69页哦第25页,此课件共69页哦 微观粒子因
18、为没有明确的外形和确定的轨道,我微观粒子因为没有明确的外形和确定的轨道,我们得不到一个粒子一个粒子的衍射图象,我们只能用们得不到一个粒子一个粒子的衍射图象,我们只能用大量的微粒流做衍射实验。实验开始时,只能观察到大量的微粒流做衍射实验。实验开始时,只能观察到照象底片上一个个点,未形成衍射图象,待到足够长照象底片上一个个点,未形成衍射图象,待到足够长时间,通过粒子数目足够多时,照片才能显出衍射图时间,通过粒子数目足够多时,照片才能显出衍射图象,显示出波动性来。可见微观粒子的波动性是一种象,显示出波动性来。可见微观粒子的波动性是一种统计行为。微粒的物质波与宏观的机械波(水波,声统计行为。微粒的物质
19、波与宏观的机械波(水波,声波)不同,机械波是介质质点的振动产生的;与电磁波)不同,机械波是介质质点的振动产生的;与电磁波也不同,电磁波是电场与磁场的振动在空间的传播。波也不同,电磁波是电场与磁场的振动在空间的传播。微粒物质波,能反映微粒出现几率,故也称为几率波。微粒物质波,能反映微粒出现几率,故也称为几率波。空间任意一点处微粒物质波的强度与粒子出现空间任意一点处微粒物质波的强度与粒子出现空间任意一点处微粒物质波的强度与粒子出现空间任意一点处微粒物质波的强度与粒子出现在此处的在此处的在此处的在此处的几率几率几率几率成正比成正比成正比成正比,此即物质波的此即物质波的此即物质波的此即物质波的统计解释
20、统计解释统计解释统计解释.第26页,此课件共69页哦 德德 布布 罗罗 意意(Louis Victor de Broglie,1892-1987)法法国国物物理理学学家家。德德布布罗罗意意提提出出的的物物质质波波假假设设。为为人人类类研研究究微微观观领领域域内内物物体体运运动动的的基基本本规规律律指指明明了了方方向向。为为了了表表彰彰德德布布罗罗意意,他他被被授授予予1929年年诺诺贝贝尔尔物物理理学奖。学奖。第27页,此课件共69页哦具有波动性的粒子不能同时有具有波动性的粒子不能同时有精确坐标和动量精确坐标和动量精确坐标和动量精确坐标和动量.当粒子的某个坐标被确定得愈精确当粒子的某个坐标被确
21、定得愈精确当粒子的某个坐标被确定得愈精确当粒子的某个坐标被确定得愈精确,则其相应的动量则则其相应的动量则则其相应的动量则则其相应的动量则愈不精确愈不精确愈不精确愈不精确;反之亦然反之亦然反之亦然反之亦然.但是,其位置偏差但是,其位置偏差但是,其位置偏差但是,其位置偏差(x)x)x)x)和动量偏和动量偏和动量偏和动量偏差差差差(p)p)p)p)的积恒定的积恒定的积恒定的积恒定.即有以下关系即有以下关系即有以下关系即有以下关系:通过电子的单缝衍射可以说明这种通过电子的单缝衍射可以说明这种通过电子的单缝衍射可以说明这种通过电子的单缝衍射可以说明这种“不确定不确定不确定不确定”的确存在。的确存在。的确
22、存在。的确存在。1.1.4 不确定度关系不确定度关系-测不准原理测不准原理第28页,此课件共69页哦x=bx=bx=bx=b第29页,此课件共69页哦在在同同一一瞬瞬时时,由由于于衍衍射射的的缘缘故故,电电子子动动量量的的大大小小虽虽未未变变化化,但但动动量量的的方方向向有有了了改改变变。由由图图可可以以看看到到,如如果果只只考考虑虑一一级级(即即 )衍衍射射图图样样,则则电电子子绝绝大大多多数数落落在在一一级级衍衍射射角角范范围围内内,电电子子动量沿动量沿 轴方向分量的不确定范围为轴方向分量的不确定范围为由德布罗意公式和单缝衍射公式由德布罗意公式和单缝衍射公式 和和 上式可写为上式可写为又因
23、为又因为x=bx=b,因此因此 第30页,此课件共69页哦 宏观世界与微观世界的力学量之间有很大区别,前者在宏观世界与微观世界的力学量之间有很大区别,前者在取值上没有限制,变化是连续的,而微观世界的力学量变取值上没有限制,变化是连续的,而微观世界的力学量变化是量子化的,变化是不连续的,在不同状态去测定微观化是量子化的,变化是不连续的,在不同状态去测定微观粒子,可能得到不同的结果,对于能得到确定值的状态称粒子,可能得到不同的结果,对于能得到确定值的状态称为为“本征态本征态”,而有些状态只能测到一些不同的值(称为平,而有些状态只能测到一些不同的值(称为平均值),称为均值),称为“非本征态非本征态”
24、。例如,当电子处在坐标的本征。例如,当电子处在坐标的本征态时,测定坐标有确定值,而测定其它一些物理量如动量,态时,测定坐标有确定值,而测定其它一些物理量如动量,就得不到确定值,相反若电子处在动量的本征态时,动量可就得不到确定值,相反若电子处在动量的本征态时,动量可以测到准确值,坐标就测不到确定值,而是平均值。海森伯以测到准确值,坐标就测不到确定值,而是平均值。海森伯(Heisenberg)称两个物理量的这种关系为称两个物理量的这种关系为“测不准测不准”关关系。系。第31页,此课件共69页哦 海海 森森 伯伯(W.K.Heisenberg,1901-1976)1901-1976)德德国国理理论论
25、物物理理学学家家,他他于于19251925年年为为量量子子力力学学的的创创立立作作出出了了最最早早的的贡贡献献,而而于于2626岁岁时时提提出出的的不不确确定定关关系系则则与与物物质质波波的的概概率率解解释释一一起起,奠奠定定了了量量子子力力学学的的基基础础,为为此此,他于他于19321932年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。海森伯第32页,此课件共69页哦所以,子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹所以,子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定,不确定关系对宏观物体的动量和位置都能精确地确定,不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。来说没有实际意义。例例1
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