结构化学1、课程介绍 2、课程的学习方法 广泛阅读 独立思考 参与讨论 善于归纳 3、主要参考书 结构化学，江元生编著 结构化学，徐光宪编著 结构化学，谢有畅、邵美成 物质结构，潘道恺

Physical Chemistry ,P.W Atkin Quantum chemistry , Levine I N.

4、课程要求

第一章 量子力学基础知识(课堂讲授8学时)

1 . 微观粒子的运动特征 2 . 量子力学基本假设 3 . 算符、本征方程及其解 4 . 势箱中自由粒子的薛定谔 方程及其解

十九世纪末的物理学十九世纪末，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门。

第一节.微观粒子的运动特征电子、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。

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 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， 也是理想的发射体。

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 吸收和部分漫反射……,只有很小部分入射光有 机会再从小孔中出来。如图1-1所示

图1-2表示 在四种不同的 温度下，黑体 单位面积单位 波长间隔上发 射的功率曲线。 十九世纪末， 科学家们对黑 体辐射实验进 行了仔细测量， 发现辐射强度 对腔壁温度 T 的依赖关系。

黑体是理想的吸收体，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。由图中不同 温度的曲线可见，随温度增加，Eν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，1900年Plank 提出了黑体辐射的能量量子化公式:

为了解释黑体辐射现象，他提出粒子能量永远是 h 的整数 倍， = n h ,其中 是辐射频率，h 为新的物理常数，后

人称为普朗克常数(h=6.626×10-34 J·),这一创造性 s 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子结构。量子假说使普朗克 获得1918年诺贝尔物理奖。

Plank

The Nobel Prize in Physics 1918"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"Max Karl Ernst Ludwig Planck Germany Berlin University Berlin, Germany 1858 - 1947普朗克

1.1.2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.随着光强的增加，发射的电子数也增加，但不影响 光电子的动能。 3.增加光的频率，光电子的动能也随之增加。 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。

图1-3 光电效应示意图

(光源打开后,电流表 指针偏转)

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

h

式中h为Planck常数，ν为光子的频率。 (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,ε=mc2,光子 的质量为 m = h /c2 所以不同频率的光子有不同的质量。

(3).光子具有一定的动量(p)

P = mc = h /c = h/λ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。 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 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。

Ek = h - W

Ek = h - W式中W是电子逸出金属所需要的最低能量，称为脱 出功，它等于h 0;Ek是光电子的动能，它等于 mv2/2 ,上式能解释全部实验观测结果： 当h < W时，光子没有足够的能量使电子逸 出金属，不发生光电效应。 当h = W时，这时的频率是产生光电效应的临 阈频率。 当h > W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。 ―光子说”表明——光不仅有波动性，且有 微粒性，这就是光

的波粒二象性思想。

Einstein

The Nobel Prize in Physics 1921"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"

Albert EinsteinGermany and Switzerland Kaiser-Wilhelm-Institut (now Max-Planck-Institut) fü Physik r Berlin-Dahlem, Germany 1879 - 1955

爱因斯坦