南开大学结构化学精品课件-第1章

NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础电子-+真空石英管光VA电子-+真空石英管光VA第一章：量子力学基础TheFoundationofQuantumMechanicsNankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础§1.1旧量子论(TheOldQuantumTheory)1.1.1经典物理学(ClassicalMechanics)十九世纪末期，经典物理学“完美”的理论机械运动→牛顿(Newton)力学电磁现象和光→麦克斯韦尔(Maxwell)方程热现象→热力学和统计物理学(Boltzmann&Gibbs)“Themoreimportantfundamentallawsandfactsofphysicalsciencehaveallbeendiscovered,andthesearenowsofirmlyestablishedthatthepossibilityoftheireverbeingsupplantedinconsequenceofnewdiscoveriesisexceedinglyremote....Ourfuturediscoveriesmustbelookedforinthesixthplaceofdecima”Albert.A.Michelson(迈克耳逊)speechatthededicationofRyersonPhysicsLab,U.ofChicago1894“Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement”-Kelvin,LordWilliamThomsonAlbertA.MichelsonbecamethefirstAmericantoreceiveaNobelPrizeinphysics,1907NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础开尔文勋爵1900年4月27日(inthemeetingoftheRoyalInstitutionofGreatBritain)宣告物理学的大厦已经建成，以后只需对这座大厦作点小小的修补工作就行了；另一方面他又认为“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了”相对论量子论Michelson-Morley实验黑体辐射Kelvin,LordWilliamThomson(1824-1907)NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础①质量恒定，不随速度改变②物体的能量是连续变化③物体有确定的运动轨道④光现象只是一种波动经典物理学的研究范围：质量m原子分子速度v光速经典物理向高速领域推广物体接近光速时相对论力学AlbertEinstein(1879-1955)经典物理向微观领域推广研究对象向微观发展量子力学观点①观点②③④经典物理学的一些基本观点NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础黑体辐射和能量量子化(BlackbodyRadiationandQuantizationofEnergy)19世纪末，炼钢、照明等生产的需要，热辐射研究是一个十分重要的课题，物体的热辐射和温度有着一定的函数关系。1859年，基尔霍夫(Kirchhoff)定义理想模型—绝对黑体黑体：指在任何温度下能够完全吸收外来的辐射而不进行反射和透射的理想物体。基尔霍夫证明：黑体与热辐射达到平衡时，辐射能量密度随频率变化曲线的形状和位置只与黑体的绝对温度有关，而与空腔的形状及组成物质无关。012345601234561200K1400K1600K1800K/103Jm/10-6m2000K3max2.89810KmTWilhelmWien(1864-1928)1893年，维恩发现黑体辐射的位移律NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础速率分布的分子发射出来的，得到了辐射能量密度与波长的经验关系式：(维恩1911年获Nobel物理奖)瑞利(1904年Nobel物理奖)和金斯从经典电动力学出发也得到：Rayleigh-Jeans公式/58ehckThc在波长较短时和实验符合得很好，但在长波方面有显著偏差波长很大时与实验符合，但在波长较小时完全不适用。“紫外灾难”Ultravioletcatastrophe1900年10月，普朗克(MaxPlanck)新的黑体辐射公式5/81e1hckThc与所有实验数据均相符合，从该公式出发，在长波端可得到Rayleigh-Jeans公式，在短波端得到Wein公式。0510024PlanckdistributionRayleight-JeanslawWeindistribution/103Jm-4/10-6m203040506048kTNankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础日普朗克在柏林德国物理学会会议上提出能量量子化假设黑体是由不同频率的谐振子组成每个特定频率的谐振子的能量E总是某个最小能量单位0的整数倍E=n0，这个基本单位叫能量子每个能量子的能量与谐振子的振动频率的关系为0=hv普朗克因提出量子化概念获得1918年Nobel物理奖。MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858-1947)h=6.6260689610-34J·s基于以上假设，就可以推导出Planck黑体辐射公式NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础《结构化学》第一章量子力学基础Hertz1887年发现问题:电子动能与光强度；仅当光的频率超过临阈值时，电子才会发射；入射光的频率超过阈值时，发射电子的动能与光的频率呈线性关系，与光强无关，光的强度只影响光电子的数量。经典电磁理论无法解释1905年Einstein用量子论解释1916年密立根实验验证1.1.3光电效应与爱因斯坦的光子学说PhotoelectricEffectandEinstein’sExplainationkineticenergyofejectedelectron电子-+真空石英管光VA电子-+真空石英管光VA2012mvhWRobertA.Millikan(1868-1953)爱因斯坦1921年获Nobel物理奖密立根在1923年获Nobel物理奖hNankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础’sTheoryfortheHydrogenAtom1885年巴尔末(Balmer)线系：1889年里德伯(Rydberg)方程：1908年在近红外区发现了帕邢(Paschen)线系(n1=3)1914年在紫外区发现了赖曼(Lyman)线系(n1=1)1922年在红外区发现布喇开(Brackett)线系(n1=4)1924年在远红外区发现普丰特(Pfund)线系(n1=5)。50010001500200025003000/nm22112Rn221211Rnn1109677.58cmRNankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础年基于卢瑟福(ErnestRutherford)提出的原子模型，综合Planck和Einstein的量子论，提出了关于原子结构的模型①经典轨道加定态条件氢原子中的电子绕原子核作圆周轨道运动，在一定轨道运动的电子具有一定的能量，电子若不发生跃迁，总是处于定态，处于定态时的原子不产生辐射，根据核对电子的静电引力与电子在轨道上运动的离心效应的平衡，可以求出允许的定态。②频率条件原子从一个定态跃迁到另一个定态要吸收或发射频率为的辐射，其频率条件由hv=EE'决定(玻尔频率条件)。③角动量量子化对于原子各种可能存在的定态有一个限制，即电子轨道运动的角动量必须等于(h/2)的整数倍。NielsBohr(1885-1962)根据以上假定，计算氢原子电子绕核运动的半径a0=52.92pm(玻尔半径)，所计算出Rydberg常数与实验完全吻合。玻尔于1922年获得Nobel物理奖n=1n=2n=3E=hv+ZeNankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础旧量子论•依然假定微观粒子的位置和速度可以同时确定，即可以得到微观粒子运动的轨迹•量子化的提出带有明显的人为性质，没有在本质上解释•没有注意到大量微粒所具有的波动性特征旧量子论很快就被量子力学所取代•黑体辐射问题—Planck提出能量量子化概念•光电效应—Einstein提出光量子的概念•氢光谱—Bohr将上述两个概念应用在Rutherford原子模型上，提出了玻尔模型NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础§1.2实物微粒的波粒二象性(Wave-ParticleDualityofMatter)1.2.1光的波粒二象性(Wave-ParticleDualityofMatter)牛顿(Newton)1704年《光学》(Opticks)光的微粒说惠更斯(ChristianHuygens)1690年《光论》(TraitedelaLumiere)光的波动说托马斯·杨(ThomasYoung)1807年双缝干涉实验菲涅耳(AugustinFresnel)1819年横波麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)1856-1865年电磁理论光是一种电磁波赫兹(GustavHertz)1887年实验验证电磁波光的波动说似乎已确定无疑NankaiUniversity《结构化学》第一章量子力学基础爱因斯坦的光子学说(粒性)E=h1905