第一章 量子力學基礎
結構化學是研究原子、分子和晶體的微觀結構,闡述分子和晶體的成因;研究結構與性能之間的關係;以及測定分子和晶體結構實驗方法的學科。因此結構化學是化學各學科、各專業的重要基礎理論課程。
量子力學是研究微觀粒子(電子、原子、分子等)運動規律的理論,是深入探討物質結構及其性能關係的理論基礎。結構化學討論的對象是分子結構,涉及電子、原子等微觀粒子,這些粒子的運動規律服從量子力學基本原理,所以本章內容是學習結構化學必備的基礎知識。
本章簡單介紹量子力學誕生的實驗基礎,引齣微觀粒子的能量量子化與波粒二象性兩個最基本、最重要的概念。以假設的形式介紹量子力學基本原理① ,並應用討論無限深勢阱中的電子。同時,扼要地介紹瞭關於量子力學基本理論的爭論。
第一節 量子力學實驗基礎與基本概念的引齣
人們把牛頓(Newton)力學、熱力學、統計力學、麥剋斯韋( Maxwell)電磁理論等稱為經典物理學,將量子力學以及在其基礎上發展起來的量子場論稱為量子理論。
19 世紀末,經典物理學已發展得相當完善,大多數物理學傢相信,理論上不會有什麼新的發現,以後的工作隻是如何應用現有的理論解決具體問題及提高計算結果的精確度。可是在19 世紀末到20 世紀初,發現瞭一些新的實驗現象,如黑體輻射、光電效應、原子綫狀光譜等,都是經典物理學無法解釋的。這些現象揭示瞭經典物理學的局限性,暴露瞭經典物理學與微觀粒子運動規律的矛盾,從而為量子力學的創立提齣瞭要求和準備瞭條件。
一、能量量子化與光的波粒二象性
1.黑體輻射和能量量子化
實驗證明物體在任何溫度下都嚮周圍發射電磁波,即産生輻射,物體發齣的輻射能以及輻射能按波長的分布主要取決於物體的溫度,所以這種輻射稱為熱輻射。熱輻射是自然界普遍存在的現象。物體發射電磁波的同時也吸收周圍其他物體所發射的電磁波。如果物體在單位時間輻射齣的能量恰好等於吸收其他物體輻射齣來的能量,則輻射過程達到平衡,稱為平衡熱輻射。
對於外來的輻射,物體有反射或吸收作用。如果一個物體在任何溫度下都能將投射於其上的輻射全部吸收而無反射,這種物體就稱為絕對黑體,簡稱黑體。自然界沒有真正的黑體,絕對黑體顯然是一種理想模型。一個帶有小孔的空腔可以近似看作黑體,如圖1 1 所示。所有射入該小孔的輻射會在空腔內經過多次反射纔可能由小孔射齣空腔,而每次反射,腔壁都吸收一部分能量,經多次反射後,僅有極微弱的能量從小孔逸齣,實際上可以忽略不計,認為空腔中的輻射全部被吸收,因此可以把開有小孔的空腔視為黑體。
……
從教學法角度來看,這本書的失敗是顯而易見的。它完全拋棄瞭從具體案例到一般規律的歸納過程,而是上來就拋齣一個宏大的、幾乎無法證僞的理論框架,然後用一係列無關緊要的、側重於管理學的例子來“佐證”這個框架。比如,當講到共振理論時,作者沒有提供任何可供計算的實例或光譜數據,而是引用瞭一段關於“跨文化交流中信息失真率”的統計分析。閱讀體驗極其糟糕,因為你永遠不知道下一頁會跳到哪裏去。很多關鍵概念的定義缺失或者極其模糊,需要讀者自行去外部資源補充背景知識,這完全違背瞭“規劃教材”應有的基礎性、係統性要求。這本書更像是為一些非化學專業的管理層人士編寫的“化學速覽”,企圖讓他們在最短時間內對化學領域形成一個似是而非的印象,而不是真正培養學生紮實的專業基礎。我不得不承認,我讀完後對自己的化學知識幾乎沒有增長,反而對某些宏觀經濟政策産生瞭不必要的關注。
評分這本書的排版和設計也令人抓狂。頁麵上密密麻麻的文字,字體選擇上缺乏變化,導緻視覺疲勞來得特彆快。更要命的是,書中齣現的“實驗指導”部分,與其說是指導,不如說是一份關於如何申請科研經費的指南。我翻到“實驗”一章,希望能看到如何配製標準溶液或進行簡單的滴定實驗,結果裏麵詳細記錄瞭如何撰寫一份詳盡的項目預算錶,並附帶瞭多個市場調研報告的摘要。那些本該是幫助理解理論的插圖,全部變成瞭色彩單調、信息密度極高的流程圖,這些流程圖似乎在描述一個復雜的供應鏈管理係統,而不是分子間作用力的動態過程。我嘗試用這本書來復習我之前學過的對稱性原理,發現書中完全沒有涉及群論在分子振動光譜中的應用,反而花瞭整整三章來探討“全球化背景下學術共同體的可持續發展路徑”。這種文不對題的現象貫穿始終,讓人感到被極大地誤導。
評分這本號稱“結構化學”的教材,我實在找不到任何與化學鍵、分子軌道、晶體結構沾邊的乾貨。打開書本,撲麵而來的是各種晦澀難懂的經濟學理論和宏觀調控模型,什麼供需麯綫、邊際效用遞減規律,簡直讓人摸不著頭腦。我購買這本書的初衷是為瞭係統學習元素周期律和原子結構,結果卻被大量的圖錶和復雜的數學公式淹沒,這些公式似乎更適用於金融分析而非化學原理的闡釋。書中對量子力學的基本概念一帶而過,用一兩頁的篇幅試圖解釋薛定諤方程,其深度遠不如我高中時閱讀的科普讀物。更令人費解的是,大量的篇幅被用於討論“産業結構升級”對材料科學的影響,這種跨度之大,讓人懷疑作者是不是不小心把兩本不同學科的教案拼湊在瞭一起。我花瞭整整一個下午試圖從中找到一絲關於SP3雜化的綫索,結果隻找到瞭關於“資本積纍”的冗長論述。這本書的編排邏輯混亂不堪,章節之間的銜接如同斷裂的鏈條,讀完一章,我對下一章的內容毫無預期,更彆提建立起一個完整的知識體係瞭。
評分說實話,讀完這本書,我最大的感受是“空洞”。如果說一本好的教材應該像一位經驗豐富的導師,能循循善誘地引導學生理解復雜的概念,那麼這本書就像一個隻會背誦報告的實習生,隻會堆砌大量看似專業實則毫無靈魂的術語。例如,書中花瞭極大的篇幅去描述“信息時代的知識産權保護機製在基礎科學研究中的應用”,這對於一個正在努力理解拉平分析法(Lapworth Analysis)的學生來說,無疑是一種精神上的摺磨。我期待的是清晰的圖示來解釋晶格振動模式,得到的卻是抽象的、充滿瞭模糊形容詞的哲學思辨,比如“物質的內在秩序性與社會認知形態的辯證統一”。整個閱讀過程如同在迷霧中行走,每走一步都充滿不確定性,而且這些不確定性並非來自知識的深度,而是來自作者刻意製造的敘事陷阱。我甚至開始懷疑,這本書的作者是否真的理解他們試圖闡述的“化學”是什麼,還是僅僅將其作為一個包裝精美的外殼,來販賣一些無關痛癢的社會學觀點。
評分這本書的“前沿性”更是個笑話。它似乎試圖將自己定位成一本麵嚮未來的教材,但其所引用的“前沿”概念,大多是幾年前就已經被學術界廣泛討論甚至逐漸淡齣的熱點話題,而且作者的解讀還停留在非常錶麵的層麵。真正令人興奮的、處於化學研究前沿的成果,比如高通量計算方法在材料篩選中的應用、新型催化劑的設計思路,在書中完全找不到蹤影。取而代之的是大量關於“知識資本的社會化分配”的討論。更令人氣憤的是,書中對一些曆史性的化學發現的描述也充滿瞭主觀臆斷和簡化,完全沒有體現齣科學史的嚴謹性。我本來希望這本書能激發我對結構化學深入探索的興趣,但它給我的感受卻是,它在盡力地將一門嚴謹的自然科學,用一種充滿瞭社會學色彩的、充滿空泛敘事的語言進行稀釋和扭麯。最終,我決定將它束之高閣,轉而尋找那些真正專注於分子結構和能量的經典著作。
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