结构化学基础知识点总结

结构化学基础
第一章量子力学基础：
经典物理学是由Newton（牛顿）的力学，Maxwell（麦克斯韦）的电磁场理论，Gibbs（吉布斯）的热力学和Boltzmann（玻耳兹曼）的统计物理学等组成，而经典物理学却无法解释黑体辐射，光电效应，电子波性等微观的现象。

黑体：是一种可以全部吸收照射到它上面的各种波长辐射的物体，带一个微孔的空心金属球，非常接近黑体，进入金属球小孔的辐射，经多次吸收，反射使射入的辐射实际全被吸收，当空腔受热，空腔壁会发出辐射，极少数从小孔逸出，它是理想的吸收体也是理想的放射体，若把几种金属物体加热到同一温度，黑体放热最多，用棱镜把黑体发出的辐射分开就可测出指定狭窄的频率范围的黑体的能量。

规律：频率相同下黑体的能量随温度的升高而增大，
温度相同下黑体的能量呈峰型，峰植大致出现在频率范围是0.6-1.0/10-14S-1。

且随着温度的升高，能量最大值向高频移动.
加热金属块时，开始发红光，后依次为橙，白，蓝白。

黑体辐射频率为v的能量是hv的整数倍.
光电效应和光子学说：
Planck能量量子化提出标志量子理论的诞生。

光电效应是光照在金属表面上使金属放出电子的现象，实验证实：
1.只有当照射光的频率超过金属最小频率（临阈频率）时，金属才能发出电子，不同金属的最小频率不同，大多金属的最小频率位于紫外区。

2.增强光照而不改变照射光频率，则只能使发射的光电子数增多，不影响动能。

3.照射光的频率增强，逸出电子动能增强。

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光子，其能量和光子的频率成正比，即E=hv
光子还有质量，但是光子的静止质量是0，按相对论质能定律光子的质量是
m=hv/c2
光子的动量：p=mc=hv/c=h/波长
光的强度取决于单位体积内光子的数目，即光子密度。

光电效应方程：hv（照射光频率）=W（逸出功）+E（逸出电子动能）
实物微粒的波粒二象性：
由de Broglie（德布罗意）提出：p=h/波长
电子具有粒性，在化合物中可以作为带电的微粒独立存在（电子自身独立存在，不是依附在其他原子或分子上的电子）
M.Born（玻恩）认为在空间任何一点上波的强度（即振幅绝对值平方）和粒子出现的概率成正比，电子的波性是和微粒的统计联系在一起，对大量的粒子而言衍射强度（波强）大的地方粒子出现的数目就多概率就大，反之则相反。

不确定度关系：
Schrodinger（薛定谔）方程的提出标志量子力学的诞生.
不确定关系又称测不准关系或测不准原理，它是微观粒子本质特性决定的物理量间相互关系原理，反映了微粒波特性。

而一个粒子不可能同时拥有确定坐标和动量（也不可以将时间和能量同时确定）[这是由W.Heisenberg（海森伯）提出的]
微观粒子与宏观粒子的比较：
1.宏观物体同时具有确定的坐标和动量可用牛顿力学描述（经典力学），微观粒子不同时具
有确定的坐标和动量，只能用量子力学描述。

2.宏观物体有连续可测的运动轨道，可追踪各个物体的运动轨迹加以分辨，微观粒子具有概率分布特性不可能分辨出各个粒子的轨迹。

3.宏观粒子可以处于任意的能量状态，体系的能量可以为任意的，连续变化的数值，微观粒子只能处于特定的能量状态，能量的改变量不可以取任意，连续变化的数值，只能是分立的，即量子化的。

4.不确定度关系对宏观物体没有实际意义，在不确定度关系式中Planck常数可以当作0，微观粒子遵循不确定度关系，h(Planck常数)不能看作0，所以可以用不确定度关系来分辨微观粒子和宏观粒子.
直径处于纳米量级的粒子常常出现既不同与宏观物体又不同于微观物体的特性，因此称为介光粒子。

量子力学的基本假设（这里牵涉到大学数学的知识，我不是很懂，希望有人可以为
我解释）：
对与一个微观体系，它的状态一般可以用定态波函数（排除时间）（这也是体系中的粒子的坐标函数还有时间函数）表示，被表示的波称为概率波。

定态波函数一般是复数形式，可表示为
Ψ=f+ji,这个方程就是高中所学的复数，如果&的共轭复数&*，&&*则表示概率
密度，也就是通常所说的电子云，
由于空间某点波的强度与波函数的绝对值的平方成正比，即在该点附近找到的粒子的概率正比于ΨΨ*。

在分子或原子等体系中，&称为分子轨道或原子轨道。

波函数的简略式子是Ψ（x,y,z）；其奇偶性表示式为：
奇函数：Ψ（x,y,z）=-Ψ（-x,-y,-z）
偶函数：Ψ（x,y,z）=Ψ（-x,-y,-z）
微粒波函数的奇偶性与微粒的一个状态跃迁到另一个状态的概率有关。

由于波函数描述的波是概率波，所以函数需满足下列条件：
1.波函数必须是单值的，即在空间的每一点Ψ只有唯一值。

2.波函数必须是连续的，即&值不出现突跃；Ψ对x,y,z的一级微商也是连续的；
3.波函数必须是平方可积的，即&在整个空间积分∫ΨΨ*dτ为一个有限数通常要求波
函数归一化，即
∫ΨΨ*dτ(τ是长得很像τ的字符，∫是积分的符号)
以下是牵涉到物理量和算符（这个是我最不了解的，我希望有人可以帮我）：
对一个微观体系的可观测的物理量，都对应着一个线性自轭算符。

量子力学需要用线性自轭算符，是为了和算符对应的本征值能为实数，利用算符和
波函数能正确的描述微观体系的状态和性质。

本征态，本征值和Schrodinger方程：
如果某一个物理量A的算符[A]（其实是A头上有个小箭号）作用于某一状态函数Ψ，
等于某一个常数a乘以Ψ，即[A] Ψ=aΨ
那么对Ψ所描述的这个微观体系的状态，物理量A具有特定的数值a，a称为物理量算符[A]的本征值，Ψ称为[A]的本征态或本征波函数，[A] Ψ=aΨ称为[A]的本征方程。

一个保守体系的总能量E在经典力学中用Hamilton（哈密顿）函数H表示（因为这个函数字母过度复杂我不会打所以...）
Schrodinger方程是决定体系能量算符的本征值和本征函数的方程，是量子力学的一个基本方程，式中的&不含时间，这种本征态给出的概率密度不随时间的改变而变化，称为定态，
这个本征态对应的本征值，就是该状态的能量。

下面牵涉到函数组的归一和正交我不懂就没做太多的分析。

态的叠加原理也是有关一些线性的函数组，我依然不懂得，也不明白...
Pauli（泡利）原理：在同一一个原子或分子轨道上有且只能有两个自旋方向相反的电子。

对于电子，质子，中子等自旋量子数S为半整数的体系（费米子），描述其状态的全波函数必须是反对称波函数（描述多电子体系轨道运动和自旋运动的全波函数的任意两个电子的坐标[空间和自旋坐标]进行交换，得到反对称波函数）
Pauli排斥原理：在一个多电子体系中，自旋相同的电子会尽可能地分开，远离。

Pauli不相容原理：在一个多电子体系中，两个自旋方向相同的电子不能占据同一个轨道（就是同一个原子中，两个电子的量子数不可以相同）。

但是玻色子不受Pauli不相容原理制约。

1.3箱中粒子的Schrodinger方程及其解：
对于这个我只知道（明白）：在经典力学中箱中粒子的最小能量值是0，但是在量子力学中最小值大于0，最小的能量（基态能量）叫做零点能，它的存在是不确定关系的必然结果。

经典力学中箱中粒子在箱内的位置都一样，量子力学中箱中各处的粒子的概率密度是不均匀的，呈波形。

量子力学处理箱中粒子，获得有关受一定势能场束缚的粒子的共同特性：
1.粒子可存在多种状态
2.能量量子化
3.存在零能点
4.没有经典运动轨道，只有概率分布
5.存在节点，节点多，能量高。

上述的微观粒子的特性称为量子效应，在一维势体箱中，粒子的质量和势体箱的长度变大，量子效应减弱。

当其条件增大到宏观时，量子效应消失，体系变为宏观体系，其运动规律又可以用经典力学描述。

最后是介绍丁二烯的离域效应:
丁二烯的四个C原子都以Sp2杂化轨道形成3个单键(专业的字母不知道是哪个国家的我不会打)后,还有一个P Z轨道和一个π电子,假定有两种情况(A)四个π电子形成两个定域π键,(B)四个π电子形成π44(两个4一个上一个下)离域π键,设相邻两个C原子间距离是L,按一维势体箱中的粒子模型,A,B中π电子的能级和电子充填情况进行估计,可以得到结果:共轭分子(B)中离域效应使体系π电子的能量比定域双键分子(A)中电子能量要低,所以离域效应扩大了π电子的活动范围,即增加了一维势体箱的长度使分子能量降低,稳定性增加.离域效应降低的是分子的动能,分子中电子能否发生离域效应,需视体系的实际情况而定.。