12: Quantum Mechanics and Atomic Theory Q&A
| 1 | Q:高中學同位素的分析是以質譜儀判定其,同位素可否以光譜儀來鑑別,又同位素的原子光譜是否相同? |
| A:同位素一般以質譜分辨質量，其組成物質之電子光譜會一樣，H2O與D2O之電子光譜會一樣，但振動光譜則會不一樣。 |
| 2 | Q:記得老師說過:電子在原子核外作圓周運動,由古典電磁學知將放出連續光譜,電子能量減少,終將墮落核中毀滅.可否請詳述此處的古典電磁學是指什麼?有式子可表示嗎? |
| A:請至下處參考 http://www.ch.ntu.edu.tw/~byjin/course/PhysChem2/hws/hw1/hw1.html |
| 3 | Q: 1.何謂軌域? 2. 軌域是如何測出來的?s,p,d--- |
| A: Orbitals are allowed energy states for the electrons, which are atomic orbitals in atoms, and molecular atoms in the molecules. Orbitals are mainly determined by spectroscopy. On the other hand, orbitals also define the distribution of electron density in space. |
| 4 | Q:1.以現代模型的關點 是否電子繞著原子核在作圓周運動? |
| A:1. 在Bohr的氫原子模型中，電子僅能在特定的軌道以圓周運動繞著原子核運行，從內層往外數，其量子數為
n=1,2,3,...，只要在這些軌道上，電子就不會釋放電磁輻射而掉進原子核，所以稱為穩定態(stationary
states)。在這個古典圖象中，電子不論在那一個軌道，都在轉，都在做圓周運動，具有角動量。
2. 在量子力學裡，從氫原子的薛丁格方程，可得出電子在氫原子中的所允許的波函數，也就是所謂的軌域，當我們說電子在某個軌域，並不是說電子用某種古典的軌跡繞出軌域的圖案，而是說，軌域的波函數代表發現電子的機率幅分佈。在量子力學中，我們放棄用古典軌道來描述電子的運動，而僅用電子在空間中出現的機率來描述電子的行為。 3. 用機率幅描述原子中電子的行為與測不准原理有密切的關連。在古典力學裡，我們可以從完全旁觀者的角度，使用大量的光子觀察粒子的運動，看出它的運動軌跡 而不造成任何干擾，例如人造衛星繞著地球做圓周運動，我們用眼睛或望眼鏡看它並不會對它的軌道產生任何的影響。但是對於在原子中的電子運動，情況就大不同了，看一眼可能都會對電子的運動產生極大的影響。想象我們使用一個解析度極高的顯微鏡觀測氫原子中的電子運動，我們能夠如看人造衛星或是月球一般的看電子嗎？對於電子這樣的微觀粒子，一個光子也會影想它的軌跡，想看清楚電子在氫原子中的軌跡，必須使用波長比氫原子大小小至少十倍的光波，這已經到達非常短波長的X-ray甚至到了gamma射線的範圍。按照Planck的光量子公式 E=h nu，這樣的光子能量極大，電子被看到一下，大概就立刻跳離開氫原子，也談不上看清楚電子的軌道了。但若用低解析度的可見光，波長在幾千個埃，這連原子都看不清楚，更甭談看清楚電子在那裡。至於氫原子的軌域的形狀，我們可以用上面所題的超級顯微鏡來理解，想象我們有十萬個氫原子，每一個都在s 軌域，用我們的超級顯微鏡來看，一次看一個原子，紀錄下每次看到電子在三度空間的位置，單然對每個原子我們只能看一次，因為每次看到電子之後，電子就游離了。將這十萬個的空間分布圖畫出來，就是所謂s 軌域所對應的機率分佈． 4. 在量子力學中，問氫原子中的電子是否在做圓周運動，並不是一個容易回答的問題，但應從上面所敘述的操作型觀點來做回答。如果不看，我們不知道電子在做什麼，仔細看，由於觀察者對體系的影響，電子一定不會完全不受影響地在做圓周運動。 5. 另外一種討論法是問氫原子的軌域與Bohr軌道的對應關係。這是我昨天所試著討論的問題。對應並不是很明顯，在Bohr的模型中，每個軌道中的電子都在轉，角動量都不等於零．但是在量子力學中，氫原子的軌域有s,p, d, ...等不同角動量的軌域，其中的1s, 2s, 3s, ...，等軌域之角動量都等於零， 難道在這些軌域中的電子不轉，不轉電子難道不掉進原子核？從角動量的角度來看，1s軌域一定不對應到Bohr 氫原子模型中的 n=1 的軌道，那1s 軌道是否有古典軌道的對應，我認為角動量為零的ｓ軌域應該對應到的古典軌道是短軸變為零的橢圓軌道． 希望這些討論不會越搞越胡塗！ |
| 5 | Q:請問何謂La系收縮? |
| A:P.W.Atkins著有一本量子手冊，書名叫做"Quanta: A Handbook of Concepts", 目前是第二版，他在書中逐一地將許多與量子化學，原子分子構造有關的最重要概念，做非常有系統的整理，書內有很多具啟發性的圖形表示，對於解釋抽象的物化概念很有幫助，是一本有用的案頭參考書。書中有一頁專門介紹鑭係收縮(Lanthanide contraction)。您不妨參考看看。 |
| 6 | Q: 記得我曾經聽過一種說法......當一個穩定的原子,因為接受外來能量,而受到激發時,電子會由基態躍升到激發態,當電子再回到基態時,會以光的形式放出能量,假設電子一開始的旋量子數為+1/2,在受到激發後又回到基態時,旋量子數可能為+1/2或-1/2,而放出螢光或磷光......請問這種說法對嗎?電子的旋量子數是否會改變? |
| A: 關於螢光與燐光的區別，仔細的區分還是請您看看書，P.W.Atkins的"Quanta: A handbook of concepts"是一個還不錯的量子化學字典。本系圖書館應有此書。簡單來說，一個多電子分子可以有很多的穩定電子態，最低的稱為基態(ground state)，其他能量較高的穩定態則稱為激發態。一般來說，許多常見分子基態的電子總自旋為零（singlet），這是因為分子內個別電子的自旋正好順反相互抵銷之故。激發態的電子自旋排列方式一般比較複雜，但最重要的激發態是最低的那兩個，一般來說能量最低的激發態是電子總自旋為 1 的三重態(triplet)，而能量次低的激發態則是電子總自旋為0 的單重態(singlet)。從singlet 激發態經由放光的過程回到singlet的基態稱為螢光; 而由triplet 激發態經由放光回到singlet 的基態則稱為燐光。在你的原始敘述裡，講到特定的一個電子的自旋量子數，在放光過程由1/2變為1/2或是-1/2，並不是一個正確的說法。比較好的說法是用分子內的電子總自旋量在放光的過程裡有沒有改變。 |
| 7 | Q:我們知道電子有spin up 和 spin down兩種自旋方向而spin up or down對同一個電子來說是不可改變嗎還是能夠改變它的自旋方向呢 之所以有這樣的問題是因為 在鍵結理論中以CH4為例C的2S成對電子其中有一個要被激發到2Pz軌域上但根據韓德定則2S和2P中電子的自旋方向均相同那麼原來在2S中成對電子中的一個勢必改變了其spin的方向。所以到底自旋方向是不變或可改變的？ |
| A:Hund's 並沒有說2s與2p的電子自旋必須一樣，而是說 如果兩個電子填進幾個能量相同的軌域 （degenerate orbitals）或幾乎能量相等之軌域 (nearly degenerate orbitals)，能量最低的電子組態是電子的自旋以平行方式排列！ |
| 8 | Q: |
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