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普通化學(xué)輔導(dǎo):量子論與原子結(jié)構(gòu)常見問題

1. 微觀粒子不受影響的條件下也沒有確定的位置和動(dòng)量是嗎?不能確定是指沒法測(cè)?
答:微觀粒子不存在具體的位置和動(dòng)量,我們通常在實(shí)際中用來描述的位置和動(dòng)量只是外界干預(yù)粒子后接受到的反饋信息;蛘哒f是我們近似描述其某一方面的性質(zhì)的結(jié)果。
 
2. 可怎么就知道無運(yùn)動(dòng)軌道了呢?看不見不等于沒有?
答:軌道的概念是我們強(qiáng)加上去的,粒子只會(huì)在一定的空間以幾率形式存在。

3. 可這個(gè)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系到底是什么?是說不可能同時(shí)而又準(zhǔn)確的測(cè)量微觀粒子的位置和動(dòng)量。怎么扯到微觀粒子的自身運(yùn)動(dòng)上了呢? 
答:測(cè)不準(zhǔn)原理應(yīng)為不確定原理。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是其在空間幾率分布的一種宏觀表現(xiàn)形式。
 
4. 另外數(shù)學(xué)式中的大于號(hào)是什么意思?老師上課講題時(shí),算出δx≥10(-8次方)m,100m也滿足啊,怎么證明測(cè)量誤差小呢? 
答:數(shù)學(xué)式表示是不確定原理具體到某些情形的表述,不確定原理只是反映了測(cè)量的最小誤差,其遠(yuǎn)小于實(shí)際測(cè)量的誤差。
 
5. 那老師上課時(shí)用來說明測(cè)不準(zhǔn)原理的圖(即以光子使電子動(dòng)量改變導(dǎo)致測(cè)不準(zhǔn)),并不能反映實(shí)質(zhì)了?即不測(cè)也不準(zhǔn)?
答:關(guān)于測(cè)不準(zhǔn)原理與測(cè)量的關(guān)系,可作如下說明: 
從原理上講,heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理是由de broglie波粒二象性導(dǎo)出的。所以它的導(dǎo)出不需要借助于實(shí)驗(yàn)。但是為了說明這個(gè)關(guān)系式,幾乎所有的教材都會(huì)引用一個(gè)實(shí)驗(yàn)類比,來進(jìn)一步說明這個(gè)不等式的物理意義。  
對(duì)于上述原理我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)它。因?yàn)橛^察一個(gè)物體,要求光波的波長至少要等于物體的大小(這樣才能看到物體),即lamda <= delta x。且deltap 與 h/lamda處于同一數(shù)量級(jí)。因此同樣有測(cè)不準(zhǔn)原理。以上只是簡(jiǎn)單推導(dǎo),精確推導(dǎo)比這個(gè)略為復(fù)雜一些。  
作為實(shí)驗(yàn)類比本身而言,沒有任何問題,它再一次確認(rèn)了測(cè)不準(zhǔn)原理。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)往往會(huì)給學(xué)生一個(gè)印象:測(cè)不準(zhǔn)是因?yàn)槭軐?shí)驗(yàn)條件限制,或技術(shù)不夠先進(jìn),將來還是有可能測(cè)得準(zhǔn)的。所以以前也經(jīng)常有同學(xué)會(huì)問:“沒法測(cè)就說測(cè)不準(zhǔn),這合理嗎?”其實(shí)愛因斯坦也有過類似疑問,他甚至設(shè)計(jì)了另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)來否定這個(gè)原理。但是迄今為止的實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析都符合上述原理,因此目前大多數(shù)人已經(jīng)接受哥本哈根的解釋,即這是微觀粒子的本質(zhì)。 
 
6. 課本215頁說:“高速電子轟擊放電管中對(duì)陰極金屬時(shí),金屬原子中內(nèi)層電子被激發(fā)后,外層電子受原子核吸引,可以從外層跳入內(nèi)層”,請(qǐng)問這一過程中,外層電子為何不被激發(fā)?內(nèi)層電子激發(fā)后是一種怎樣的狀態(tài)?是被激發(fā)到外層嗎?或是離開原子?
答:電子吸收入射電子的能量后被激發(fā),激發(fā)通常是指低能級(jí)電子躍遷到較高能級(jí)。當(dāng)內(nèi)層電子躍遷到高能級(jí)后,外層電子和才被激發(fā)的電子都可以躍遷回到內(nèi)層軌道,并發(fā)射一個(gè)光子。電子能否躍遷,取決于電子接受的能量是否相當(dāng)于兩個(gè)能級(jí)之差。因此當(dāng)內(nèi)層電子被激發(fā)時(shí),外層電子也有可能被激發(fā),激發(fā)幾率取決于入射電子能量的分布和能級(jí)間的躍遷選律。
 
 7. 218頁中的“黑體中的一個(gè)原子群以相同頻率振動(dòng)而發(fā)出電磁波”,請(qǐng)問這兒“振動(dòng)”是怎樣的狀態(tài)?又如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)原子群呢?
答:planck認(rèn)為黑體的原子具有振動(dòng)頻率v,它們?cè)谑軣釙r(shí)可以發(fā)射電磁波nhv,n=1,2,...。振動(dòng)是指原子圍繞某一位置作往返運(yùn)動(dòng),就像鐘擺或彈簧一樣。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為原子的振動(dòng)能量是連續(xù)的,且在絕對(duì)零度時(shí)為零。planck建議原子振動(dòng)的能量是量子化的,即只能取若干個(gè)不連續(xù)的能量。后來人們又證實(shí)原子振動(dòng)在絕對(duì)零度時(shí)不為零,即存在零點(diǎn)能。  

“原子群”或許是一個(gè)經(jīng)典用語,其實(shí)我們現(xiàn)在知道原子或分子的電子躍遷是獨(dú)立的,如果不是獨(dú)立的,那么原子或分子間必定有較強(qiáng)的相互作用。這就是現(xiàn)代光譜學(xué)可以借助譜線位移判斷分子結(jié)構(gòu)的基本原理。 
 
8. 請(qǐng)問: 
   1) 電子衍射時(shí)若電子數(shù)目足夠多,電子是否會(huì)重疊? 
   2) 書本233頁實(shí)驗(yàn)(圖11.18)中磁場(chǎng)為何是非均勻的?
答:你問了兩個(gè)很好的問題!現(xiàn)回答如下:  
1) “電子衍射時(shí)若電子數(shù)目足夠多,電子是否會(huì)重疊? ”  
我想你說的是雙狹縫衍射實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)電子數(shù)目足夠多時(shí),在狹縫后面的熒光屏上會(huì)呈現(xiàn)干涉花紋。進(jìn)一步增加電子數(shù)目,只會(huì)令這些圖案更清晰,而不會(huì)使花紋消失。  
2) “書本233頁實(shí)驗(yàn)(圖11.18)中磁場(chǎng)為何是非均勻的?   
因?yàn)樵邮侵行缘模跃鶆虼艌?chǎng)并不能使中性粒子偏轉(zhuǎn),但是非均勻磁場(chǎng)可以用來偏轉(zhuǎn)帶有磁矩的飛行原子,從而能測(cè)量磁矩。 
 
9. 請(qǐng)問: 
1) 250頁11.13中為何能量1>3? 
2) 11.23中為何2的第一電離能最小而不是3? 
答:
1)“250頁11.13中為何能量1>3? ” 
填入電子后,4s > 3d。  
2)“11.23中為何2的第一電離能最小而不是3? ”
我們知道,對(duì)于每個(gè)周期元素而言,起始的元素,如堿金屬電負(fù)性小,易于失去電子。而后半周期的元素電負(fù)性逐漸增大,容易得電子而不是失去電子。顯然o的電負(fù)性大于b,所以b更容易失去電子。
 
10. 電負(fù)性取決于第一電離能和第一親和能的和,光憑電負(fù)性就可以比較第一電離能嗎? 
答:根據(jù)電負(fù)性的定義,我們不能僅根據(jù)電負(fù)性判斷第一電離能。但是在相互比較的元素的電負(fù)性相差懸殊的時(shí)候(而且又處于同一周期),我們可以用電負(fù)性關(guān)系簡(jiǎn)單描述第一電離能。
 
11. 為什么鑭系元素都有一個(gè)d電子,即為什么要先填一個(gè)d電子,接著又填f電子?
答:這個(gè)問題問的很好!我們知道4f與5d軌道的能量是非常接近的——按照pauling的軌道近似能級(jí)圖有:4f軌道能量 < 5d軌道能量,但這個(gè)規(guī)律知識(shí)在“單電子近似”的條件下成立,實(shí)際上“軌道能量”并不是一個(gè)固定不變的值,在填入電子數(shù)目不同的時(shí)候,“軌道能量”還是有所變動(dòng)的。所以我們得到的鑭系元素核外電子排布是由實(shí)驗(yàn)得到。 
   事實(shí)上,對(duì)原子中電子填入的規(guī)律,現(xiàn)在我們所學(xué)的理論還不能給出完滿的解釋——電子排布的規(guī)律遠(yuǎn)不是我們想象中那么簡(jiǎn)單,影響的因素有非常多。我們得到的很多都只是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。 
   對(duì)于所學(xué)的規(guī)律,我們一般只要求大家在主族以及第一過渡周期中應(yīng)用。不過大家要明確一點(diǎn),不同的軌道能量確實(shí)有差別,但是“軌道能量”并不是一個(gè)固定不變的常數(shù),會(huì)受到很多因素的影響,尤其是對(duì)于能量比較靠近的能級(jí)(比如4f、5d)我們很多情況下除了通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量,幾乎不能簡(jiǎn)單的直接判斷其能量高低。
12. 一個(gè)原子如果有確定的電子數(shù)目,那么核外電子排布方式和核電荷數(shù)有關(guān)嗎?
答:可以參考原子結(jié)構(gòu)一章里有一個(gè)元素序數(shù)與核外電子能級(jí)關(guān)系的圖。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn),隨著核電荷數(shù)的增加,核外電子能級(jí)發(fā)生能級(jí)分裂和能級(jí)交錯(cuò)。我們也可以看到3d與4s在第四周期的變化。