原子物理学(第九章)

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原子物理学

第九章

分子结构与分子光谱

物体一般是原子结合而成的分子或分子集团， 物体一般是原子结合而成的分子或分子集团，或者 是原子有规则地结成的晶体。 是原子有规则地结成的晶体。为了能够了解原子物理的 知识怎样用在更广的范围或更接近实际情况的问题， 知识怎样用在更广的范围或更接近实际情况的问题，我 们有必要讨论分子的结构。 们有必要讨论分子的结构。 研究分子是化学和物理学的共同任务。在物理学中 研究分子是化学和物理学的共同任务。 有许多方法可以对分子进行研究，例如可以利用X 有许多方法可以对分子进行研究，例如可以利用X射线衍 射、电子衍射、中子衍射对分子结构进行研究，也可以 电子衍射、中子衍射对分子结构进行研究， 通过分子电偶极矩的测量进行研究。 通过分子电偶极矩的测量进行研究。而分子光谱对分子 结构提供了丰富而重要的资料， 结构提供了丰富而重要的资料，因此本章主要从分子光 谱讨论分子结构。 谱讨论分子结构。1

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分子结构与分子光谱

9.1 分子的键联 原子由于相互结合力而构成分子。 原子由于相互结合力而构成分子。原子间有不同类 型的结合，这称做化学键。现在知道有离子键、共价键、 型的结合，这称做化学键。现在知道有离子键、共价键、 金属键，此外还有一种较弱的范德瓦耳斯键。 金属键，此外还有一种较弱的范德瓦耳斯键。

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分子结构与分子光谱

9.1 分子的键联

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分子结构与分子光谱

9.1 分子的键联 一、离子键

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9.1 分子的键联 一、离子键

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9.1 分子的键联 一、离子键

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9.1 分子的键联 一、离子键

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9.1 分子的键联 二、共价键

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9.1 分子的键联 二、共价键

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9.1 分子的键联 二、共价键1、氢分子离子 H 2+ 、

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分子结构与分子光谱

9.1 分子的键联 二、共价键 1、氢分子离子 H 2+ 电子能量和原子核势能之和对原子核的运动来说， 电子能量和原子核势能之和对原子核的运动来说， 起着势能作用。这个“势能” 起着势能作用。这个“势能”随原子核距离的变化如果 出现最低值，分子就能构成，如果没有最低值， 出现最低值，分子就能构成，如果没有最低值，分子就 不能构成。 不能构成。 分

子中的电子可以处在激发态， 分子中的电子可以处在激发态，这也可以由分离原 子变到联合原子的相应激发态来考虑。 子变到联合原子的相应激发态来考虑。同样也只有那些 “势能”随原子核距离的变化具有最低值的才是分子的 势能” 稳定状态。 稳定状态。11

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9.1 分子的键联 二、共价键 2、氢分子 H 2 、 氢分子由两个氢原子构成， 氢分子由两个氢原子构成 ， 分离很远时是两个孤立的氢 原子。如果再设想氢分子中两个原子核合并为一个， 原子 。 如果再设想氢分子中两个原子核合并为一个， 这分子 就成为一个氦原子，只是质量不同。 就成为一个氦原子 ， 只是质量不同。 我们同样可以把氢分子 看作分离的两个氢原子和氦原子之间的状态。 看作分离的两个氢原子和氦原子之间的状态。 当两个氢原子接近时，原子核之间的库仑斥力就增大。 当两个氢原子接近时，原子核之间的库仑斥力就增大。 二电子之间也有库仑斥力，这样就还需要考虑势能， 二电子之间也有库仑斥力，这样就还需要考虑势能，势能随 原子核距离的减小而增大。 原子核距离的减小而增大。这个势能和上述电子能量相加后 的数值就如图9.4所示。 的数值就如图9.4所示。 9.4所示12

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9.1 分子的键联 二、共价键 2、氢分子 H 2 、

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9.1 分子的键联 三、金属键 这是金属中原子的结合情况，在金属中， 这是金属中原子的结合情况，在金属中，原子核和它 周围的束缚电子构成的离子好像浸没在自由电子“ 周围的束缚电子构成的离子好像浸没在自由电子“气”中。 这样，在固体中就结合晶体。 这样，在固体中就结合晶体。金属键不存在于分立的分子 中，像气体分子的情况。 像气体分子的情况。

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9.1 分子的键联 四、范德瓦耳斯键 这是由于范德瓦耳斯力而产生的很弱的结合。 这是由于范德瓦耳斯力而产生的很弱的结合。上述三 类化学键的结合能一般在1 电子伏特范围， 类化学键的结合能一般在1—5 电子伏特范围，而范德瓦耳 键的结合能只有0.01到0.1电子伏特那么一个数量。 键的结合能只有0.01到0.1电子伏特那么一个数量。这种结 0.01 电子伏特那么一个数量 合的原子平衡距离也比较大一些。是这类结合的例子.在有 合的原子平衡距离也比较大一些。是这类结合的例子. 些高分子中也存在着这类键。 些高分子中也存在着这类键。 以上简单地叙述了原子结成分子的几种方式。 以上简单地叙述了原

子结成分子的几种方式。

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分子结构与分子光谱

9.2 分子光谱和分子能级 从分子的光谱可以研究分子的结构， 从分子的光谱可以研究分子的结构，分子光谱比原子 光谱要复杂得多。就波长的范围说， 光谱要复杂得多。就波长的范围说，分子光谱可以有如下 三类别。 三类别。 一、分子光谱的类别 (1)远红外光谱，波长是厘米或毫米的数量级。 远红外光谱，波长是厘米或毫米的数量级。 (2)近红外光谱，波长是微米的数量级。 近红外光谱，波长是微米的数量级。 (3)可见和紫外光谱，这往往是一个复杂的光谱体系。 可见和紫外光谱，这往往是一个复杂的光谱体系。 分子所以产生复杂的光谱， 分子所以产生复杂的光谱，是由于它内部复杂的运动 状态。 状态。16