[普通化学量子数]普通化学辅导：量子论与原子结构常见问题

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1. 微观粒子不受影响的条件下也没有确定的位置和动量是吗？不能确定是指没法测？
答：微观粒子不存在具体的位置和动量，我们通常在实际中用来描述的位置和动量只是外界干预粒子后接受到的反馈信息。或者说是我们近似描述其某一方面的性质的结果。
　
2. 可怎么就知道无运动轨道了呢？看不见不等于没有啊？
答：轨道的概念是我们强加上去的，粒子只会在一定的空间以几率形式存在。

3. 可这个测不准关系到底是什么？是说不可能同时而又准确的测量微观粒子的位置和动量。怎么扯到微观粒子的自身运动上了呢？ 
答：测不准原理应为不确定原理。微观粒子的运动是其在空间几率分布的一种宏观表现形式。
　
4. 另外数学式中的大于号是什么意思？老师上课讲题时，算出δx≥10(-8次方)m，100m也满足啊，怎么证明测量误差小呢？ 
答：数学式表示是不确定原理具体到某些情形的表述，不确定原理只是反映了测量的最小误差，其远小于实际测量的误差。
　
5. 那老师上课时用来说明测不准原理的图（即以光子使电子动量改变导致测不准），并不能反映实质了？即不测也不准？
答：关于测不准原理与测量的关系，可作如下说明： 
从原理上讲，heisenberg测不准原理是由de broglie波粒二象性导出的。所以它的导出不需要借助于实验。但是为了说明这个关系式，几乎所有的教材都会引用一个实验类比，来进一步说明这个不等式的物理意义。  
对于上述原理我们可以设计一个实验来检验它。因为观察一个物体，要求光波的波长至少要等于物体的大小（这样才能看到物体），即lamda <= delta x。且deltap 与 h/lamda处于同一数量级。因此同样有测不准原理。以上只是简单推导，精确推导比这个略为复杂一些。  
作为实验类比本身而言，没有任何问题，它再一次确认了测不准原理。但是这个实验往往会给学生一个印象：测不准是因为受实验条件限制，或技术不够先进，将来还是有可能测得准的。所以以前也经常有同学会问：“没法测就说测不准，这合理吗？”其实爱因斯坦也有过类似疑问，他甚至设计了另外一个实验来否定这个原理。但是迄今为止的实验观察和理论分析都符合上述原理，因此目前大多数人已经接受哥本哈根的解释，即这是微观粒子的本质。 
　
6. 课本215页说：“高速电子轰击放电管中对阴极金属时，金属原子中内层电子被激发后，外层电子受原子核吸引，可以从外层跳入内层”，请问这一过程中，外层电子为何不被激发？内层电子激发后是一种怎样的状态？是被激发到外层吗？或是离开原子？
答：电子吸收入射电子的能量后被激发，激发通常是指低能级电子跃迁到较高能级。当内层电子跃迁到高能级后，外层电子和才被激发的电子都可以跃迁回到内层轨道，并发射一个光子。电子能否跃迁，取决于电子接受的能量是否相当于两个能级之差。因此当内层电子被激发时，外层电子也有可能被激发，激发几率取决于入射电子能量的分布和能级间的跃迁选律。
　
 7. 218页中的“黑体中的一个原子群以相同频率振动而发出电磁波”，请问这儿“振动”是怎样的状态？又如何实现一个原子群呢？
答：planck认为黑体的原子具有振动频率v，它们在受热时可以发射电磁波nhv，n=1,2,...。振动是指原子围绕某一位置作往返运动，就像钟摆或弹簧一样。经典力学认为原子的振动能量是连续的，且在绝对零度时为零。planck建议原子振动的能量是量子化的，即只能取若干个不连续的能量。后来人们又证实原子振动在绝对零度时不为零，即存在零点能。  

“原子群”或许是一个经典用语，其实我们现在知道原子或分子的电子跃迁是独立的，如果不是独立的，那么原子或分子间必定有较强的相互作用。这就是现代光谱学可以借助谱线位移判断分子结构的基本原理。 
　
8. 请问: 
   1) 电子衍射时若电子数目足够多,电子是否会重叠? 
   2) 书本233页实验(图11.18)中磁场为何是非均匀的?
答：你问了两个很好的问题！现回答如下：  
1) “电子衍射时若电子数目足够多,电子是否会重叠? ”  
我想你说的是双狭缝衍射实验。这个实验表明，当电子数目足够多时，在狭缝后面的荧光屏上会呈现干涉花纹。进一步增加电子数目，只会令这些图案更清晰，而不会使花纹消失。  
2) “书本233页实验(图11.18)中磁场为何是非均匀的?   
因为原子是中性的，所以均匀磁场并不能使中性粒子偏转，但是非均匀磁场可以用来偏转带有磁矩的飞行原子，从而能测量磁矩。 
　
9. 请问： 
1) 250页11.13中为何能量1>3? 
2) 11.23中为何2的第一电离能最小而不是3? 
答：
1)“250页11.13中为何能量1>3? ” 
填入电子后，4s > 3d。  
2)“11.23中为何2的第一电离能最小而不是3? ”
我们知道，对于每个周期元素而言，起始的元素，如碱金属电负性小，易于失去电子。而后半周期的元素电负性逐渐增大，容易得电子而不是失去电子。显然o的电负性大于b，所以b更容易失去电子。
　
10. 电负性取决于第一电离能和第一亲和能的和，光凭电负性就可以比较第一电离能吗？ 
答：根据电负性的定义，我们不能仅根据电负性判断第一电离能。但是在相互比较的元素的电负性相差悬殊的时候（而且又处于同一周期），我们可以用电负性关系简单描述第一电离能。
　
11. 为什么镧系元素都有一个d电子，即为什么要先填一个d电子，接着又填f电子？
答：这个问题问的很好！我们知道4f与5d轨道的能量是非常接近的——按照pauling的轨道近似能级图有：4f轨道能量 < 5d轨道能量，但这个规律知识在“单电子近似”的条件下成立，实际上“轨道能量”并不是一个固定不变的值，在填入电子数目不同的时候，“轨道能量”还是有所变动的。所以我们得到的镧系元素核外电子排布是由实验得到。 
   事实上，对原子中电子填入的规律，现在我们所学的理论还不能给出完满的解释——电子排布的规律远不是我们想象中那么简单，影响的因素有非常多。我们得到的很多都只是实验的结果。 
   对于所学的规律，我们一般只要求大家在主族以及第一过渡周期中应用。不过大家要明确一点，不同的轨道能量确实有差别，但是“轨道能量”并不是一个固定不变的常数，会受到很多因素的影响，尤其是对于能量比较靠近的能级(比如4f、5d)我们很多情况下除了通过实验测量，几乎不能简单的直接判断其能量高低。
12. 一个原子如果有确定的电子数目，那么核外电子排布方式和核电荷数有关吗？
答：可以参考原子结构一章里有一个元素序数与核外电子能级关系的图。从图中我们可以发现，随着核电荷数的增加，核外电子能级发生能级分裂和能级交错。我们也可以看到3d与4s在第四周期的变化。

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