大学结构化学ppt课件.ppt

《大学结构化学ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学结构化学ppt课件.ppt（87页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 结构化学结构化学(物质结构物质结构)Structural Chemistry(Matter Structure)温一航温一航 浙江师范大学化学与生命科学学院浙江师范大学化学与生命科学学院 13738931081(661081)E-mail:烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 1.周公度、段连运 结构化学基础(第四版)北京大学出版社 2008.2.李炳瑞 结构化学 高等教育出版社

2、 2004.3.张季爽、申成 基础结构化学(第二版),科学出版社 2006.4.江元生 结构化学高等教育出版社 1997.5.徐光宪、王祥云物质结构(第二版),高等教育出版社 1987.6.潘道皑、赵成大和郑载兴物质结构(第二版)，高等教育出版社，1989.7.倪行 物质结构学习指导,科学出版社，1999.主要参考书:物理知识：光的干涉、衍射，物理知识：光的干涉、衍射，原子物理学原子物理学 等等 数学知识：线性代数、高等数学数学知识：线性代数、高等数学 等等烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人绪论绪论一、

3、结构化学的研究任务 在自然科学中，探明物质的结构是理论研究的基础。化学反应和物质的性质及变化皆取决于结构。用化学手段和方法研究物质结构的科学称为结构化学。当我们从自然界或实验室获得一种新的化学物质时，首要的任务是测定它们的详尽结构。结构化学还为我们分析化学物质的性质并进而进行人工合成打下基础。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人二、结构化学的定义 结结构构化化学学是是研研究究原原子子、分分子子和和晶晶体体的的微微观观结结构构，研研究究原原子子和和分分子子运运动动规规律律，研研究究物物质质的的结结构构和和性

4、性能能关关系系的科学。的科学。经典经典 新定义新定义 化化学学是是主主要要研研究究从从原原子子、分分子子片片、分分子子、超超分分子子，到到分分子子和和原原子子的的各各种种不不同同尺尺度度和和不不同同复复杂杂程程度度的的聚聚集集态态和和组组装装态态的的合合成成和和反反应应，分分离离和和分分析析，结结构构和和形形态态，物物理理性性能能和和生生物物活活性性及及其其规规律律和和应应用用的的自自然然科科学学。-徐徐光宪光宪烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人三、结构化学的中心问题 结构与化学键结构与化学键 化学键问

5、题：(原子轨道 分子轨道 成键力)电电子因素子因素 分子晶体的立体结构：(对称性 键长 键角 原子间的连接形式)几何因素几何因素 不同的几何结构来自于不同的电子结构，有稳定的电子结构就有稳定的几何结构。结构化学课程是：“化学键理论”课程烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人Chapter 1 Introduction to Quantum Mechanics第一章第一章 量子力学基础量子力学基础经典物理学经典物理学:Newton 运动力学;Maxwell 电磁场理论;Gibbs 热力学;Boltzmann的

6、统计力学 2020世纪三大科学发现相对论、量子力学、世纪三大科学发现相对论、量子力学、DNA双螺旋结构双螺旋结构 19001900年 以 前，物 理 学 的 发 展 处 于 经经 典典 物物 理理 学学(classical physics)(classical physics)阶段,并取得了巨大的成就。上述理论可解释当时几乎所有常见物理现象，但也发现了解释不了的新现象。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 第一个实验第一个实验第一个实验第一个实验黑体辐射黑体辐射黑体辐射黑体辐射(blackbody rad

7、iation)(blackbody radiation)：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。黑体是理想化模型。黑体并不一定呈黑色。黑体是理想化模型。黑体并不一定呈黑色。黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。第一节第一节 经典物理学的困难和量子力学的诞生经典物理学的困难和量子力学的诞生黑体模型 一、一、三个著名实验导致三个著名实验导致“量子量子”概念的引入和应概念的引入和应用用 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人黑体在不同温度下辐射的能量分布曲线黑体

8、在不同温度下辐射的能量分布曲线 经典理论与实验事实间的矛盾：经典电磁理论假定，黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的，按经典热力学和统计力学理论，计算所得的黑体辐射能量随波长变化的分布曲线，与实验所得曲线明显不符。按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线 随着温度升高，辐射总能量急剧增加，随着温度升高，辐射总能量急剧增加，最大强度高频方向移动最大强度高频方向移动(蓝移蓝移)。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人热辐射的理论公式与实验比较热辐射的理论公式与实验比较(2)Wien 公式(热力学+假定)(1)

9、Rayleigh-Jeans公式(电动力学+统计力学)Wien（维恩）曲线能量波长实验曲线Rayleigh-Jeans（瑞利金斯）曲线黑体辐射能量分布曲线 Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量按自由度均分原则用到电磁辐射上，按其公式计算所得结果在长波处比较接近实验曲线。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.Wien假 定 辐 射 波 长 的 分 布 与Maxwell分子速度分布类似，计算结果在短波处与实验较接近。经典理论无论如何也得不出这种有极大值的曲线。经典理论无论如何也得不出这种有极大值的曲线。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病

10、人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人(3)Planck公式公式n是整数是整数,称为量子数称为量子数quantum numberh=6.626 10-34 J.S,称称Planck常数常数 1900年年,普普朗朗克克(Planck)提提出出“量量子子论论”(quantum)：主主张张黑黑体体由由不不同同频频率率的的谐谐振振子子组组成成，振振子子能能量量有有不不连连续续性性，每每个个谐谐振振子子的的能能量量 总总是是按按某某个个“能能量量子子 0”的整数倍变化。的整数倍变化。公式公式：M.Planck(1858-1947)这这一一重重要

11、要事事件件后后来来被被认认为为是是量量子子革革命命的的开开端端.Planck为为此此获获1918年年诺诺贝贝尔尔物物理学奖理学奖.黑体辐射公式：黑体辐射公式：T-黑体绝对温度 c-光速(2.998X108 m/s)K-波尔兹曼(Bolfzmann)常数，1.38010-23 JK-1烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人RayleighJeans方程方程 当当 很大时，很大时，普普普普朗朗朗朗克克克克量量量量子子子子假假假假说说说说的的的的提提提提出出出出，标标标标志志志志着着着着量量量量子子子子论论论论的

12、的的的诞诞诞诞生生生生，否否否否定定定定了了了了“一一一一切切切切自自自自然然然然过过过过程程程程都都都都是是是是连连连连续续续续的的的的”的的的的观观观观点点点点，成成成成为为为为“20“20“20“20世世世世纪纪纪纪整整整整个个个个物物物物理理理理学学学学研研研研究究究究的的的的基基基基础础础础”(”(”(”(爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦)Wien方程方程 当当 很小时，很小时，烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 第二个实验第二个实验第二个实验第二个实验光电效应光电效应光电效应光电效应(pho

13、toelectric effectphotoelectric effect)：光电效应光电效应(光源打开后光源打开后,电流表指针偏转电流表指针偏转)光电效应实验装置图烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人(2)发射电子与入射光强度无关，只要入射光的频率 0，即使弱光照射，也会有电子发射。增加光强只是使光电子数增加。(3)发射电子的动能与入射光频率(0)呈线性关系。有如下实验事实：有如下实验事实：有如下实验事实：有如下实验事实：(1)不同金属片有不同固定的频率 0（称为临阈频率），只有入射光的频率 0时，才能

14、发射出电子。当频率小于某频率 0时，无论光强多大，照射时间多长都不会发生光电效应。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人光光的的电电磁磁波波理理论论认认为为，光光的的能能量量由由光光的的强强度度决决定定，光光强强越越强强，金金属属片片发发射射出出的的光光电电子子动动能也越大，能也越大，而不是光电子动能与光强无关。而不是光电子动能与光强无关。只只要要光光强强足足够够强强，那那么么光光电电效效应应理理应应对对各各种种频率的光都发生，频率的光都发生，而不应具有极限频率而不应具有极限频率 0 0。按经典物理学理论按

15、经典物理学理论结论与实验事实相反结论与实验事实相反结论与实验事实相反结论与实验事实相反!烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 1905年年,爱爱因因斯斯坦坦(Einstein)第第一一个个意意识识到到Planck量量子子假假设设的的革革命命性性意意义义，并并进进一一步步发发展展了了普普朗朗克克的的能能量量子子概概念念，大胆地提出大胆地提出光量子假设光量子假设(光子说光子说,photon)：（1 1）光为一束以光速）光为一束以光速c c行进的行进的光子流光子流，每一种频率的光其能，每一种频率的光其能量都有一

16、个最小单位，称为光子。光的能量是不连续的量都有一个最小单位，称为光子。光的能量是不连续的（量量子化的子化的）（2）光子有）光子有质量质量 m=h/c2 (m0=0)(E=mc2)（3）光子有）光子有动量动量 p=h/（p=mv=mc=mc2/c=h/c=h/）烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人（5）光子与电子碰撞时）光子与电子碰撞时能量守恒与动量守恒能量守恒与动量守恒。“光子说光子说”表明了表明了光不仅有光不仅有波动性波动性，且有，且有微粒性微粒性，这就是光的这就是光的波粒二象性波粒二象性(wave-p

17、article duality)思想。思想。（4）光强决定于单位体积内光子的数目）光强决定于单位体积内光子的数目(光光子密度子密度),=dN/d =h ,p=h/Einstein关系式Einstein equation Albert Einstein(1879-1955)烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人光子能量光子能量:E=h 光子动量光子动量:p=h/光电效应方程光电效应方程:mv2/2=h-W(为入射光的波长为入射光的波长,W为金属的功函数为金属的功函数(逸出功逸出功),m和和v为为光电子的质量和

18、速光电子的质量和速度度)光频率光频率光电子动能光电子动能mv 2/2斜率为斜率为h烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人氢原子激发后会发出光来，测其氢原子激发后会发出光来，测其波长波长，得到，得到原子光谱原子光谱。Rydberg公式：656.3486.1434.1nm410.2n2n11,n1、n2为正整数，为正整数，n1决定光谱系决定光谱系Rydberg 常数(=1.09677576107m-1)Balmer公式：n=3、4、5、第三个实验第三个实验第三个实验第三个实验氢原子光谱氢原子光谱氢原子光谱氢原子

19、光谱(atom spectrum)(atom spectrum)：烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人Brackett线系线系Pfund线系线系 n2n11 Lyman线系线系Paschen线系线系Balmer线系线系 氢原子光谱五个线系烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人问题：问题：原子光谱怎样产生的？原子光谱怎样产生的？为什么是分立的光谱？为什么是分立的光谱？与原子结构有什么关系？与原子结构有什么关系？当时有关原

20、子的结构的知识当时有关原子的结构的知识原子由电子和带正电的部分组成。原子由电子和带正电的部分组成。原子为电中性。原子为电中性。电电子子的的质质量量比比原原子子的的质质量量小小得得多多，如如氢氢原原子子中电子的质量仅为氢原子的中电子的质量仅为氢原子的1/1836。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人问题：问题：电子为什么不与正电荷电子为什么不与正电荷“融合融合”？不能解释氢原子光谱的谱线系不能解释氢原子光谱的谱线系与其它许多实验事实不符与其它许多实验事实不符(粒子散射实验粒子散射实验)正正电电荷荷和和原原子

21、子质质量量均均匀匀分分布布在在球球体体内内。电电子子浸浸于于此此球球体体，并并可可在在球球内内运运动动。球球内内正正、负负电电荷荷相相等等，呈呈电电中中性性。(称称“葡葡萄萄干干布布丁丁”模模型型或或者者“西西瓜瓜”模型模型)Thomson原子结构模型原子结构模型(1903年年)烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人粒子通过金属而基本不发生明显的偏离。只有非常少的粒子发生偏离。约0.01%的粒子直接反弹回来。1911年，年，Rutherford用用 粒粒子轰击原子子轰击原子原子内大部分是空的。原子中有一核集

22、中了原子的几乎所有质量和全部正电荷，其半径却非常小。计算出原子半径为1.610-10m，而原子核半径仅为310-14m。推论推论烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人原子中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，其大小与整个原子相比是很小的。电子围绕原子核旋转。对于中性原子，原子核的正电荷与其周围的所有电子的负电荷之和相等。Rutherford关于原子结构的关于原子结构的“行星模型行星模型”烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一

23、想如何来治疗该病人问题：按经典物理学，绕核按经典物理学，绕核急速旋转的电子必定要连急速旋转的电子必定要连续地发射辐射能，直到电续地发射辐射能，直到电子落入原子核，这种子落入原子核，这种“湮湮灭灭”与与原子的稳定不符原子的稳定不符。并并且且，行行星星模模型型中中的的电电子子应应发发出出连连续续的的电电磁磁波波辐辐射射，观观察察到到的的原原子子光光谱谱应应是是连连续续的的带带状状光光谱谱,与与 “条形码条形码”不符不符!烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人但事实上但事实上,原子是稳定的原子是稳定的表明：表明：

24、表明：表明：在原子内，电子与核之间的各种吸引与排斥作用，与宏在原子内，电子与核之间的各种吸引与排斥作用，与宏观质点的运动有质的差异，单用经典物理学的规律无法说明，观质点的运动有质的差异，单用经典物理学的规律无法说明，必须以一种新的力学理论必须以一种新的力学理论(量子力学量子力学)来加以研究。来加以研究。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人玻尔玻尔玻尔玻尔(Bohr)(Bohr)理论理论理论理论（1 1）定定态态(stationary state)假假设设:原原子子中中的的电电子子只只能能在在某某些些特特定

25、定的的轨轨道道（能能量量不不随随时时间间改改变变，定定态态)上上运运动动，原原子子处处于于定定态态不不辐辐射射能能量量。基基态态(ground state),激激发发态态(excited state)1913年年，丹丹麦麦物物理理学学家家玻玻尔尔综综合合了了普普朗朗克克的的量量子子论论，爱爱因因斯斯坦坦的的光光子子说说以以及及卢卢瑟瑟福福的的原原子子有有核核模模型型，提提出出著著名名的的玻玻尔尔理理论：论：（2 2）频率规则：频率规则：（3 3）角动量量子化规则：角动量量子化规则：1922年年,Bohr获诺贝尔物理获诺贝尔物理学奖学奖.Niels Bohr(1885-1962)烧伤病人的治疗通

26、常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人（10-10 m）BohrBohr理论对氢原子光谱的解释理论对氢原子光谱的解释在定态中，绕核运动的电子的离心力与静电引力相平衡：电子的角动量：+e-er烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人总能量动能势能氢原子总能量氢原子总能量E应为其动能和静电吸引势能之和：应为其动能和静电吸引势能之和：烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如

27、何来治疗该病人不能解释氢光谱的谱线强度、光谱精细结 构、多电子原子的光谱现象。其假设的平面轨道与电子围绕原子核呈球形 对称的现象不符。未解释原子稳定存在的原因。Bohr理论的局限性理论的局限性 Bohr理论本质上仍然属于经典力学范畴，只不过附加上一些人为的量子化条件，也没有建立这种量子化条件和电子本性及其运动现象之间的联系，所以称之为旧的量子理论。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 静止质量不为零的实物粒子静止质量不为零的实物粒子(m0 0)-电电子、原子等微粒也具有子、原子等微粒也具有波动性波动性:二

28、二.实物微粒的波粒二象性实物微粒的波粒二象性 德布罗意假设德布罗意假设德布罗意假设德布罗意假设(de Broglies Hypothesis)de Broglies Hypothesis):德布罗意关系式德布罗意关系式粒子的能量频率粒子的动量de Brogliesde Broglies波长粒子的运动速度 L.V.de Broglie(1892-1987)烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人衍射束的方向性衍射束的方向性d=d=0.910.91 =5050 入射束入射束衍射束衍射束晶体晶体 戴维逊戴维逊戴维逊

29、戴维逊革末革末革末革末(Davission-Germer)(Davission-Germer)实验实验实验实验 当一束当一束5454eVeV的电子垂直地射在镍单晶的表面上时，在和入的电子垂直地射在镍单晶的表面上时，在和入射束成射束成5050 角的方向上表现有反射出来最多的电子数。且实验角的方向上表现有反射出来最多的电子数。且实验结果与德布罗意关系式结论很好符合。结果与德布罗意关系式结论很好符合。物质波物质波的实验证明的实验证明:烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人1.布拉格方程：布拉格方程：2.德布罗依预

30、言：德布罗依预言：=1.67=1.65 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 汤姆逊电子实验汤姆逊电子实验汤姆逊电子实验汤姆逊电子实验电子衍射实验电子衍射实验烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人例对于一自由粒子对于一自由粒子,有人作如下推导有人作如下推导:请问错何处请问错何处?烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人例1：（1）求以

31、1.0106 ms-1的速度运动的电子的波长。这个波长相当于分子大小的数量级，说明分子和原子中电子运动的波动性显著的。（2）求m=1.010-3kg的宏观粒子以v=1.010-2ms-1的速度运动时的波长 这个波长与粒子本身的大小相比太小，观察不到波动效应。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人例例2：计算电子经过：计算电子经过 和和 的电压的加速的电压的加速后的德布罗意波长。后的德布罗意波长。解：加速的电子速度远小于光速，可用经典力学计算电子加速后的动量：烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移

32、植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人问题：问题：物物质质波波究究竟竟是是一一种种什什么么波波？或或者者说说：具具有有波波粒粒二二象象性性的的微微观观粒粒子子，它们遵循什么样的物理规律？它们遵循什么样的物理规律？实物微粒波代表的物理意义玻恩的统计解释实物微粒波代表的物理意义玻恩的统计解释 一个粒子不形成波，但大量粒子的衍射图揭示一个粒子不形成波，但大量粒子的衍射图揭示出粒子运动的波性及其统计性。出粒子运动的波性及其统计性。几率波几率波微粒的波性是和微粒行为的统计性联系在一起的微粒的波性是和微粒行为的统计性联系在一起的Max Born(1882-1970)烧

33、伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人1统计结果统计结果-波动性波动性时间时间234瞬时作用瞬时作用-粒子性粒子性由电子衍射实验发现：由电子衍射实验发现：(1)用较强的电子流可以在短时间内得到电子衍射照片;(2)若用很弱的电子流，让电子先后一个一个的到达底片，只要时间足够长，也能得到同样的衍射结果。单个电子有粒子性，到达底片得不到衍射图象，当电子数目足够多时，底片就显示出衍射图象。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人环纹

34、处，环纹处，粒子出现的概粒子出现的概率大，环纹愈强，概率率大，环纹愈强，概率愈大，愈大，空白区，空白区，概率很小。概率很小。衍射图上并不能区分个别粒子的位置，衍射图上并不能区分个别粒子的位置，看到的是大量粒子的统计平均行为。看到的是大量粒子的统计平均行为。经典波描述某物理量在空间分布的周期变化，经典波描述某物理量在空间分布的周期变化，而概率波描述微观粒子的概率分布；而概率波描述微观粒子的概率分布；烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人对微粒行为来说：对微粒行为来说：(1)对大量微粒来说，衍射强度（即波的强度

35、）大的地方，粒子出现的数目多，衍射强度小的地方，粒子出现的数目就少。(2)对单个粒子而言，到达底片的位置不能准确预测。但如用相同速度的粒子，在相同的条件下重复多次相同的实验，也会出现衍强度大的地方出现机会多，衍射强度小的地方出现的机会少的现象。可见，电子波性是和微粒行为的统计性相联系。可见，电子波性是和微粒行为的统计性相联系。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人宏观粒子宏观粒子实物微粒实物微粒粒子性粒子性 服从牛顿力学，有可预测的运动轨道 不服从牛顿力学，无法预测运动规律波动性波动性无波动性有波动性，其分

36、布具有几率性烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 1927年,W.K.Heisenberg提出了微观领 域的不确定原理(uncertainty principle):有这样一些成对的可测量,要同时测定它们的任意精确值是不可能的.其中一个量被测得越精确,其共轭量就变得越不确定.例如,坐标与相应的动量分量、方位角与动量矩等.实物粒子具有波性,测不准原理是由微粒本质决定的物理量间的相互关系,不确定原理可以用不同的方式来阐述,最容易理解也最常用的是电子的单缝衍射实验:三、波粒二象性的必然结果三、波粒二象性的必然结

37、果“不确定关系不确定关系”W.K.Heisenberg(1901-1976)烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人yeDOxPQAOACPpsin电子单缝衍射实验示意图狭缝到底片的距离远大于狭狭缝到底片的距离远大于狭缝宽度缝宽度,sin OC/AO=/D在在P点的动量在点的动量在x轴的分量就轴的分量就是在该方向的不确定量是在该方向的不确定量pxpsin p/D=h/D，而而坐标坐标x的不确定量的不确定量x即为即为单缝宽度单缝宽度D xD,所以所以 xpxh x px h考虑二级以上衍射，考虑二级以上衍射，C

38、在在P点出现一级衍射极小的条件点出现一级衍射极小的条件:光程差光程差OC等于半波长的整等于半波长的整数倍数倍:即即OC=1/2 烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人由更详细的计算可得以下关系式由更详细的计算可得以下关系式由更详细的计算可得以下关系式由更详细的计算可得以下关系式-测不准关系式测不准关系式:但是任一坐标与另一动量方向分量之间不受这种限制但是任一坐标与另一动量方向分量之间不受这种限制但是任一坐标与另一动量方向分量之间不受这种限制但是任一坐标与另一动量方向分量之间不受这种限制烧伤病人的治疗通常是取

39、烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人注：“”=x “”=px测不准关系表达测不准关系表达表表明明:具有波性的粒子，不能同时有确定的坐标和动量，当它的某个坐标越精确，其相应的动量就越不确定，反之亦然。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 粒粒子子在在某某能能级级上上存存在在的的时时间间越越短短，该该能能级级的的不不确确定定度度程程度度E E就就越越大大.只只有有粒粒子子在在某某能能级级上上存存在在的的时间无限长，该能级才是完全确定的。时间无

40、限长，该能级才是完全确定的。能量能量-时间不确定关系式时间不确定关系式烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子所以，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，不确定关系对宏观弹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。物体来说没有实际意义。例例1.1.一一颗颗质质量量为为10g的的子子弹弹，具具有有200ms-1的的速速率率，若若其其动动量量的的不不确确定定范范围围为为动动量量的的0.01%(这这在在宏宏观观范范

41、围围已已十分精确十分精确)，则该子弹位置的不确定量范围为多大，则该子弹位置的不确定量范围为多大?解解:子弹的动量子弹的动量动量的不确定范围动量的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人我我们们知知道道原原子子大大小小的的数数量量级级为为10-10m，电电子子则则更更小小。在在这这种种情情况况下下，电电子子位位置置的的不不确确定定范范围围比比原原子子的的大大小小还还要要大大几几亿亿倍倍，可可见见企企图图精精确确地地确确定定电电

42、子子的的位位置置和和动动量已没有实际意义。量已没有实际意义。例例2 2.一一电电子子具具有有200ms-1的的速速率率，动动量量的的不不确确定定范范围围为为动动量量的的0.01%(这这已已经经足足够够精精确确了了)，则则该该电电子子的的位位置不确定范围有多大置不确定范围有多大?解解:电子的动量为电子的动量为动量的不确定范围动量的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人 宏观物体宏观物体 微观粒子微观粒子具有确定的坐标和动量具

43、有确定的坐标和动量 没有确定的坐标和动量没有确定的坐标和动量可用牛顿力学描述。可用牛顿力学描述。需用量子力学描述。需用量子力学描述。有连续可测的运动轨道，可有连续可测的运动轨道，可 有概率分布特性，不可能分辨有概率分布特性，不可能分辨 追踪各个物体的运动轨迹。追踪各个物体的运动轨迹。出各个粒子的轨迹。出各个粒子的轨迹。体系能量可以为任意的、连体系能量可以为任意的、连 能量量子化能量量子化。续变化的数值。续变化的数值。不确定度关系无实际意义不确定度关系无实际意义 遵循不确定度关系遵循不确定度关系微观粒子和宏观物体的特性对比微观粒子和宏观物体的特性对比烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自

44、体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人量子力学的发展历程量子力学的发展历程普朗克普朗克(18581947)德国物理学家德国物理学家 1900年提出量子假说，1906年建立经典量子论的理论基础。量子论的诞生使物理学进入了一个新的时代。他因此于1918年获诺贝尔物理学奖。爱因斯坦爱因斯坦(18791955)德裔美国物理学家德裔美国物理学家 1905年提出了“光量子说”，于1921年获奖。他发展了量子理论，创立了相对论。德布罗意德布罗意(18921987)法国物理学家法国物理学家 1924年首先提出电子和原子中的其他物质组成都具有波动性，并进而提出“通常”的

45、物质也应具有波粒二象性的物质波思想。于1929年获奖。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人玻尔玻尔(18851962)丹麦物理学家，经典量子论和现代丹麦物理学家，经典量子论和现代量子论的创立者之一量子论的创立者之一。1913年把量子化的概念引进原子结构理论，于1922年获奖。此后，他提出电子的波动模型与粒子性互补，使量子力学的发展由经典量子论进入现代量子论的阶段。海森堡海森堡(19011976)德国物理学家德国物理学家 1925年建立了量子理论第一个数学描述矩阵力学，1927年提出著名的“测不准原理”，为

46、现代量子论的建立铺下了奠基石。于1932年获奖。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人薛定谔薛定谔(18871961)奥地利物理学家奥地利物理学家 1926年提出量子论的另一个数学描述波动力学，波动力学与海森堡提出的矩阵力学被称为量子力学的“双胞胎”，是研究原子、分子等微观粒子的有力工具，并奠定了基本粒子相互作用的理论基础，于1933年获奖。泡利泡利(19001958)奥地利物理学家奥地利物理学家 1924年提出了现代量子理论的最基本定律之一“不相容原理”，于1945年获奖。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的

47、健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人第二节第二节 量子力学基本假设量子力学基本假设 量子力学是描述微观粒子运动规律的科学，量子力学的基本原理是自然界的基本规律之一。量子力学是从几个基本假设出发，推导出一些重要结论，用以解释和预测许多实验事实。一、波函数和微观粒子的状态一、波函数和微观粒子的状态假设假设1 1 对于一个微观体系，它的状态和有关情况可以用波函数(x,y,z,t)来表示。是体系的状态函数，是体系中所有粒子的坐标函数，也是时间函数。(x,y,z,t)决定了体系的全部可测物理量.在原子体系中，就是原子轨道在分子体系中，就是分子轨道

48、烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人定态波函数：不含时间的波函数(x,y,z),即能量和概率密度都不随时间改变的态。本课程只讨论定态波函数。一般为复数形式：fig，f和g均为坐标的实函数。的共轭复数*fig，*=f2g2，因此*是实函数，且为正值。为书写方便，常用2代替*。由于空间某点波的强度与波函数绝对值的平方成正比，所以在该点附近找到粒子的几率正比于*(概率密度，电子云)，用波函数描述的波为几率波几率波。几几率率：空间某点附近体积元d(=dxdydz)中电子出现的概率，即*d。(x,y,z)在空间某点

49、的数值，可能是正值，也可能是负值，微粒的波性通过的+、反映出来，与光波相似。的性质与其是奇、偶函数有关，波函数的奇、偶性是具有波性微粒的重要性质，涉及微粒从一种状态跃迁至另一个状态的几率性质等。虽不是物理波，但是粒子运动状态的一种数学表示，可从中得到体系状态的有关物理量和变化信息。(波函数隐含着体系所有性质波函数隐含着体系所有性质)烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人平平方方可可积积：即在整个空间的积分*d应为一有限数，通常要求波函数归一化，即*d 1。连连续续：即的值不会出现突跃，而且对x，y，z 的一

50、级微商应是x，y，z的连续函数。从物理意义上看，粒子在空间存在的频率应该是连续变化的。符合这三个条件的波函数称为符合这三个条件的波函数称为合格波函数合格波函数或或品优品优波函数。波函数。合格波函数的条件合格波函数的条件单单值值：即在空间每一点只能有一个值；粒子在空间某点出现的概率密度不可能既是这个值又是那个值，而应该是单值的。烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人烧伤病人的治疗通常是取烧伤病人的健康皮肤进行自体移植，但对于大面积烧伤病人来讲，健康皮肤很有限，请同学们想一想如何来治疗该病人二、物理量和算符二、