普通化學輔導:量子論與原子結構常見問題

1. 微觀粒子不受影響的條件下也沒有確定的位置和動量是嗎?不能確定是指沒法測?
答:微觀粒子不存在具體的位置和動量,我們通常在實際中用來描述的位置和動量只是外界干預粒子後接受到的反饋信息。或者說是我們近似描述其某一方面的性質的結果。
 
2. 可怎么就知道無運動軌道了呢?看不見不等於沒有啊?
答:軌道的概念是我們強加上去的,粒子只會在一定的空間以幾率形式存在。

3. 可這個測不準關係到底是什麼?是說不可能同時而又準確的測量微觀粒子的位置和動量。怎么扯到微觀粒子的自身運動上了呢? 
答:測不準原理應為不確定原理。微觀粒子的運動是其在空間幾率分布的一種巨觀表現形式。
 
4. 另外數學式中的大於號是什麼意思?老師上課講題時,算出δx≥10(-8次方)m,100m也滿足啊,怎么證明測量誤差小呢? 
答:數學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量的最小誤差,其遠小於實際測量的誤差。
 
5. 那老師上課時用來說明測不準原理的圖(即以光子使電子動量改變導致測不準),並不能反映實質了?即不測也不準?
答:關於測不準原理與測量的關係,可作如下說明: 
從原理上講,heisenberg測不準原理是由de broglie波粒二象性導出的。所以它的導出不需要藉助於實驗。但是為了說明這個關係式,幾乎所有的教材都會引用一個實驗類比,來進一步說明這個不等式的物理意義。
對於上述原理我們可以設計一個實驗來檢驗它。因為觀察一個物體,要求光波的波長至少要等於物體的大小(這樣才能看到物體),即lamda <= delta x。且deltap 與 h/lamda處於同一數量級。因此同樣有測不準原理。以上只是簡單推導,精確推導比這個略為複雜一些。
作為實驗類比本身而言,沒有任何問題,它再一次確認了測不準原理。但是這個實驗往往會給學生一個印象:測不準是因為受實驗條件限制,或技術不夠先進,將來還是有可能測得準的。所以以前也經常有同學會問:“沒法測就說測不準,這合理嗎?”其實愛因斯坦也有過類似疑問,他甚至設計了另外一個實驗來否定這個原理。但是迄今為止的實驗觀察和理論分析都符合上述原理,因此目前大多數人已經接受哥本哈根的解釋,即這是微觀粒子的本質。 
 
6. 課本215頁說:“高速電子轟擊放電管中對陰極金屬時,金屬原子中內層電子被激發後,外層電子受原子核吸引,可以從外層跳入內層”,請問這一過程中,外層電子為何不被激發?內層電子激發後是一種怎樣的狀態?是被激發到外層嗎?或是離開原子?
答:電子吸收入射電子的能量後被激發,激發通常是指低能級電子躍遷到較高能級。當內層電子躍遷到高能級後,外層電子和才被激發的電子都可以躍遷回到內層軌道,並發射一個光子。電子能否躍遷,取決於電子接受的能量是否相當於兩個能級之差。因此當內層電子被激發時,外層電子也有可能被激發,激發幾率取決於入射電子能量的分布和能級間的躍遷選律。
 
 7. 218頁中的“黑體中的一個原子群以相同頻率振動而發出電磁波”,請問這兒“振動”是怎樣的狀態?又如何實現一個原子群呢?
答:planck認為黑體的原子具有振動頻率v,它們在受熱時可以發射電磁波nhv,n=1,2,...。振動是指原子圍繞某一位置作往返運動,就像鐘擺或彈簧一樣。經典力學認為原子的振動能量是連續的,且在絕對零度時為零。planck建議原子振動的能量是量子化的,即只能取若干個不連續的能量。後來人們又證實原子振動在絕對零度時不為零,即存在零點能。

“原子群”或許是一個經典用語,其實我們現在知道原子或分子的電子躍遷是獨立的,如果不是獨立的,那么原子或分子間必定有較強的相互作用。這就是現代光譜學可以藉助譜線位移判斷分子結構的基本原理。 
 
8. 請問: 
 1) 電子衍射時若電子數目足夠多,電子是否會重疊? 
 2) 書本233頁實驗(圖11.18)中磁場為何是非均勻的?
答:你問了兩個很好的問題!現回答如下:
1) “電子衍射時若電子數目足夠多,電子是否會重疊? ”
我想你說的是雙狹縫衍射實驗。這個實驗表明,當電子數目足夠多時,在狹縫後面的螢光屏上會呈現干涉花紋。進一步增加電子數目,只會令這些圖案更清晰,而不會使花紋消失。
2) “書本233頁實驗(圖11.18)中磁場為何是非均勻的? 
因為原子是中性的,所以均勻磁場並不能使中性粒子偏轉,但是非均勻磁場可以用來偏轉帶有磁矩的飛行原子,從而能測量磁矩。 
 
9. 請問: 
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? ” 
填入電子後,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,對於每個周期元素而言,起始的元素,如鹼金屬電負性小,易於失去電子。而後半周期的元素電負性逐漸增大,容易得電子而不是失去電子。顯然o的電負性大於b,所以b更容易失去電子。
 
10. 電負性取決於第一電離能和第一親和能的和,光憑電負性就可以比較第一電離能嗎? 
答:根據電負性的定義,我們不能僅根據電負性判斷第一電離能。但是在相互比較的元素的電負性相差懸殊的時候(而且又處於同一周期),我們可以用電負性關係簡單描述第一電離能。
 
11. 為什麼鑭系元素都有一個d電子,即為什麼要先填一個d電子,接著又填f電子?
答:這個問題問的很好!我們知道4f與5d軌道的能量是非常接近的——按照pauling的軌道近似能級圖有:4f軌道能量 < 5d軌道能量,但這個規律知識在“單電子近似”的條件下成立,實際上“軌道能量”並不是一個固定不變的值,在填入電子數目不同的時候,“軌道能量”還是有所變動的。所以我們得到的鑭系元素核外電子排布是由實驗得到。 
 事實上,對原子中電子填入的規律,現在我們所學的理論還不能給出完滿的解釋——電子排布的規律遠不是我們想像中那么簡單,影響的因素有非常多。我們得到的很多都只是實驗的結果。 
 對於所學的規律,我們一般只要求大家在主族以及第一過渡周期中套用。不過大家要明確一點,不同的軌道能量確實有差別,但是“軌道能量”並不是一個固定不變的常數,會受到很多因素的影響,尤其是對於能量比較靠近的能級(比如4f、5d)我們很多情況下除了通過實驗測量,幾乎不能簡單的直接判斷其能量高低。
12. 一個原子如果有確定的電子數目,那么核外電子排布方式和核電荷數有關嗎?
答:可以參考原子結構一章里有一個元素序數與核外電子能級關係的圖。從圖中我們可以發現,隨著核電荷數的增加,核外電子能級發生能級分裂和能級交錯。我們也可以看到3d與4s在第四周期的變化。