物质结构课件

物质结构课件杜秀果•一、《物质结构》的任务•二、发展简史•三、本课程的内容安排•四、本课程的学习方法•五、本课程的主要参考书•六、本课程的考核办法绪论Introduction一、《物质结构》的任务研究对象原子分子晶体核外电子运动规律化学键与分子结构晶体结构与性质《物质结构》主要研究原子、分子及晶体的结构以及它们和性质间的关系。研究内容结构结构与性质的关系几何结构电子结构结构化学是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学。它要从各种已知化学物质的分子构型和运动特征中，归纳出物质结构的规律性；还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子，为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的、形形色色的分子，以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式，和分子中原子相对位置的立体化学特征；结构化学还要说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征。•另一方面，从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能，和各种宏观非化学性能与微观结构之间的关系及其规律性。在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性，设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质，在化学键理论和实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论。与此同时，还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法。•与其他的化学分支一样，结构化学一般从宏观到微观、从静态到动态、从定性到定量按各种不同层次来认识客观的化学物质。演绎和归纳仍是结构化学研究的基本思维方法。当今结构化学主要研究新构型化合物的结构化学，尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物。这一类研究涉及“化学模拟生物固氮”等在理论研究上极其重要的课题，以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切。有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义。表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切，有关的研究对于工业催化剂，尤其是合成氨等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用。激光光谱学和激光化学的研究，对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响，并且可能导致新的结构化学研究手段的建立。激光作用下的化学反应过程更具有独特之处。结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率，充分发挥结构化学数据库的作用，对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响。有关方法的建立将对于“分子设计”的实现起着重要的作用。目前，结构化学已成为一门不但与其他化学学科联系密切，而且与生物科学、地质科学、材料科学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进。由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立，结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视。二、发展简史20’s初旧量子论普朗克，爱因斯坦，玻尔，#11.幻灯片10德布罗意，海森堡。1926年薛定谔方程H2结构现代量子时代量子化学海特勒，伦敦，Pauling,Mulliken,Slater,Hund,休克尔，福井谦一，霍夫曼等。•1900年普朗克提出量子论。是微观领域对经典物理学第一次强有力的冲击。•1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应，将微观运动规律推进一大步。•1911年卢瑟福提出原子有核模型。•1913年波尔提出原子结构的量子理论。提出原子内电子运动“不连续性”提出“定态”概念。此理论的发展是化学键的电子理论得以建立，使化学基础理论发展步入一个新阶段。•1924年德布罗意提出电子等实物粒子具有波粒二象性，标志量子力学的诞生。•1926年薛定谔给出了物质波波动方程S.方程。•1927年海特勒和伦敦提出价键理论。洪特等人提出分子轨道理论。20’s物理学两大支柱相对论量子力学量子化学结构化学基础电子运动化学1986年的诺贝尔化学奖得主李远哲曾说过，化学的规律就是量子力学，所有的化学现象都跟电子运动有关。三、本课程的内容安排•第一章量子力学基础和原子结构•第二章共价键理论和分子结构•第三章配位场理论和配合物结构•第四章分子结构测定方法的原理及应用•第五章晶体结构四、本课程的学习方法•1、重视理论和实践的密切联系•2、注重抽象思维和运用数学工具处理问题的方法•3、要恰当的运用类比、模拟、对比和其他手法处理问题•4、重视基础理论、基本概念的学习。五、本课程的主要参考书•1．徐光宪,《物质结构》,人民教育出版社。•2．谢有畅，邵美成，《结构化学》•（上、下册），人民教育出版社。•3．柯耳逊,《原子价》(陆浩译),科学出版社。•4．唐有祺,《结晶化学》,高等教育出版社。•5．各类习题集（图书馆）。六、本课程的考核方法•1、旷课超过总学时的三分之一者不准参加考试•2、平时成绩占20%，试卷成绩占80%•3、考勤方法：点名、课堂练习上交的情况第一章•量子力学基础与原子结构原子中电子的运动规律量子论微观粒子§1-1经典物理学的困难和量子论的诞生牛顿力学Boltzman统计物理学Maxwell电磁理论等.经典物理学热现象认为光是一种波物体运动三定律原子为什么能够稳定存在？经典物理学：绕核高速旋转的电子向外辐射能量，最终落入原子核。原子光谱怎么是线状的？经典物理学：认为物体连续发射或吸收辐射。1．三个著名实验导致“量子”概念的引入•黑体辐射•光电效应•氢原子光谱1900,普朗克（Plank）1905,爱因斯坦（Einstein）1913，玻尔（Bohr）(1)黑体辐射黑体指能全部吸收外来辐射的物质。实验现象：黑体只能不连续地吸收辐射。（即波长或频率不连续）经典物理学：一直认为物质只能连续地吸收辐射。(即能量连续变化）（加热释放出各种频率的辐射能）Eλ随λ的变化呈正态分布Plank提出：•①黑体是由谐振子构成的；•②一个谐振子的能量为,3,2,1,nnhE为谐振子的振动频率,(谐振子能量变化不连续)h=6.626*10-34JS（普朗克常数）,黑体以h的整数倍吸收外来辐射.(2)光电效应金属杯靶电流计•以某一波长的光照射在靶A上面，可以观察到光电流。实验现象：光强2外加电压-0+光电流i光强1Vs(1)Vi，V=0时，i0，V足够大i达到最大(2)需加反向电压，遏止光电子运动——遏止电压Vs,（i=0）与入射光的强度无关遏止电压与入射光的强度无关,而与其频率相关。(3)矛盾遏止电压与入射光强度相关。经典物理学光电效应第二块拌脚石一场前所未有的革命爱因斯坦返回图形•总结现象得出结论•1）每种金属表面都有一临阈频率0，只有入射光频率0时，有电子溢出，否则无。不同金属0不同。•2）当0时，光强增加，光电流增加。•3）光电子动能随光的频率成直线状增加，与光强无关。•4）入射光照到金属表面立即有光电子产生，无时间差。爱因斯坦“光子学说”①光子的能量：hE为光的频率。②光子的质量：c为光速。2mcE③光子的动量：为波长。辐射能的最小单位•④光是以光速行进的光子流，光强取决于单位体积内的光子数目，光子的密度ρ=limΔN/Δ=dN/d•⑤光子与电子碰撞时服从能量守恒和动量守恒定律。“光子学说”“波动性”“粒子性”（频率和波长）（能量和动量）光的二象性改变光的认识Einstein波粒二象性光局限性根据能量守恒原理0221wmvh入射光的能量光电子动能逸出功=h0遏止电压Vs与入射光的强度无关，与入射光的频率相关.(3)氢原子光谱实验现象：不连续谱线。矛盾经典物理学:只能解释连续谱。谱线的经验公式自然数线状光谱里德堡常数•1885-1910年最有代表性的线系•n=1赖曼线系（远紫外区）•n=2巴尔末线系（可见光区）•n=3帕刑线系（近红外）玻尔理论：①定态规则（能量量子化规则）：处于定态的原子不能吸收或发射能量；||12EEhv②频率规则：原子从一个定态向另一个定态跃迁时，才能吸收或发射能量。③角动量的量子化规则：某一定态的原子中，电子的轨道角动量：氢原子光谱解释假设H原子核外电子绕核作匀速圆周运动向心力=离心力玻尔理论)(9.5222220pmnnmehnrn自然数基态H原子中1S电子最可几位置为：r=52.9pm(玻尔半经)。轨道半径量子化a0n自然数定态能量不变,可稳定存在。能量量子化基态H原子中1S电子的能量为:-13.6eV(n=1)由n1→n2状态跃迁时:n1和n2取自然数不连续线状光谱加负号三个著名实验的总结能量量子化普朗克黑体辐射光电效应光的波粒二象性爱因斯坦轨道角动量、轨道半径、电子能量等均具量子化特征.玻尔氢原子光谱2.德布罗意对物质波的假设L.V.deBroglie（德布罗意）德布罗意受爱因斯坦的“光子学说”的启发,大胆假设电子具有波动性.1929年,德布罗意获诺贝尔物理学奖.德布罗意假设电子具有波动性,借用Einstein的“光子学说”的公式:德布罗意公式（一切实物粒子）粒子性波动性h例1：具有105eV能量的电子微观粒子电子与其本身的线度(10-10m)可比拟，呈现波动性。德布罗意波例2：以1m.s-1速度运动的小球宏观物体小球很小（10-34m)，波动性没有实际意义。3．物质波的实验证明(美)戴维逊—革末的电子束在镍单晶上反射实验(英)G.P.汤姆逊电子衍射实验氧化锆晶体的X射线衍射图金晶体的电子衍射图•1）金属中原子有规则的周期性排列，晶面间距与X射线的波长（n-几百个pm）相当，因此晶体可做X射线的天然光栅。•2）电子束可代替X射线•设加速电位差为V电子运动波长：•则•λ=•若V=1000v得λ=39pm•波数级和X射线相近，故可代替mvhEeVmv221)(V110*1.2269-m•P20图，若只考虑晶体衍射的第一级极大，相邻两界面所衍射的电子射线光程差应等于入射电子波长λ•λ=2dsinθθ=½(Π-φ）=½(Π-50)=65°•λ=1.65Å•用德氏公式计算：λ=h/P=1.67x10m=1.67Å•实验与计算结果相符，证明电子是一种波-104．波粒二象性的必然结果“不确定关系”波粒二象性位置和动量不能同时确定。海森堡测不准关系式微观粒子h0宏观物体h0位置和动量同时确定。微观粒子不能同时有确定的位置和动量。位置越精确(Δx↓),动量越不精确(Δpx↑)。动量越精确(Δpx↓),位置越不精确(Δx↑)。或例1．设电子运动速度v=106m·s-1,Δx=1Å，求其速度的不确定程度。解：由海森堡不确定关系式：得：微观粒子具有波动性速度的不确定程度不能忽视。•例2质量为0.05㎏的子弹，运动速度为300m/s，如果速度的不确定程度为其原来运动速度的0.01%，则其位置的不确定程度为：•ΔΧ≈h∕mΔv=4.4*10m•可以忽略不计。-31§1-2实物微粒运动状态的表示法及态叠加原理实物粒子具有波动性1．波函数ΨΨ(x,y,z,t)状态函数（波函数）—体系的状态例：基态H原子1s电子包含微观体系的全部信息不含时波函数电子在(x,y,z)处出现的几率密度几率密度运动规律不确定电子何时在何处确定电子何时在何处出现的几率密度波粒二象性电子的波动性不随时间变化定态微观粒子是几率波2．波函数的性质(1)Ψ:实波函数或复波函数几率密度实数(2)Ψ连续、单值、有限(平方可积)空间内出现电子的几率合格波函数的条件（品优）(3)Ψ和CΨ表示同一状态（乘一常数不同位置几率密度之比不变）Ψ为归一化波函数(4)Ψ归一化为归一化波函数例：求sinx的归一化常数解：设归一化常数为N021sinxdxN2021)2cos1(2Ndxx2N作业：将cosx化为归一化函数3．量子力学态叠加原理Ψ1，Ψ2，Ψ3…微观粒子的可能状态也描述该体系的某个状态例：是氢原子中电子的一种可能状态。§1-3实物微粒的运动规律——薛定谔方程薛定谔方程建立的基础是波粒二象性假设：微观粒子的运动状态Ψ可由Ѕ.方程求解1、定态Ѕ.方程：物理意义：质量为m的粒子，在势能为v的势场中运动，其定态波函数Ψ服从Ѕ.方程，求