本书以量子理论为基础，现代化学键理论为背景，结合现代实验方法，揭示化学键本质。从电子运动的微观角度阐述原子、分子的电子结构，从构成物质微粒堆积的周期结构阐述物质的晶体结构。主要内容有量子力学基本原理、原子结构理论、原子的电子结构、分子对称性、分子结构与共价键理论、晶体结构与X射线衍射法、簇化合物结构等。本书从对称性、电子结构、分子轨道理论等角度介绍分子构型和微观电子结构的必然联系，介绍化学物质结构的表达方法、结构和性质的相互关系、化学物质应用的结构背景，以及物质结构测定的现代实验原理。在电子结构层次上阐明化学键在分子结构和性质中所起的作用，以及分子构型与化学键的关系。由于量子化学的建立，现代化学已进入广泛应用量子理论探索物质结构的时代，全方位从合成构建结构化学理论、从结构化学理论指导化学合成，揭示和解释化学物质的物理和化学性质，因而本书可以帮助读者学习掌握分子构型和晶体结构知识，提升基础化学认知水平。
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前言
第1章 量子力学波动方程 1
1.1 氢原子结构 2
1.2 相对论 7
1.2.1 伽利略变换 8
1.2.2 洛伦兹变换 9
1.2.3 相对论速度 13
1.2.4 相对论长度收缩 14
1.2.5 相对论时间膨胀 15
1.2.6 相对论质量和动量 17
1.2.7 相对论动能 19
1.2.8 相对论运动学 21
1.2.9 相对论动力学 24
1.2.10 洛伦兹变换的四维复向量空间表示 26
1.2.11 广义相对论 30
1.3 光量子论 32
1.4 物质波 36
1.5 量子力学的建立 39
习题 48
参考文献 49
第2章 氢原子结构和氢原子光谱 50
2.1 氢原子薛定谔方程的解 50
2.1.1 氢原子的薛定谔方程 50
2.1.2 电子绕核运动方程的解 53
2.1.3 原子轨道波函数和能量 57
2.1.4 原子轨道的宇称性 62
2.1.5 径向分布函数和径向概率分布图 63
2.1.6 实球谐函数和轨道等值封闭曲面图 65
2.2 轨道角动量与轨道角量子数 70
2.2.1 角动量及其z分量算符本征方程 70
2.2.2 角动量及其z分量的相对方向 71
2.2.3 轨道磁偶极矩与能级分裂 72
2.3 自旋角动量与自旋量子数 75
2.3.1 原子轨迹偏转实验 75
2.3.2 自旋角动量和磁场分量 76
2.3.3 自旋角动量及其z分量本征方程 77
2.4 单电子的自旋-轨道耦合角动量与总角动量量子数 78
2.4.1 总角动量及其z分量 78
2.4.2 经典轨道模型下的自旋-轨道耦合能 81
2.4.3 相对论方程中的自旋-轨道耦合能 83
习题 85
参考文献 85
第3章 原子的电子结构和原子核的结构 87
3.1 原子的核电荷数 87
3.2 氦原子基态、激发态的能量和光谱 89
3.2.1 变分法求解氦原子基态能量 89
3.2.2 变分法求解氦原子激发态能量 91
3.2.3 氦原子光谱 93
3.3 斯莱特轨道波函数和能量 93
3.3.1 中心力场轨道波函数 93
3.3.2 斯莱特轨道和能级 95
3.4 原子性质的递变规律 96
3.4.1 原子电离能的变化规律 97
3.4.2 原子半径的变化规律 97
3.5 哈特里自洽场方法 99
3.5.1 电子完全波函数的反对称性质 100
3.5.2 斯莱特行列式波函数 101
3.5.3 哈特里方程的求解 102
3.5.4 原子轨道能级和原子总能量 103
3.6 原子的壳层结构 105
3.6.1 内层电子壳层 106
3.6.2 价层电子能级组 107
3.6.3 轨道能量的实验测定及其理论意义 110
3.7 原子电子组态的构造原理 112
3.7.1 原子壳层的轨道构成 112
3.7.2 原子的轨道能级顺序和电子组态 113
3.8 原子光谱项 116
3.8.1 自旋-轨道耦合与谱线分裂 116
3.8.2 总轨道角动量、轨道角动量耦合 118
3.8.3 总自旋角动量、自旋角动量耦合 121
3.8.4 自旋-轨道耦合与总角动量 123
3.8.5 原子的微观状态与原子光谱项 125
3.8.6 洪德规则的理论解释和实验证明 129
3.8.7 LS耦合的磁相互作用能 132
3.9 原子核的结构* 135
3.9.1 基本粒子和反粒子 135
3.9.2 核素和原子核的结构 137
3.9.3 核素质量的测定 139
3.9.4 核子的相互作用能 140
3.9.5 核反应与核能 144
3.9.6 原子核结构理论 146
习题 168
参考文献 168
第4章 分子对称性 170
4.1 对称元素和对称操作 170
4.1.1 旋转操作和旋转轴 170
4.1.2 反映操作和镜面 172
4.1.3 反演和反演中心 174
4.1.4 旋转反映和象转轴 176
4.1.5 旋转反演和反轴 177
4.1.6 象转轴和反轴的互变性 178
4.2 对称操作的矩阵表示 179
4.2.1 旋转操作的矩阵表示 180
4.2.2 反映操作的矩阵表示 181
4.2.3 反演操作的矩阵表示 183
4.2.4 旋转反映操作的矩阵表示 184
4.2.5 旋转反演操作的矩阵表示 185
4.3 分子点群及其分类 187
4.3.1 对称元素下的对称操作集合 187
4.3.2 对称群的定义 189
4.3.3 对称操作的分类 191
4.3.4 对称群的分类和符号表示 193
4.4 分子点群与分子的性质 202
4.4.1 确定分子点群的一般方法 203
4.4.2 确定分子点群的特殊方法 204
4.4.3 分子手性与对称性 205
4.4.4 分子极性与对称性 211
4.4.5 分子偶极矩的实验测定 218
4.4.6 分子间作用力 226
习题 228
参考文献 228
第5章 分子轨道理论的应用和分子的电子结构 230
5.1 变分法求解氢分子薛定谔方程 230
5.1.1 氢分子的轨道波函数 231
5.1.2 氢分子的能量 233
5.2 休克尔分子轨道理论求解共轭分子体系 236
5.2.1 线性变分法 236
5.2.2 休克尔分子轨道理论 238
5.3 轨道的对称性匹配线性组合和能量矩阵的分块对角化 243
5.3.1 对称操作的矩阵表示及其线性变换 244
5.3.2 对称群的不可约表示及其特征标表 248
5.3.3 对称操作下的可约表示及其约化 258
5.3.4 投影算符与SALC群轨道 261
5.3.5 能量矩阵的分块对角化 268
5.3.6 共轭分子的电子结构 272
5.4 共价分子的轨道和能级 276
5.4.1 CH4的对称性匹配分子轨道 278
5.4.2 CH4的分子轨道能级 283
5.4.3 CH4的杂化分子轨道 285
5.5 双原子分子的分子轨道和能级 286
5.5.1 氧分子的分子轨道和能级 286
5.5.2 氮分子的分子轨道和能级 291
5.5.3 一氧化碳分子的分子轨道和能级 292
5.6 配合物的分子轨道和能级 293
5.6.1 中心离子的轨道基函数 294
5.6.2 价轨道的对称性 297
5.6.3 正八面体配合物的σ型分子轨道和能级 304
5.6.4 正八面体配合物的π型分子轨道和能级 310
5.6.5 姜-泰勒结构畸变配合物的分子轨道和能级 317
5.6.6 双核簇化合物的分子轨道和能级 319
习题 320
参考文献 320
第6章 晶体结构与晶体对称性 322
6.1 微粒的周期性排列与点阵结构 322
6.2 晶体的对称元素和对称群 328
6.2.1 极射赤面投影图 329
6.2.2 点阵点、直线点阵、平面点阵的指标 331
6.2.3 晶体的对称轴重数限制定理 332
6.2.4 宏观对称元素、32个点群和等位点系 333
6.2.5 微观对称元素 341
6.3 晶体结构的对称性分类 351
6.3.1 平面格子类型 351
6.3.2 特征对称元素与晶系的划分 352
6.3.3 晶体坐标系与14类布拉维空间格子 354
6.3.4 晶胞与微粒位置 359
6.3.5 空间群的国际符号 362
6.3.6 空间群的对称元素配置图 364
6.3.7 空间群对称操作的增广矩阵表示 370
6.4 晶体结构参数 380
6.4.1 晶胞中原子间距 380
6.4.2 晶胞的体积 382
6.4.3 晶面间距 384
6.4.4 晶面交角 387
6.4.5 倒易空间点阵的晶格参数 389
6.5 空间群对称操作的表示 391
6.5.1 空间群对称操作符号 391
6.5.2 空间群对称操作的表示矩阵 394
6.5.3 正晶格空间和倒易晶格空间的点群对称性 396
6.5.4 正晶格空间位矢、方向指数、对称操作的基变换 399
6.5.5 对称元素位置与一般等位点坐标的变换关系 406
6.5.6 空间群符号与表示矩阵 412
习题 415
参考文献 415
第7章 晶体化学与化学晶体 417
7.1 晶体结构现象 417
7.1.1 类质同形 417
7.1.2 同质异形 418
7.1.3 异质同形 418
7.1.4 异质反形 419
7.1.5 姜-泰勒晶体结构畸变 420
7.2 金属单质的晶体结构 421
7.2.1 铜、银、金单质的晶体结构 421
7.2.2 镁、钛、锆、铪单质的晶体结构 422
7.2.3 铁、钒、铌、钽单质的晶体结构 424
7.2.4 锰单质的晶体结构 425
7.2.5 金属单质晶体的结构模型 427
7.3 合金的晶体结构 431
7.3.1 σ-FeCr合金的晶体结构 431
7.3.2 MgCu2合金的晶体结构 435
7.3.3 MgZn2合金的晶体结构 436
7.3.4 CuAl2合金的晶体结构 438
7.3.5 合金超导体Nb3Ge的晶体结构 440
7.3.6 合金Cu5Zn8的晶体结构 443
7.4 氧化物和氢氧化物的晶体结构 445
7.4.1 刚玉α-Al2O3的晶体结构 446
7.4.2 ZrO2的晶体结构 449
7.4.3 锐钛矿TiO2的晶体结构 450
7.4.4 金红石TiO2的晶体结构 454
7.4.5 Ca(OH)2的晶体结构 456
7.5 无机含氧酸盐的晶体结构 459
7.5.1 方解石的晶体结构 459
7.5.2 硫酸钙的晶体结构 463
7.5.3 高氯酸银的晶体结构 466
7.5.4 硅酸锆的晶体结构 468
7.5.5 磷酸锂的晶体结构 471
7.6 离子化合物的晶体结构特征和鲍林结构规则 474
7.6.1 配位多面体与离子半径比 475
7.6.2 离子晶体中正、负离子堆积方式 478
7.6.3 鲍林结构规则 493
习题 502
参考文献 503
第8章 晶体结构的测定和应用 505
8.1 X射线衍射原理 505
8.1.1 X射线平面波 505
8.1.2 X射线球面波 507
8.1.3 光的振幅、相位和光程 508
8.1.4 散射光波的叠加和衍射 509
8.1.5 劳厄方程组 511
8.1.6 X射线在晶面上的衍射 514
8.1.7 布拉格方程 516
8.2 原子的散射因子与晶胞的结构振幅 519
8.2.1 X射线光源 519
8.2.2 电子的散射强度 523
8.2.3 原子的散射因子 526
8.2.4 晶胞原子的总散射振幅 530
8.3 衍射线的系统性消光 535
8.3.1 空间格子的系统性消光 535
8.3.2 滑移面导致的系统性消光 537
8.3.3 螺旋轴引起的系统性消光 540
8.3.4 系统性消光条件的综合应用 544
8.4 晶体的衍射线振幅和强度 546
8.5 测定晶体结构X射线衍射法 549
8.5.1 Ewald反射球 549
8.5.2 倒易晶格空间的单位格子 551
8.5.3 X射线粉末衍射仪和四圆单晶衍射仪的衍射线收集 555
8.5.4 X射线粉末衍射法的衍射线指标化 560
8.5.5 单晶结构解析中的电子密度计算 569
8.5.6 解析晶体结构的直接法 597
习题 605
参考文献 606
第9章 分子的多面体结构与结构规则 608
9.1 多面体类型 608
9.1.1 单一顶点和单一平面正多边形类 608
9.1.2 三角形面多面体 609
9.1.3 多种顶点和多边形面的组合 610
9.1.4 富勒烯多面体 610
9.1.5 非平面状多边形多面体 611
9.1.6 各多面体之间的几何关系 611
9.2 分子多面体的结构解释和推测 611
9.2.1 满足VSEPR规则的共价分子 612
9.2.2 满足8-N规则的单质 612
9.2.3 满足EAN规则的2e2c精准电子数簇化物 613
9.2.4 2e3c缺电子键簇化合物 614
9.2.5 填隙原子簇化合物 615
9.2.6 Wade簇化合物 616
9.2.7 Zintl簇化合物 619
9.2.8 杂簇化合物 621
9.2.9 Corbett凝聚簇 622
9.3 复杂多面体的欧拉定律 623
9.4 碳纳米管 626
9.4.1 碳纳米管的结构 626
9.4.2 碳纳米管壁上的周期平移向量 629
9.4.3 碳纳米管的对称性 631
9.4.4 碳纳米管的导电性 633
习题 633
参考文献 634
附表1 230种空间群及其所属32种点群 636
附表2 基本物理常数和物理量常用单位量值 644
附表3 元素周期表 645
京公网安备 11010102004214号