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結構化學(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030516466
- 條形碼：9787030516466 ; 978-7-03-051646-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
結構化學(第二版) 本書特色
適讀人群 ：《結構化學（第二版）》可作為高等理工和師范院校化學、應用化學、化學工程與工藝、材料化學、冶金化學、環境化學、生物化學、藥物化學等專業本科生的教學用書，也可供從事結構化學研究的科研人員參考。本書可作為高等理工和師范院；瘜W、應用化學、化學工程與工藝、材料化學、冶金化學、環境化學、生物化學、藥物化學等專業本科生的教學用書，也可供從事結構化學研究的科研人員參考。 ★ 將經典的結構化學知識與科學前沿和高新技術領域中的相關實例相結合，可讀性強 ★ 減少了部分繁瑣的數學運算過程，強調對基本概念、基本原理的解釋及闡述 ★ 知識體系完整清晰，便于教師開展教學設計和學生自學
結構化學(第二版) 內容簡介
從了解原子和分子內的電子運動行為，進而得出分子內原子間的相互作用--鍵型；從了解分子和晶體中原子的空間相對位置，進而得出分子和晶體的空間結構--構型。通過對分子的鍵型和構型的了解，就可以探索結構和性能間的內在聯系。本大綱要求學生掌握的基本內容包括：量子力學基礎、原子的結構、性質和原子光譜、雙原子分子的結構和性質、分子的對稱性、多原子分子結構和性質及晶體的點陣結構和晶體的性質等。
結構化學(第二版) 目錄
目錄
第二版前言
**版前言
第1章量子力學基礎1
1.1量子論的產生及微觀物理現象的特征1
1.1.1量子論的產生1
1.1.2舊量子論的局限2
1.1.3微觀物理現象的特征3
1.2物質的波動性和粒子性4
1.2.1光的微粒說和波動說4
1.2.2實物粒子的波粒二象性8
1.3量子力學基本假設之一——波函數10
1.3.1電子衍射實驗的再認識10
1.3.2波函數的物理意義11
1.3.3歸一化波函數11
1.4量子力學基本假設之二——力學量算符12
1.4.1算符12
1.4.2算符的運算法則14
1.4.3線性算符16
1.4.4算符的本征函數和本征方程16
1.4.5自軛算符17
1.4.6線性自軛算符19
1.5量子力學基本假設之三——薛定諤方程19
1.5.1薛定諤方程20
1.5.2波函數的標準化條件21
1.6量子力學基本假設之四——態的疊加99
1.6.1力學量具有確定值的條件22
1.6.2不同力學量同時具有確定值的條件23
1.6.3力學量的平均值24
1.7量子力學基本假設之五——泡利不相容原理25
1.7.1泡利不相容原理的量子力學表達26
1.7.2費米子和玻色子26
1.8維箱中粒子的薛定諤方程27
1.8.1維箱中的粒子27
1.8.2維箱中粒子的薛定諤方程及其解27
1.8.3薛定諤方程解的討論29
1.9三維箱中粒子的薛定諤方程31
1.9.1三維箱中的粒子31
1.9.2三維箱中粒子的薛定諤方程及其解32
習題34
第2章原子的結構、性質和原子光譜36
2.1單電子原子的薛定諤方程36
2.2單電子原子薛定諤方程的近似求解方法38
2.2.1薛定諤方程的變量分離38
2.2.2垂（擊）方程的解39
2.2.3φ（Ф）方程的解41
2.2.4(θ)方程的解43
2.2.5單電子原子薛定諤方程的一般解44
2.3單電子原子運動狀態的描述45
2.3.1主量子數n45
2.3.2角量子數l45
2.3.3磁量子數m46
2.3.4自旋量子數s47
2.3.5自旋磁量子數ms47
2.3.6總量子數j47
2.3.7總磁量子數mj48
2.4原子軌道的圖形表示49
2.4.1波函數的節面數49
2.4.2徑向分布圖49
2.4.3角度分布圖50
2.4.4原子軌道輪廓圖51
2.4.5空間分布51
2.4.6氫原子的s態52
2.5多電子原子結構55
2.5.1變分法原理55
2.5.2單電子近似和中心力場近似56
2.5.3原子核外電子的排布59
2.6原子光譜60
2.6.1原子光譜的概念60
2.6.2氫原子光譜61
2.6.3堿金屬的原子光譜66
2.6.4多電子原子的狀態和光譜項符號67
2.6.5由電子組態確定光譜項69
2.6.6原子能級圖73
2.6.7原子的光譜項75
習題76
第3章雙原子分子的結構和性質78
3.1氫分子離子的結構和共價鍵的本質78
3.1.1氫分子離子的薛定諤方程78
3.1.2線性變分法79
3.1.3變分法解氫分子離子的薛定諤方程80
3.1.4三個積分Haa，Hbb和Sab的性質82
3.1.5氫分子離子的結構83
3.1.6共價鍵的本質85
3.2分子軌道理論85
3.2.1單電子波函數近似86
3.2.2分子軌道是原子軌道的線性組合87
3.2.3分子軌道的成鍵三原則87
3.3雙原子分子的結構91
3.3.1同核雙原子分子91
3.3.2異核雙原子分子96
3.4分子光譜97
3.4.1分子光譜簡介97
3.4.2雙原子分子的轉動光譜100
3.4.3雙原子分子的振動光譜104
3.4.4取原子分子的振動轉動光譜109
3.4.5紅外光譜110
習題115
第4章分子的對稱性116
4.1對稱操作和對稱元素116
4.1.1旋轉和旋轉軸117
4.1.2反演和對稱中心119
4.1.3反映和對稱面119
4.1.4旋轉反演和反軸120
4.1.5旋轉反映和映軸122
4.2對稱元素的組合和群的乘法表123
4.2.1對稱元素的組合定理123
4.2.2群的定義124
4.2.3群的乘法表125
4.3分子點群126
4.3.1Cn群126
4.3.2Gnh群126
4.3.3Cnv群126
4.3.4Sn群和Cni群127
4.3.5Dn群127
4.3.6Dnh群127
4.3.7Dnd群127
4.3.8T群，Th群和Td群127
4.3.9O群和Oh群127
4.3.10I群和Id群128
4.4分子的偶極矩和極化率129
4.4.1分子的偶極矩129
4.4.2分子偶極矩與對稱性的關系129
4.4.3分子的誘導偶極矩和極化率130
4.4.4分子的摩爾折射度130
4.5分子的對稱性與旋光性132
習題132
第5章多原子分子的結構和性質134
5.1簡單分子軌道理論134
5.1.1簡單分子軌道理論的基本內容134
5.1.2用分子軌道理論處理丁二烯136
5.1.3電荷密度，鍵序，自由價和分子圖139
5.1.4用簡單分子軌道理論處理環狀共軛體系142
5.1.5鈴子圖的應用144
5.2價鍵理論簡介147
5.2.1價鍵理論要點147
5.2.2實例148
5.3雜化軌道理論149
5.3.1等性雜化軌道理論149
5.3.2s-p等性雜化軌道151
5.3.3s-p-d雜化簡介154
5.3.4不等性雜化軌道——H2O和NH3的結構分析154
5.4離域分子軌道理論155
5.4.1定域分子軌道模型155
5.4.2離域分子軌道理論簡介156
5.5配位場理論158
5.5.1配合物的一般介紹158
5.5.2配合物的價鍵理論159
5.5.3配位場理論要點162
5.5.4分子軌道理論的解釋167
5.6分子軌道的對稱性及反應機理170
5.6.1前線軌道理論170
5.6.2分子軌道的對稱守恒原理172
習題176
第6章晶體結構178
6.1晶體結構的周期性178
6.1.1晶體的性質178
6.1.2等同點179
6.1.3點陣180
6.1.4品格和品格常數183
6.1.514種布拉維品格184
6.2晶體的宏觀對稱性185
6.2.1晶胞和晶胞參數185
6.2.2宏觀對稱性187
6.2.3七個晶系188
6.2.432個宏觀對稱類型189
6.3晶體的定向和晶面符號191
6.4晶體的微觀對稱性194
6.4.1平移和平移軸194
6.4.2螺旋旋轉與螺旋軸194
6.4.3滑移反映和滑移面195
6.5晶體的230個空間群196
6.6圓球的堆積方式及金屬晶體197
6.6.1等徑球的密堆積197
6.6.2不等徑球球的堆積199
6.6.3金屬晶體201
6.7離子晶體202
6.7.1正、負離子間的相互作用勢能202
6.7.2品格能203
6.7.3離子晶體204
6.8共價晶體、分子晶體和混合鍵型晶體205
6.8.1共價晶體205
6.8.2分子晶體205
6.8.3混合鍵型晶體206
6.9共價半徑、原子半徑和離子半徑206
6.9.1共價半徑207
6.9.2原子半徑207
6.9.3離子半徑207
6.10X射線衍射分析209
6.10.1X射線的產生及性質209
6.10.2衍射的方向210
6.10.3衍射的強度213
6.10.4X射線衍射分析方法216
6.10.5應用217
習題219
部分習題參考答案221
參考文獻225
附錄226
第二版前言
**版前言
第1章量子力學基礎1
1.1量子論的產生及微觀物理現象的特征1
1.1.1量子論的產生1
1.1.2舊量子論的局限2
1.1.3微觀物理現象的特征3
1.2物質的波動性和粒子性4
1.2.1光的微粒說和波動說4
1.2.2實物粒子的波粒二象性8
1.3量子力學基本假設之一——波函數10
1.3.1電子衍射實驗的再認識10
1.3.2波函數的物理意義11
1.3.3歸一化波函數11
1.4量子力學基本假設之二——力學量算符12
1.4.1算符12
1.4.2算符的運算法則14
1.4.3線性算符16
1.4.4算符的本征函數和本征方程16
1.4.5自軛算符17
1.4.6線性自軛算符19
1.5量子力學基本假設之三——薛定諤方程19
1.5.1薛定諤方程20
1.5.2波函數的標準化條件21
1.6量子力學基本假設之四——態的疊加99
1.6.1力學量具有確定值的條件22
1.6.2不同力學量同時具有確定值的條件23
1.6.3力學量的平均值24
1.7量子力學基本假設之五——泡利不相容原理25
1.7.1泡利不相容原理的量子力學表達26
1.7.2費米子和玻色子26
1.8維箱中粒子的薛定諤方程27
1.8.1維箱中的粒子27
1.8.2維箱中粒子的薛定諤方程及其解27
1.8.3薛定諤方程解的討論29
1.9三維箱中粒子的薛定諤方程31
1.9.1三維箱中的粒子31
1.9.2三維箱中粒子的薛定諤方程及其解32
習題34
第2章原子的結構、性質和原子光譜36
2.1單電子原子的薛定諤方程36
2.2單電子原子薛定諤方程的近似求解方法38
2.2.1薛定諤方程的變量分離38
2.2.2垂（擊）方程的解39
2.2.3φ（Ф）方程的解41
2.2.4(θ)方程的解43
2.2.5單電子原子薛定諤方程的一般解44
2.3單電子原子運動狀態的描述45
2.3.1主量子數n45
2.3.2角量子數l45
2.3.3磁量子數m46
2.3.4自旋量子數s47
2.3.5自旋磁量子數ms47
2.3.6總量子數j47
2.3.7總磁量子數mj48
2.4原子軌道的圖形表示49
2.4.1波函數的節面數49
2.4.2徑向分布圖49
2.4.3角度分布圖50
2.4.4原子軌道輪廓圖51
2.4.5空間分布51
2.4.6氫原子的s態52
2.5多電子原子結構55
2.5.1變分法原理55
2.5.2單電子近似和中心力場近似56
2.5.3原子核外電子的排布59
2.6原子光譜60
2.6.1原子光譜的概念60
2.6.2氫原子光譜61
2.6.3堿金屬的原子光譜66
2.6.4多電子原子的狀態和光譜項符號67
2.6.5由電子組態確定光譜項69
2.6.6原子能級圖73
2.6.7原子的光譜項75
習題76
第3章雙原子分子的結構和性質78
3.1氫分子離子的結構和共價鍵的本質78
3.1.1氫分子離子的薛定諤方程78
3.1.2線性變分法79
3.1.3變分法解氫分子離子的薛定諤方程80
3.1.4三個積分Haa，Hbb和Sab的性質82
3.1.5氫分子離子的結構83
3.1.6共價鍵的本質85
3.2分子軌道理論85
3.2.1單電子波函數近似86
3.2.2分子軌道是原子軌道的線性組合87
3.2.3分子軌道的成鍵三原則87
3.3雙原子分子的結構91
3.3.1同核雙原子分子91
3.3.2異核雙原子分子96
3.4分子光譜97
3.4.1分子光譜簡介97
3.4.2雙原子分子的轉動光譜100
3.4.3雙原子分子的振動光譜104
3.4.4取原子分子的振動轉動光譜109
3.4.5紅外光譜110
習題115
第4章分子的對稱性116
4.1對稱操作和對稱元素116
4.1.1旋轉和旋轉軸117
4.1.2反演和對稱中心119
4.1.3反映和對稱面119
4.1.4旋轉反演和反軸120
4.1.5旋轉反映和映軸122
4.2對稱元素的組合和群的乘法表123
4.2.1對稱元素的組合定理123
4.2.2群的定義124
4.2.3群的乘法表125
4.3分子點群126
4.3.1Cn群126
4.3.2Gnh群126
4.3.3Cnv群126
4.3.4Sn群和Cni群127
4.3.5Dn群127
4.3.6Dnh群127
4.3.7Dnd群127
4.3.8T群，Th群和Td群127
4.3.9O群和Oh群127
4.3.10I群和Id群128
4.4分子的偶極矩和極化率129
4.4.1分子的偶極矩129
4.4.2分子偶極矩與對稱性的關系129
4.4.3分子的誘導偶極矩和極化率130
4.4.4分子的摩爾折射度130
4.5分子的對稱性與旋光性132
習題132
第5章多原子分子的結構和性質134
5.1簡單分子軌道理論134
5.1.1簡單分子軌道理論的基本內容134
5.1.2用分子軌道理論處理丁二烯136
5.1.3電荷密度，鍵序，自由價和分子圖139
5.1.4用簡單分子軌道理論處理環狀共軛體系142
5.1.5鈴子圖的應用144
5.2價鍵理論簡介147
5.2.1價鍵理論要點147
5.2.2實例148
5.3雜化軌道理論149
5.3.1等性雜化軌道理論149
5.3.2s-p等性雜化軌道151
5.3.3s-p-d雜化簡介154
5.3.4不等性雜化軌道——H2O和NH3的結構分析154
5.4離域分子軌道理論155
5.4.1定域分子軌道模型155
5.4.2離域分子軌道理論簡介156
5.5配位場理論158
5.5.1配合物的一般介紹158
5.5.2配合物的價鍵理論159
5.5.3配位場理論要點162
5.5.4分子軌道理論的解釋167
5.6分子軌道的對稱性及反應機理170
5.6.1前線軌道理論170
5.6.2分子軌道的對稱守恒原理172
習題176
第6章晶體結構178
6.1晶體結構的周期性178
6.1.1晶體的性質178
6.1.2等同點179
6.1.3點陣180
6.1.4品格和品格常數183
6.1.514種布拉維品格184
6.2晶體的宏觀對稱性185
6.2.1晶胞和晶胞參數185
6.2.2宏觀對稱性187
6.2.3七個晶系188
6.2.432個宏觀對稱類型189
6.3晶體的定向和晶面符號191
6.4晶體的微觀對稱性194
6.4.1平移和平移軸194
6.4.2螺旋旋轉與螺旋軸194
6.4.3滑移反映和滑移面195
6.5晶體的230個空間群196
6.6圓球的堆積方式及金屬晶體197
6.6.1等徑球的密堆積197
6.6.2不等徑球球的堆積199
6.6.3金屬晶體201
6.7離子晶體202
6.7.1正、負離子間的相互作用勢能202
6.7.2品格能203
6.7.3離子晶體204
6.8共價晶體、分子晶體和混合鍵型晶體205
6.8.1共價晶體205
6.8.2分子晶體205
6.8.3混合鍵型晶體206
6.9共價半徑、原子半徑和離子半徑206
6.9.1共價半徑207
6.9.2原子半徑207
6.9.3離子半徑207
6.10X射線衍射分析209
6.10.1X射線的產生及性質209
6.10.2衍射的方向210
6.10.3衍射的強度213
6.10.4X射線衍射分析方法216
6.10.5應用217
習題219
部分習題參考答案221
參考文獻225
附錄226
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結構化學(第二版) 節選
第1章 量子力學基礎 1.1 量子論的產生及微觀物理現象的特征 1.1.1 量子論的產生 19世紀末期，經典物理學的發展已經相當完善。在力學方面有牛頓（Newton）的力學體系；在電、磁、光學方面有麥克斯韋（Maxwell）方程組；在熱現象方面有熱力學及玻耳茲曼（Boltzmann）和吉布斯（Gibbs）等建立的統計物理學。這些理論構成了一個完整的經典物理學體系，可以解釋各種常見的物理現象。但隨著科學的發展，又發現了一些新的用上述經典物理學理論無法解釋的實驗現象，其中*著名的三個現象是黑體輻射、光電效應和原子光譜。 1.黑體輻射 所謂黑體就是指能吸收全部外來電磁波的物體，一般的黑色物體近似于黑體。加熱黑體時它又能發射出各種波長的電磁波，稱為黑體輻射。經典電磁理論假定黑體輻射是由黑體中帶電粒子振動發出的，圖1-1黑體輻射能隨波長的變化但通過經典熱力學和統計力學理論計算得到的黑體輻射能量隨波長的變化規律同實驗得到的曲線相矛盾，見圖1-1。1900年，普朗克（Planck）提出了能量量子化的概念，假設黑體中的帶電粒子以頻率ν做簡諧振動，能量E只能取一個*小能量hν的整數倍，即E=nhν，n=0，1，2， 。其中，h=6.626×10-34J s-1，稱為普朗克常量。用這一觀點可以很好地解釋黑體輻射現象，這個假設稱為能量量子化假設。 2.光電效應 一定條件下，光照射到金屬表面時，金屬中的電子會吸收光子的能量并有可能克服金屬晶格的束縛而逸出金屬表面成為光電子，光電子在電場作用下從陰極飛向陽極產生光電流，檢流計顯示有電流通過，這種現象稱為光電效應，見圖1-2。實驗發現，能否產生光電流及光電子的運動能大小只與光的頻率有關，與光的強度無關。而經典理論認為是光的強度而不是光的頻率決定了能否產生光電流及光電子動能的大小，頻率只決定光的顏色，這顯然與光電效應實驗現象不符。1905年，在普朗克能量量子化假設的啟發下，愛因斯坦（Einstein）提出了光子說，認為光是一束光子流，光子有一定的能量E和動量P，其大小由光的頻率ν及波長λ決定，每個光子的能量E=hν，動量P=h/λ。只有當光的頻率ν足夠大（大于某一臨界值ν0——臨閾頻率）時，吸光后的電子才可能克服金屬晶格的束縛而逸出金屬表面成為光電子，并在電場作用下產生光電流。不同的金屬有不同的臨閾頻率ν0，只有當入射光的頻率ν超過ν0時才有可能產生光電子，且ν越大，光電子的初動能越大。這就成功解釋了光電效應的實驗現象。 圖1-2光電效應實驗 3.原子光譜 根據經典理論，原子光譜是由電子繞核加速運動發射出電磁波產生的。那么，原子中的電子不斷發射出電磁波的結果勢必是其能量逐漸衰減，*后掉到原子核中，原子便不能穩定存在。同時，由于能量逐漸變化，發射出電磁波的頻率也應隨之變化并連續分布。但大量的實驗結果表明，原子光譜的分布是一條條分立的譜線而不是連續光譜。為解釋這些現象，1913年，玻爾（Bohr）在普朗克量子論和愛因斯坦光子說的基礎上提出了原子結構的玻爾理論。該理論假定電子繞核做圓周運動是能穩定存在的狀態，在一定軌道上運動的電子具有一定的能量狀態，稱為定態，定態能量只能取一些分立的數值，是量子化的。原子可以由一種定態（能量為Em）變化到另一種定態（能量為En），在此過程中發射或吸收電磁波，電磁波的頻率ν由式|Em-En|=hν決定。玻爾之后，索末菲（Sommerfeld）推廣了這個理論，假定電子不僅可繞核做圓周運動，而且可做橢圓運動，從而制定了更為普遍的量子化條件。 1.1.2 舊量子論的局限 上述量子理論稱為舊量子論，它發展到玻爾和索末菲理論時達到了高潮，沖破了經典物理學中能量連續變化的束縛，解釋了許多經典物理學無法解釋的實驗現象。但進一步的研究發現，它又與許多事實不符，在某些方面難以自圓其說。例如，玻爾理論可以很好地解釋氫原子和類氫離子光譜，但推廣到多電子原子或分子時就不再適用，即使*簡單的氦原子光譜都無法圓滿解釋；定態不發出輻射的假定與經典理論矛盾；由舊量子論推出周期表中的**周期應有六個元素，但事實上只有兩個；等等。究其根源，是舊量子論所依據的理論基礎——經典力學，有局限性。 牛頓運動定律是從日常生活中易于見到的速率遠小于光速的宏觀物理現象中提煉出來的，研究的對象是由許許多多個微觀粒子構成的宏觀體系，并不直接顯示個別分子、原子或光子等微觀粒子的行為。也就是說，經典力學并非是錯誤的，而是有它特定的適用范圍，只能適用于宏觀物理現象，而且要求被研究物體的速率遠小于光速。研究發現，速率接近光速的物體以及微觀粒子的運動行為都不遵守牛頓的經典力學規律，前者遵守相對論力學規律，后者遵守量子力學規律。 研究速率接近光速的物體運動規律的科學稱為相對論力學。相對論力學有兩個重要結論。**個結論是物體的質量m與它的速率v有關： （1-1） 式中，c是光速，c=3×1010cm s-1；m0是物體在速率v=0時的質量，稱為靜止質量。由式（1-1）可知，物體的運動速率v越大，質量m也越大；當v遠遠小于c時，m=m0，就是說，在速率遠小于光速情況下，物體的質量m就等于靜止質量，此時的相對論力學就還原為經典力學。因此，相對論力學比經典力學的適用范圍更為廣泛，經典力學是相對論力學在物體速率遠小于光速時的極限情況。隨著速率的增大，物體的質量也增大，當速率趨近于光速時，質量趨近于無窮大，這時再增加它的速率就不可能了。光速是極限速率，任何物體的速率都不可能達到光速。 相對論力學的第二個重要結論是物體的質量m和能量E之間存在愛因斯坦質能聯立方程所表達的關系: （1-2） 1.1.3 微觀物理現象的特征 研究微觀物理現象的科學稱為量子力學。微觀物理現象有以下兩個基本特征。 1.能量量子化 微觀物理現象的**個特征是微觀粒子的能量不是連續變化的，而只能是跳躍式變化，即微觀粒子的能量是量子化的。例如，原子的能量就是不連續的，所以原子發射出光的波長也是不連續的，因此原子光譜是線光譜。 2.測不準原理 微觀物理現象的第二個特征是微觀粒子的坐標和動量是不能同時具有確定值的，這稱為測不準原理。若以x表示微觀粒子在x軸方向的坐標，Px表示微觀粒子的動量在x方向的分量，Δx和ΔPx分別表示微觀粒子的坐標和動量在x軸方向分量的測定值與平均值之差: 則Δx和ΔPx之間存在如下關系： （1-3） 式中，因為h=6.626×10-34J s，所以=1.054×10－34J s。同樣，在y軸及z軸方向也存在與式（1-3）類似的關系: （1-4） （1-5） 式（1-3）~（1-5）都稱為測不準關系式。由此測不準關系式可知，對于一個微觀粒子，如果它在x，y或z任何一個方向上具有確定的動量，那么它在這個方向上的坐標就是不確定的；反之，如果它在x，y或z任何一個方向上的坐標具有確定值，那么它在此方向上的動量就是不確定的。 由于宏觀物體的坐標及動量的測量誤差會遠大于，也就是說，與宏觀物體的坐標及動量的測量誤差相比，的數值近似為零。因此，利用測不準關系式來判斷宏觀物體在某一方向上的坐標或動量的不確定性是沒有意義的。 上述特點決定了微觀粒子的運動規律不會服從經典力學，而是服從量子力學。這也是舊量子論只能解釋個別實驗現象，而不具有普適性的原因。 1.2 物質的波動性和粒子性 1.2.1 光的微粒說和波動說 17世紀末期產生了兩種關于光的本性的學說：微粒說和波動說。微粒說認為光是直線飛行的粒子流，這些微粒從光源出發，有不同的種類，因此具有不同的顏色。波動說則認為光是一種波，由于波長的不同而有不同的顏色。在當時，這兩種學說都能解釋光的直線傳播、反射定律和折射定律。但對光的折射現象的解釋方法不同，波動說認為折射系數與光在物質中的傳播速率成反比。而微粒說則相反，認為應成正比。由于受到當時實驗技術的限制，無法精確測量光在不同介質中傳播的速率，因此無法判別這兩個學說孰是孰非。 1.光的干涉和衍射——光的波動說 光的干涉是當光束重疊時出現明暗相間條紋的現象。光的干涉現象說明，當兩束光彼此重疊時，不僅能夠互相加強，而且可以相互削弱，以至于相互抵消。光的衍射是指光能夠繞過前面的障礙物而彎曲傳播的現象，光的衍射現象說明光并非絕對地沿著直線傳播。這兩個現象都不能用微粒說解釋，但可以用波動說解釋。 1）光的波動說對干涉現象的解釋 圖1-3中，S1和S2是兩個距離為2a的平行光光源。E為一個屏幕，光源與屏幕之間距離為d。由S1和S2連線的中點向屏幕E作垂線并交于O點，P為屏幕上的任意一點，P與S1和S2的距離分別為r1和r2，P與O點距離為x。由S1和S2發出的光在P點重疊，光程差Δ=r2－r1，當Δ等于波長λ的整數倍，即 時，兩波*大程度加強，出現亮條紋；如果光程差Δ等于半波長的奇數倍，即 時，兩波*大程度削弱，出現暗條紋。因為 所以 在d遠大于a的情況下，可近似認為r1+r2≈2d，于是得 圖1-3光的干涉 因此，當x滿足條件，即時，兩束光在P點相互加強，形成亮條紋；而當x滿足條件，即時，兩光在P點相互削弱，形成暗條紋。 從以上討論可知，明暗條紋是以O點為中心交錯分布的，中心O點為亮條紋。用不同波長的光做實驗，明暗條紋的分布狀況不同：波長越長，條紋越；波長越短，條紋越密。如果已知a和d的數值，則可通過第n級干涉條紋與O點的距離x計算出波長。 2）光的波動說對衍射現象的解釋 圖1-4中，S為一個X射線的光源，A為晶體粉末，E為底片。當一束X射線射向晶體粉末時，發現在底片E上出現了一系列明暗相間的同心圓——衍射環或衍射圖。利用波動說可以解釋這些衍射環的分布規律。 晶體中的原子在空間排列是有規律的，位于同一平面上的原子形成一個晶面，當波長為λ的X射線射入一組面間距為d的晶面上時，見圖1-5，一部分光在晶面Ⅰ反射，一部分光透過晶面Ⅰ在晶面Ⅱ反射，兩束反射光的光程差: 式中，θ為入射光與晶面的夾角。 圖1-4X射線衍射示意圖 圖1-5光的衍射 根據波動說，只有Δ=nλ，n=0，1，2， 的反射線才能相互加強，因此入射X射線的角度θ只有滿足式（1-6）時才能產生亮條紋： （1-6） 式（1-6）稱為布拉格（Bragg）公式。這種能產生衍射條紋的反射線稱為衍射線。 從圖1-5中可以看出，衍射線與入射線的夾角為2θ。用n表示第n個亮環，稱為衍射級次，其中心亮點n=0，*小的圓環n=1，其次n=2，依次類推。由于與入射線成2θ角的方向為一個圓錐面，因此所得的衍射圖為一系列明暗相間的圓環。同一晶體粉末用不同波長的X射線進行實驗所得的衍射圖，其明暗條紋的分布不同。若已知d，則可通過衍射圖計算波長λ。 如上所述，波動說成功解釋了光干涉和衍射實驗，而且后來在不同介質中對光速精確測定的結果也證明了波動說的預言是正確的。但是，波動說無法說明光借以傳播的介質是什么，于是假定了一種被稱為“以太”的物質作為光傳播的介質。 3）光的電磁理論 1864年，麥克斯韋在前人工作的基礎上，指出電場和磁場的變化不能局限在空間的某一部分，而是以c=3×1010cm s-1的速率向外傳播，稱為電磁波。光的傳播就是一種電磁現象，光波是電磁波的一種，波長范圍為10-6~10-4cm，可見光是波長范圍為4×10-5~7.5×10-5cm（4000~7500）的電磁波。電磁波是用兩個矢量——電場強度矢量E和磁場強度矢量H——表示的振動，這兩個矢量以相同的位相和相等的振幅在兩個相互垂直的平面內運動，它的傳播方向與矢量E和H的方向垂直，傳播的速率為c，見圖1-6。 圖1-6光的傳播 光的電磁理論將物質的光學性質同電磁性質直接聯系了起來，它不僅可以解釋光的反射、衍射、干涉、折射和偏振等光學
結構化學(第二版) 作者簡介
王軍 東北大學教授，遼寧省教學名師，沈陽市領軍人才，“結構化學”國家精品在線開放課程負責人，曾獲遼寧省教育評價協會教育評價優秀成果三等獎。主要從事有機/無機復合納米、微米材料的制備、性能、應用研究，以及溶液熱力學的理論研究。多年來主講物理化學、結構化學、化學動力學、統計熱力學、溶液熱力學等課程，具有豐富的教學經驗。主編及參編規劃教材3部，公開發表教學研究論文9篇。
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