物理学与和现代自然科学.pptVIP

* 第六章 物理学与现代自然科学 各门自然科学学科是从不同角度，针对不同的自然现象，概括着正确认识的知识体系。当代人们最关心的重大自然科学课题有宇宙的起源、演化、结构层次，各种元素的起源和它们构成各种物质材料的规律、生命的本质等等。 科学揭示自然规律，为发明新技术指明方向。 技术是人们在实践的基础上创造出来的，能指导人们制作工具、组合工具、按照给定的行为规范运用工具，从而实现各种实际需求的知识体系。 现代新技术中，最具基础性的有新能源技术、新材料、激光、生物技术等。科学技术是推动生产力发展、创造更多更好的产品、提高人类物质文化生活的第一要素。 物理学研究的对象是自然界的普遍现象，因此物理学得到的认识是其它学科的基础。本章将介绍物理学在与之最贴近的科技领域中起的作用，介绍二十世纪的必威体育精装版成果都建立在相对论和量子力学之上。 §6-1 物理学与化学 一. 化学研究的基本课题 从物理的角度, 化学的研究课题是: 各原子的化学性质; 原子结合为分子的规律;各种分子的性能和生成方法。 二. 物理学在化学发展中的的作用 1. 物理学在认识原子、分子和化学基本规律方面的作用 化学家用实验证实原子是组成物质的基本单元。分割单质得到保持该物质性质的最小单元原子。 对物质的构成，物理学起码在更深层次点明以下几个问题： （1）原子还有更深层次的结构。 （2）组成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初阶段。 （3）量子力学从理论上说明稳定的原子只有九十几种，而在此之前只能用化学实验的方法发现新原子。 （4）原子的核外电子的分布决定了原子的化学性质，元素在周期表上的序号与原子的核外电子数同。最外围电子分布相同的原子有相似的化学性质，构成一族元素。而当时，门捷列耶夫是从实验事实中总结出元素周期表。 （5）原子间的结合力——化学键 原子与原子的 结合称为化合，结合的破裂称为分解。 化合和分解是最基本的化学现象，如果把结合的本质搞清楚了，各种化学现象的本质也就清楚了。那为什么原子可相互结合？靠原子外围电子的结合力。结合力的形式称为化学键。 破译电子的运动秘密的是由薛定谔、海森堡等人建立的量子力学完成的。试着用量子力学解决化学问题，一门新学科量子化学应运而生。 2. 物理学在认识外部条件对化学反应的影响所起的作用 从物理学角度看, 影响化学反应的外部条件可分为两类① 主要用经典物理理论就可其作用机理的条件（如光、热、电流等），在运用经典物理知识处理这类问题的基础上，发展出了化学热力学、电化学、化学动力学、光化学、胶体化学等化学分支学科。通常把应用热力学方法讨论化学反应和化学平衡的物理化学。 ② 必须应用量子理论才能认识其作用机理的外部条件，如催化剂在亚原子层次的作用（所谓亚原子层次是指从构成物质的最基本单元着眼的层次），酶的作用等, 发展出固体表面催化、功能材料等学科。 三. 量子化学 量子化学用量子力学研究分子中化学键问题。 最早用薛定谔方程计算氢分子。 按量子力学，氢原子外围的电子出现在“电子云”区域的概率最大，“电子云”的形状用薛定谔方程的解—波函数描述。两个氢原子中的电子云的分布集中在原子核间形成化学键，把两个氢原子核“拉”到一起而稳定下来。 从理论上计算出，破坏氢分子化学键的能量是108.8千卡/mol, 氢分子中两原子核间的距离是0.074× 10-9nm, 与实验值吻合。 由于薛定谔方程是一个复杂的微分方程，随着分子中原子数目的增加定量计算遇到困难。为此采用多种近似方法。目前迅速发展的是化学键理论中的分子轨道理论。它是从分子整体出发，用单电子的波函数描述化学键本质。 计算机的飞速发展，为量子化学的计算提供了有力工具。化学也从经验性学科向系统的理论的学科发展。 量子力学的发展使人们的预见性也加强了，进入到“分子设计”阶段。期待通过理论计算，像设计房屋那样，按需求设计新材料、新药物。理论表明： 物性 电学性能：半导性、超导电性等 热学性能：热传导等 磁学性能：磁性转变温度等 光学性能：吸收光谱等 药物的疗效 与原子的外层电子运动有关 于是有了高温超导材料的设计