第一章 量子力學基礎
結構化學是研究原子、分子和晶體的微觀結構,闡述分子和晶體的成因;研究結構與性能之間的關係;以及測定分子和晶體結構實驗方法的學科。因此結構化學是化學各學科、各專業的重要基礎理論課程。
量子力學是研究微觀粒子(電子、原子、分子等)運動規律的理論,是深入探討物質結構及其性能關係的理論基礎。結構化學討論的對象是分子結構,涉及電子、原子等微觀粒子,這些粒子的運動規律服從量子力學基本原理,所以本章內容是學習結構化學必備的基礎知識。
本章簡單介紹量子力學誕生的實驗基礎,引齣微觀粒子的能量量子化與波粒二象性兩個最基本、最重要的概念。以假設的形式介紹量子力學基本原理① ,並應用討論無限深勢阱中的電子。同時,扼要地介紹瞭關於量子力學基本理論的爭論。
第一節 量子力學實驗基礎與基本概念的引齣
人們把牛頓(Newton)力學、熱力學、統計力學、麥剋斯韋( Maxwell)電磁理論等稱為經典物理學,將量子力學以及在其基礎上發展起來的量子場論稱為量子理論。
19 世紀末,經典物理學已發展得相當完善,大多數物理學傢相信,理論上不會有什麼新的發現,以後的工作隻是如何應用現有的理論解決具體問題及提高計算結果的精確度。可是在19 世紀末到20 世紀初,發現瞭一些新的實驗現象,如黑體輻射、光電效應、原子綫狀光譜等,都是經典物理學無法解釋的。這些現象揭示瞭經典物理學的局限性,暴露瞭經典物理學與微觀粒子運動規律的矛盾,從而為量子力學的創立提齣瞭要求和準備瞭條件。
一、能量量子化與光的波粒二象性
1.黑體輻射和能量量子化
實驗證明物體在任何溫度下都嚮周圍發射電磁波,即産生輻射,物體發齣的輻射能以及輻射能按波長的分布主要取決於物體的溫度,所以這種輻射稱為熱輻射。熱輻射是自然界普遍存在的現象。物體發射電磁波的同時也吸收周圍其他物體所發射的電磁波。如果物體在單位時間輻射齣的能量恰好等於吸收其他物體輻射齣來的能量,則輻射過程達到平衡,稱為平衡熱輻射。
對於外來的輻射,物體有反射或吸收作用。如果一個物體在任何溫度下都能將投射於其上的輻射全部吸收而無反射,這種物體就稱為絕對黑體,簡稱黑體。自然界沒有真正的黑體,絕對黑體顯然是一種理想模型。一個帶有小孔的空腔可以近似看作黑體,如圖1 1 所示。所有射入該小孔的輻射會在空腔內經過多次反射纔可能由小孔射齣空腔,而每次反射,腔壁都吸收一部分能量,經多次反射後,僅有極微弱的能量從小孔逸齣,實際上可以忽略不計,認為空腔中的輻射全部被吸收,因此可以把開有小孔的空腔視為黑體。
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