结构化学1.1.ppt

1、结构化学 Structural Chemistry,康丽华 TelEmail： ,绪论,任务,在自然科学中，探明物质的结构是理论研究的基础。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。,经典定义,结构化学是研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子和分子运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学。,化学的新定义,化学是主要研究从原子、分子片、分子、超分子，到分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态的合成和反应，分离和

2、分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学。 徐光宪,从实验学科向理论学科的转变,1998年诺贝尔化学奖获得者Kohn和Pople认为：“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了”,Nobel Prizes -in structural chemistry,维兰德(18771957) 德国化学家 1924年测定了胆酸及多种同类物质的化学结构，于1927年获奖。胆酸存在于动物胆汁中，在人体内帮助油脂的水解和吸收，降低血液中胆固醇含量,H.费舍尔(18811945) 德国化

3、学家 1921至1929年测定了血红素结构，指出血红素参与生物体内氧的输送；1927至1939年确定了叶绿素的分子结构。于1930年获奖,德拜(18841966)美国物理化学家 1914年将X射线衍射技术用于测定化合物晶体的分子结构。此法的推广和应用，大大促进了结构化学的发展。于1936年获奖,巴顿(19181998) 英国化学家40年代巴顿和哈塞尔提出了“构象分析”概念，用于研究分子特性与分子中原子的复杂空间三维结构之间的关系，对发展立体化学理论作出了贡献，于1969年获奖,D.霍奇金(19101994) 英国女化学家 1933至1956年用X射线衍射法测定了胆固醇、维生素B12、青霉素等生

4、物化学物质的分子结构。于1964年获奖,赫兹伯格(19041999) 加拿大物理化学家 1928至1971年运用光谱学阐明了多种分子的电子结构与运动，特别是在自由基的研究中取得了卓越成就，促进了物理化学、量子化学、天体物理学的发展。于1971年获奖,卡尔(1918) 美国物理化学家 50年代初豪普特曼与卡尔合作开发了应用X射线衍射确定物质晶体结构的直接计算法，为分子晶体结构测定作出了开创性的贡献，于1985年获奖,克卢格(1926)英国生物化学家 1968年将电子显微镜和X射线衍射法两种技术结合起来，发明了显微影像重组技术，于1982年获奖。该技术为测定生物大分子结构开创了一条新路,结构化学学

5、习,第一章 量子力学基础,1.1 微观粒子的运动特征,19世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当完善：,黑体辐射,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。带有一个微孔的空心金属球，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，极小部分通过小孔逸出。,图12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。,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

6、朗克常数(h=6.62610-34 Js)，这一创造性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。,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。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:,0 1 2 3,6,2,4,实验值与普朗克公式理论曲线比较,T = 2 000 K,普朗克（1858 1947）,德国理论物理学家，量子论

7、的奠基人. 1900年12月14日他在 德国物理学会上，宣读了以关 于正常光谱中能量分布定律的理 论为题的论文， 提出了能量的量子 化假设. 劳厄称这 一天是“量子论 的诞生日”. 量子论和相对论构成了近代物 理学的研究基础.,光电效应和光子学说,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。,1.1.2,按经典理论,电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累, 与实验结果不符.

8、,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要强度足够大，就能使电子逸出金属. 与实验结果不符.,光电效应和光子学说,(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,=mc2,光子的质量为 m = hc2 所以不同频率的光子有不同的质量。,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,式中h为Planck常数，为光子的频率。,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

9、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。,(3).光子具有一定的动量(p),P = mc = h /c = h,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。,Ek = h W,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。,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h0；Ek是光电子的动能，它等于 mv22 ，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。,

10、当h = W时，这时的频率是产生光电效应的临阈频率。,Ek = h W,“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。,爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光电效应现象.,（截止频率）,几种纯金属的截止频率,爱因斯坦光电方程,逸出功与材料有关,对同一种金属， 一定， ，与光强无关,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,光电效应应用实例,我们把光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件叫光电器件。,现已有光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光电池等光电器件。 这些器件已被广泛应用于生产、生活、军事等领域。,根据工作原理，鼠标大

11、致可以分为机械式、光学机械式、光电式以及轨迹球、无线等类型。鼠标虽然有很多种，当然目前最多的是光学机械式的鼠标了，简称为“光机鼠”。,光机鼠的结构：鼠标内有一个圆的实心的橡皮球，在它的上下方向和左右方向各有一个转轮和它相接触，这两个转轮各连接着一个光栅轮，光栅轮的两侧各有一个发光二级管和光敏三极管。,关键原理就是利用光敏三极管将光信号转换成电信号，当然就是我们的光电效应了。,back,光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.,光电倍增管,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,The Nobel Prize in Physics 1921,for their t

12、heories, developed independently, concerning the course of chemical reactions,Albert Einstein Germany and SwitzerlandKaiser-Wilhelm-Institut (now Max-Planck-Institut) fr Physik Berlin-Dahlem, Germany 1879 - 1955,爱因斯坦,实物微粒的波粒二象性,Einstein为了解释光电效应提出了光子说，即光子是具有波粒二象性的微粒，这一观点在科学界引起很大震动。1924年，年轻的法国物理学家德布罗意

13、（de Broglie）从这种思想出发,提出了实物微粒也有波性,他认为：“在光学上,比起波动的研究方法，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物微粒上，是否发生了相反的错误？是不是把粒子的图像想得太多，而过于忽略了波的图像？”,- 德布罗意物质波,1.1.3,德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性,粒子性,波动性,1927年，戴维逊（Davisson）与革末（Germer）利用单晶体电子衍射实验，汤姆逊（Thomson）利用多晶体电子衍射实验证实了德布罗意的假设。 光（各种波长的电磁辐射）和微观实物粒子（静止质量不为0的电子、原子和分子等）都有波动性（波性）和微粒性（粒性）的两重性质，称为波粒二象性。

14、 戴维逊(Davisson)等估算了电子的运动速度，若将电子加压到1000V,电子波长应为几十个pm，这样波长一般光栅无法检验出它的波动性。他们联想到这一尺寸恰是晶体中原子间距，所以选择了金属的单晶为衍射光栅。,微观粒子因为没有明确的外形和确定的轨道，我们得不到一个粒子一个粒子的衍射图象，我们只能用大量的微粒流做衍射实验。实验开始时，只能观察到照象底片上一个个点，未形成衍射图象，待到足够长时间，通过粒子数目足够多时，照片才能显出衍射图象，显示出波动性来。可见微观粒子的波动性是一种统计行为。微粒的物质波与宏观的机械波（水波，声波）不同，机械波是介质质点的振动产生的；与电磁波也不同，电磁波是电场与

15、磁场的振动在空间的传播。微粒物质波，能反映微粒出现几率，故也称为几率波。,法国物理学家 1924年他在博士论文关于量子理论的研究中提出把粒子性和波动性统一起来. 5年后为此获得诺贝尔物理学奖.爱因斯坦誉之为“揭开一幅大幕的一角”. 它为量子力学的建立提供 了物理基础.,德布罗意（1892 1987）,为了表彰德布罗意，他被授予1929年诺贝尔物理学奖。,经典粒子 不被分割的整体，有确定位置和运动轨道 .,经典的波 某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有相干叠加性 .,二 象 性 要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上 .,德布罗意波的统计解释,单个粒子在何处出现具有偶然性；大量

16、粒子在某处出现的多少具有规律性. 粒子在各处出现的概率不同.,1 从粒子性方面解释,电子密集处，波的强度大；电子稀疏处，波的强度小.,2 从波动性方面解释,在某处德布罗意波的强度与粒子在该处附近出现的概率成正比 .,3 结论(统计解释),1926 年玻恩提出，德布罗意波为概率波.,海森伯(W.K.Heisenberg，19011976）,1.1.4 不确定度关系-测不准原理,一 海森伯坐标和动量的不确定关系,一级最小衍射角,电子经过缝时的位置不确定,用电子衍射说明不确定关系,电子经过缝后 x 方向动量不确定,海森伯于 1927 年提出不确定原理 对于微观粒子不能同时用确定的位置和确定的动量来描

17、述 .,不确定关系,考虑衍射次级有,(2)不确定的根源是“波粒二象性”这是微观粒子的根本属性 .,(3) 对宏观粒子，因 很小， 可视为位置和动量能同时准确测量 .,(1) 微观粒子同一方向上的坐标与动量不可同时准确测量，它们的精度存在一个终极的不可逾越的限制 .,对于微观粒子，h 不能忽略， x、px 不能同时具有确定值 . 此时，只有从概率统计角度去认识其运动规律 . 在量子力学中，将用波函数来描述微观粒子.,不确定关系是量子力学的基础.,同样，时间t和能量E的不确定度也有类似不确定度关系 Eth2,E是能量在时间t1和t2时测定的两个值E1和E2之差，它不是能量在给定时刻的不确定量，而是

18、测量能量的精确度E与测定时间t二者之间所应满足的关系。,宏观世界与微观世界的力学量之间有很大区别，前者在取值上没有限制，变化是连续的，而微观世界的力学量变化是量子化的，变化是不连续的，在不同状态去测定微观粒子，可能得到不同的结果，对于能得到确定值的状态称为“本征态”，而有些状态只能测到一些不同的值（称为平均值），称为“非本征态”。例如，当电子处在坐标的本征态时，测定坐标有确定值，而测定其它一些物理量如动量，就得不到确定值，相反若电子处在动量的本征态时，动量可以测到准确值，坐标就测不到确定值，而是平均值。海森伯（Heisenberg）称两个物理量的这种关系为“测不准”关系。,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，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。,例1.一颗质量为10g 的子弹，具有200ms-1的速率，若其动量的不确定范围为动量的0.01%(这在宏观范围已十分精确)，则该子弹位置的不确定量范围为多大?,解: 子弹的动量,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,我们知道原子大小的数量级为10-10m，电子则更小。在这种情况下，电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍