[理学]量子力学第1讲

《结构化学基础》

讲 稿

第一章

孟 祥 军

第一章 量子力学基础知识 （第一讲）

1.1 微观粒子的运动特征

☆ 经典物理学遇到了难题：

19世纪末，物理学理论（经典物理学）已相当完善：

◆ Newton力学 ◆ Maxwell电磁场理论

◆ Gibbs热力学 ◆ Boltzmann统计物理学

上述理论可解释当时常见物理现象，但也发现了解释不了的新现象。

1.1.1 黑体辐射与能量量子化

黑体：能全部吸收外来电磁波的物体。黑色物体或开一小孔的空心金属球近似于黑体。

黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。

★经典理论与实验事实间的矛盾：

经典电磁理论假定：黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的。

按经典热力学和统计力学理论，计算所得的黑体辐射能量随波长变化的分布曲线，与实验所得曲线明显不符。

按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线：

Rayleigh-Jeans把分子物理学中能量按自由度均分原则用到电磁辐射上，按其公式计算所得结果在长波处比较接近实验曲线。

Wien假定辐射波长的分布与Maxwell分子速度分布类似，计算结果在短波处与实验较接近。

经典理论无论如何也得不出这种有极大值的曲线。

• 1900年，Planck（普朗克）假定：黑体中原子或分子辐射能量时作简谐振动，只能发射或吸收频率为, 能量为 h 的整数倍的电磁能，即振动频率为  的振子，发射的能量只能是 0h，1h，2h，……，nh（n为整数）。

• h 称为Planck常数，h＝6.626×10－34J•S

• 按 Planck 假定，算出的辐射能 E 与实验观测到的黑体辐射能非常吻合：

●能量量子化：黑体只能辐射频率为  ，数值为 h 的整数倍的不连续的能量。

Wien（维恩）曲线 能量

波长 实验曲线Rayleigh-Jeans（瑞利－金斯）曲黑体辐射能量分布曲线

量⼦⼒学讲义1

第⼀章绪论

前⾔

⼀、量⼦⼒学的研究对象

量⼦⼒学是现代物理学的理论基础之⼀，是研究微观粒⼦运动规律的科学。量⼦⼒学的建⽴使⼈们对物质世界的认识从宏观层次跨进了微观层次。

综观量⼦⼒学发展史可谓是群星璀璨、光彩纷呈。它不仅极⼤地推动了原⼦物理、原⼦核物理、光学、固体材料、化学等科学理论的发展，还引发了⼈们在哲学意义上的思考。

⼆、量⼦⼒学在物理学中的地位

按照研究对象的尺⼨，物理学可分为宏观物理、微观物理和介观物理三⼤领域。

量⼦理论不仅可以正确解释微观、介观领域的物理现象，⽽且也可以正确解释宏观领域的物理现象，因为经典物理是量⼦理论在宏观下的近似。因此，量⼦理论揭⽰了各种尺度下物理世界的运动规律。

三、量⼦⼒学产⽣的基础

旧量⼦论诞⽣于1900年，量⼦⼒学诞⽣于1925年。1．经典理论

⼗九世纪末、⼆⼗世纪初，经典物理学已经发展到了相当完善的阶段，但在⼀些问题上经典物理学遇到了许多克服不了的困难，如⿊体辐射等。2．旧量⼦论

旧量⼦论= 经典理论+ 特殊假设（与经典理论⽭盾）旧量⼦论没有摆脱经典的束缚，⽆法从本质上揭露微观世界的规律，有很⼤局限性。但旧量⼦论为量⼦⼒学理论的建⽴提供了线索，促进了量⼦⼒学的快速诞⽣。

四、量⼦⼒学的研究内容1．三个重要概念：波函数，算符，薛定格⽅程。

2．五个基本假设：波函数假设，算符假设，展开假定，薛定格⽅程，全同性原理。

五、量⼦⼒学的特征1．抛弃了经典的决定论思想，引⼊了概率波。⼒学量可以不连续地取值，且不确定。

2．只有改变观念，才能真正认识到量⼦⼒学的本质。它是⼈们的认识从决定论到概率论的⼀次巨⼤的飞跃。

六、量⼦⼒学的应⽤前景1．深⼊到诸多领域：本世纪的三⼤热门科学（⽣命科学、信息科学和材料科学）的深⼊发展都离不开它。2．派⽣出了许多新的学科：量⼦场论、量⼦电动⼒学、量⼦电⼦学、量⼦光学、量⼦通信、量⼦化学等。

3．前沿应⽤：研制量⼦计算机已成为科学⼯作者的⽬标之⼀，⼈们期望它可以实现⼤规模的并⾏计算，并具有经典计算机⽆法⽐拟的处理信息的功能。

知识互联网 1 力学基础

【例1】 查漏补缺之力的概念篇：

1．物理学上把物体间的

定义为力，一般用符号

表示，国际单位是 ，测量力的大小的工具是 .

2．力的作用效果：力可以改变物体的 ，也可以使物体发生

.

3．影响力的作用效果有三个要素：力的 、 和 .

4．力的表示方法有两种，一种是 法，需要表示出力的 、 和

这三个要素；另一种是 法，需要表示出力的 和 这两个要素.

【答案】1．相互作用；F；牛顿（N）；弹簧测力计

2．运动状态；形变

3．大小；方向；作用点

4．图示；大小；方向；作用点；示意图；方向；作用点

【例2】 判断下列说法的正误

A．甲物体对乙物体施加力的同时，甲物体也一定受到了力的作用（ ）

B．投球时，手的推力使篮球在空中继续飞行（ ）

C．物体不受力，运动状态一定不改变（ ）

D．两个不接触的物体之间一定没有力的作用（ ）

【答案】只有AC正确

【例3】 图所示，以科学家名字作为力的单位的是（ ）

【答案】A（2013门头沟一模）

【例4】 将玻璃瓶、两端开口的细玻璃管和橡皮塞组装成图所示的装置，使用时瓶内装入液体，瓶口密闭，通过细玻璃管内液面高度的变化可验证的是（ ） 模块一 运动和力

力的概念

A．阿基米德原理 B．大气压随高度的变化

C．力可以使固体发生微小形变 D．液体温度变化体积也会改变

【答案】BCD（2013天津中考）

【例5】 实验桌上提供了如下器材：气球1个，海绵块1个，弹簧1根．请你选用提供的器材设计实验证明：力是使物体形状发生变化的原因．

【答案】 第一次用较小的力拉弹簧，观察弹簧伸长情况；（2013密云一模）

设备的高温运行条件下材料的力学性能

一、 高温运行设备材料性能要求

1. 高温的定义——无统一界限

高温容器及高温管道：一般以350℃为界

高温炉管：500℃以上

250℃和350℃对压力管道来说是两个表示高温的分界值。

Δ.GB150-98《钢制压力容器》附录F“钢材高温性能”中给出了钢材在400℃及以上温

度10万小时的持久强度值。

2. 高温装置举例

（1）工业领域 领 域 装置或设备举例

航天与航空 发动机、燃气轮机、火箭

煤的转化 气化、液化装置

车 辆 排气阀、热发生器、增压器、烧嘴

石油化工 加热炉、裂解炉、裂化、转化等装置

原子能工业 反应堆用（燃料棒元体定位架、包壳材料）、高温气体炉

冶金工业 传送带、炉子、通风机、热处理炉、导板、模具

无机材料 玻璃业、玻璃纤维业、水泥、搪瓷、陶瓷

火力发电 锅炉、管道、汽轮机

（2）石油炼制和石化工业中典型的高温装置

Ⅰ. 炼油装置 装置名称 温度（℃） 备注

常减压蒸馏装置 ～370 常压加热炉出口进常压塔

～410 减压加热炉出口进减压塔 催化裂化装置 650～750 正常反应时反应器内温度～500℃ 再生时650～750 ℃ 400 原料预热加热炉出口 催化重整 320～370 预加氢反应温度（临氢）

～500 重整反应温度（临氢） 320～370 后加氢反应温度（临氢）

加氢精制 300～420 7.85Mpa （临氢）

加氢裂化 380～450 8～20Mpa （临氢） 制 氢 500 废热锅炉出口

700～850 进入转化炉管时转化温度

700～800 中压蒸汽发生器转化氢制蒸汽

延迟焦化 500～505 进入焦化塔进行焦化

合成氨 300～550 10～100MPa (临氢)

Ⅱ. 石化装置 装置名称 温度（℃） 备 注 甲醇 900 造气部分反应温度

240～270 合成部分 低压法 压力4.90MPa 临氢

360～420 合成部分 高压法 压力31.83MPa 临氢