结构化学课后答案第二章
(完整版)结构化学课后答案第二章
02 原子的结构和性质【2.1】氢原子光谱可见波段相邻4条谱线的波长分别为656.47、486.27、434.17和410.29nm ，试通过数学处理将谱线的波数归纳成为下式表示，并求出常数R 及整数n 1、n 2的数值。
221211()R n n ν=-解：将各波长换算成波数：1656.47nm λ= 1115233v cm --=2486.27nm λ= 1220565v cm --=3434.17nm λ= 1323032v cm --=4410.29nm λ= 1424373v cm --=由于这些谱线相邻，可令1n m =，21,2,n m m =++……。
列出下列4式：()22152331R R m m =-+()22205652R Rm m =-+()22230323R R m m =-+()22243734R Rm m =-+(1)÷(2)得：()()()23212152330.7407252056541m m m ++==+用尝试法得m=2（任意两式计算，结果皆同）。
将m=2带入上列4式中任意一式，得：1109678R cm -=因而，氢原子可见光谱（Balmer 线系）各谱线的波数可归纳为下式：221211v R n n -⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 式中，112109678,2,3,4,5,6R cm n n -===。
【2.2】按Bohr 模型计算氢原子处于基态时电子绕核运动的半径（分别用原子的折合质量和电子的质量计算并精确到5位有效数字）和线速度。
解：根据Bohr 提出的氢原子结构模型，当电子稳定地绕核做圆周运动时，其向心力与核和电子间的库仑引力大小相等，即：22204n n n m e r r υπε= n=1，2，3，…… 式中，,,,,n n m r e υ和0ε分别是电子的质量，绕核运动的半径，半径为n r 时的线速度，电子的电荷和真空电容率。
同时，根据量子化条件，电子轨道运动的角动量为： 2n n nh m r υπ=将两式联立，推得：2202n h n r me επ=；202ne h n υε= 当原子处于基态即n=1时，电子绕核运动的半径为：2012h r me επ=()()23412211231196.62618108.854191052.9189.1095310 1.6021910J s C J m pm kg C π------⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯若用原子的折合质量μ代替电子的质量m ，则：201252.91852.91852.9470.99946h m pm r pm pme επμμ==⨯==基态时电子绕核运动的线速度为：2102e h υε=()21934122111.60219102 6.62618108.8541910C J s C J m -----⨯=⨯⨯⨯⨯612.187710m s -=⨯【2.3】对于氢原子：(a)分别计算从第一激发态和第六激发态跃迁到基态所产生的光谱线的波长，说明这些谱线所属的线系及所处的光谱范围。
《结构化学》(1-5章)习题答案
目录第一章答案----------------------------------------------------------------------------1 第二章答案---------------------------------------------------------------------------26 第三章答案---------------------------------------------------------------------------47 第四章答案---------------------------------------------------------------------------63 第五章答案---------------------------------------------------------------------------711《结构化学》第一章习题答案1001 (D) 1002 E =h ν p =h /λ 1003,mvh p h ==λ 小 1004 电子概率密度 1005 1-241-9--34s kg m 10626.6s kg m 100.1106.626⋅⋅⨯=⋅⋅⨯⨯==-λhp T = m p 22 = 3123410109.92)10626.6(--⨯⨯⨯ J = 2.410×10-17J 1006 T = h ν- h ν0=λhc -0λhcT = (1/2) mv 2 v =)11(20λλ-m hc = 6.03×105 m ·s -11007 (1/2)mv 2= h ν - W 0 = hc /λ - W 0 = 2.06×10-19 J v = 6.73×105 m/s 1008 λ = 1.226×10-9ｍ/10000= 1.226×10-11 m 1009 (B) 1010 A,B 两步都是对的, A 中v 是自由粒子的运动速率, 它不等于实物波的传播速率u , C 中用了λ= v /ν,这就错了。
江元生《结构化学》课后习题答案
第一章 量子理论1. 说明⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=) (2cos ),(0t x a t x a νλπ及⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=) (2sin ),(0t x a t x a νλπ都是波动方程22222),(1),(t t x a c x t x a ∂∂=∂∂的解。
提示：将),(t x a 代入方程式两端，经过运算后，视其是否相同。
解：利用三角函数的微分公式)cos()sin(ax a ax x=∂∂和)sin()cos(ax a ax x -=∂∂，将⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=) (2c o s ),(0t x a t x a νλπ代入方程：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡--∂∂=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂=) (2cos 2 ) (2sin 2 ) (2cos ) (2cos 2000022t x a t x x a t x x x a t x a x νλπλπνλπλπνλπνλπ左边 ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂=) (2cos 2 ) (2sin 2 ) (2cos ) (2cos 122020200222t x c a t x x c a t x t t c a t x a t c νλππννλππννλπνλπ右边 对于电磁波νλ=c ，所以⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=) (2cos ),(0t x a t x a νλπ是波动方程的一个解。
对于⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=) (2sin ),(0t x a t x a νλπ，可以通过类似的计算而加以证明：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂=) (2sin 2) (2sin 20022t x a t x a x νλπλπνλπ左边()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂=) (2sin 2) (2sin 12200222t x c a t x a t c νλππννλπ右边2. 试根据Planck 黑体辐射公式，推证Stefan 定律：4 T I σ=，给出σ的表示式，并计算它的数值。
结构化学习题解答(第二章)
1(1 1) e 2 e
（c）设轨道角动量M和Z轴的夹角为θ，则：
h 0 Mz 2 0 cos h M 2 2
θ=900
（d） 电子离核的平均距离的表达式为：
r r d
* 2 pz 2 pz
2
2 2 pz
2
Li2+离子1s态的波函数为：
（a）
27 a e
1s 3 0
2 6 r a0 3 3 0 0
1 2
3 r a0
27 D 4r 4r e a
2 2 1s 1s 2 1s 3
108 re a
2
6 r a0
d 108 6 D 2r r e 0 dr a a 6 2 2r r 0 r a0 a0 r 又 r 0 3 a0 1s电子径向分布最大值在距核 处；
1 D1s / a0
r / a0
/ a
2 3 1s 0 1
1.60 2.00 2.30 2.50 3.00
3.50
4.00 4.50 5.00 — —
0.04 0.02 0.01 0.007 0.003 0.001< 0.001
1 D1s / a0
0.42 0.29 0.21 0.17
r r sin drdd
2
0
0
0
(e)
令
2 pz
0 r 0 , r , 90 , 得： 0
节面或节点通常不包括 r 0和r , 故 2 pz 的节 面只有一个，即x,y平面（当然，坐标原点也包含在xy 平面内）。亦可直接令函数的角度部分.
结构化学_郭用猷第二版_课后习题答案第二章到第五章(整理)
习 题 详 解2.1氢原子薛定谔方程中的能量E 包含哪些能量？答：氢原子薛定谔方程中的能量E 包含电子相对于原子核的运动的动能、电子与原子核之间的吸引能。
2.2令)()()(),()(),,(ϕθϕθϕθψΦΘ==r R Y r R r 将单电子原子的薛定谔方程分解为3个方程。
解：将(,,)()(,)r R r Y ψθφθφ=带入定谔方程{)(2r r r ∂∂∂∂+21(sin )sin r θθθθ∂∂∂∂+22221sin r θφ∂∂222[()]}e m r E V r RY --=0 （1） 两边乘以2r ψ，且移项，得21()d d r R R d dr222()e m r E V +-1{(sin )sin Y θθθθ∂∂=-∂∂2221}sin Y Y θφ∂+∂ 令两边等于同一常数β，于是分解为两个方程：2()d dr R dr dr+222()mr E V R R β-= （2） 1(sin )sin Yθθθθ∂∂-∂∂2221sin Y Y βθφ∂-=∂ （3） 再令)()(),(ϕθϕθΦΘ=Y ，带入方程（3）1[sin ]sin θθθθ∂∂ΘΦ∂∂22210sin βθφ∂Φ+Θ+ΘΦ=∂两边除以Y ,移项得1(sin )sin θθθθ∂∂ΘΘ∂∂2221sin βθϕ∂Φ+=-Φ∂sin (sin )θθθθ∂∂ΘΘ∂∂2221sin (4)βθϕ∂Φ+=-Φ∂今两边等于同一常数υ，于是又可将方程(4)方程分解为下列两个方程21(sin )sin sin d dd d θβθυθθθΘ+= （5）22d d ϕΦ=υ-Φ （6） 这样我们将关于(,,)r ψθφ的方程(1)，分解成(),()()R r θϕΘΦ和三个常微分方程(2)，(5)和(6), 于是，解方程(1)归结为解方程(2)，(5)和(6)。
2.3 氢原子薛定谔方程是否具有形为br e ar -+=)1(ψ的解？若有，求a 、b 和能量E 。
结构化学课后答案第2章习题原子的结构与性质
1.简要说明原子轨道量子数及它们的取值范围解：原子轨道有主量子数 n ，角量子数|，磁量子数m 与自旋量子数s ,对类氢原子（单电子原子）来2说，原子轨道能级只与主量子数n 相关E Z R 。
对多电子原子，能级除了与n 相关，还要考虑电子n间相互作用。
角量子数|决定轨道角动量大小，磁量子数 m 表示角动量在磁场方向（z 方向）分量的大小,自旋量子数s 则表示轨道自旋角动量大小。
1n 取值为 1、2、3••…;| = 0、1、2、••…、n - 1; m = 0、±1 ±2 ……±l 取值只有一。
22.在直角坐标系下，Li 2+的Schr?dinger 方程为 ______________________ 。
解：由于Li 2+属于单电子原子，在采取 “-O'近似假定后，体系的动能只包括电子的动能，则体系的动量z 分量的平均值为多少(2)由于 |M I "J l(l1), l 1=1， l 2=1， l 3=1，又,210 ,211和 31 1 都是归一化的,2 h 2 h C 2 ■ l2 l 2 1 ——C3 ■ l3 l 3 1 o 2 2 2 ------------ h 2 ------------ hc 2 11 1 ——c 3 11 1 ——2 2 2h 222故C i 2 M iC 2 M1c ； M 2 C 3 M 3 能算符：T?h 2 8 2m2;体系的势能算符：\?Ze 2 3e 2 故Li 2+的 Schr?dinger 方程为:h 22式中:22 ____x 2y 23.对氢原子,C 1210的。
那么波函数所描述状态的（4 0r3e 22r = ( x 2+ y 2+ z 2F 2z 2C 2211C 331 能量平均值为多少（ 1，其中4 0r211和 31 1都是归一化2）角动量出现在 ..2h 2的概率是多少，角动解：由波函数C 1210C 2211C 3 31 1 得：n 1=2, h=1,m 1=0; n 2=2, b=1,m 2=1;出=3,l 3=1,m 3=-1;（1）由于2210, 211 和 31 1都是归一化的，且单电子原子E 13.6―（eV ）故E■i C 1 E12 2 C 2 E2C 3 E32 C 11 2 113.6 =eV 22 cf 13.6 peV22113.6 ?eV13.6 2 4 C1c ； eV 13.99c j eV 2 ---------------- hC 1 ■. l1 l 1 12c ： J1 1 1 — 2则角动量为、、2h2出现的概率为: 1h,m1=0,m2=1,m3=-1;又210, 211和311都是归一化的,故M z' CMih2c|m22 c 2 * 2G 0 C2 1 C32 h°3 m3h1 -22 2C2 C34.已知类氢离子He+的某一状态波函数为:321 222re-2r2a。
(完整版)结构化学课后答案第二章
02 原子的结构和性质【2.1】氢原子光谱可见波段相邻4条谱线的波长分别为656.47、486.27、434.17和410.29nm ，试通过数学处理将谱线的波数归纳成为下式表示，并求出常数R 及整数n 1、n 2的数值。
221211(R n n ν=- 解：将各波长换算成波数：1656.47nm λ= 1115233v cm --=2486.27nm λ= 1220565v cm --=3434.17nm λ= 1323032v cm --=4410.29nm λ=1424373v cm --=由于这些谱线相邻，可令1n m =，21,2,n m m =++……。
列出下列4式：()22152331R Rm m =-+()22205652R R m m =-+()22230323R R m m =-+()22243734R R m m =-+(1)÷(2)得：()()()23212152330.7407252056541m m m ++==+用尝试法得m=2（任意两式计算，结果皆同）。
将m=2带入上列4式中任意一式，得：1109678R cm -=因而，氢原子可见光谱（Balmer 线系）各谱线的波数可归纳为下式：221211v R n n -⎛⎫=- ⎪⎝⎭式中，112109678,2,3,4,5,6R cm n n -===。
【2.2】按Bohr 模型计算氢原子处于基态时电子绕核运动的半径（分别用原子的折合质量和电子的质量计算并精确到5位有效数字）和线速度。
解：根据Bohr 提出的氢原子结构模型，当电子稳定地绕核做圆周运动时，其向心力与核和电子间的库仑引力大小相等，即：22204n n n m e r r υπε=n=1，2，3，……式中，,,,,n n m r e υ和0ε分别是电子的质量，绕核运动的半径，半径为n r 时的线速度，电子的电荷和真空电容率。
同时，根据量子化条件，电子轨道运动的角动量为：2n n nh m r υπ=将两式联立，推得：2202n h n r me επ=；202n e h nυε=当原子处于基态即n=1时，电子绕核运动的半径为：2012h r me επ=()()23412211231196.62618108.854191052.9189.1095310 1.6021910J s C J m pmkg C π------⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯A A A 若用原子的折合质量μ代替电子的质量m ，则：201252.91852.91852.9470.99946h m pm r pm pme επμμ==⨯==基态时电子绕核运动的线速度为：2102e h υε=()21934122111.60219102 6.62618108.8541910C J s C J m -----⨯=⨯⨯⨯⨯A A A 612.187710m s-=⨯A 【2.3】对于氢原子：(a)分别计算从第一激发态和第六激发态跃迁到基态所产生的光谱线的波长，说明这些谱线所属的线系及所处的光谱范围。
结构化学02chapter2习题答案
2 4
B． 3P，1S C．1P，1S D．3P，1P
B．5 项
C．2 项
D．4 项
B．4P5/2
C．4D7/2
D．4D1/2
F3/2
6. Cl 原子的电子组态为 [ Ne ] 3s 3p5， 它的能量最低的光谱支项 2 P3/2 7. Ti 原子 (Z = 22) 基态时能量最低的光谱支项 Ti [Ar] 4s23d2
E 13.6Z 2 n 2 13.6 2 2 32 6.042 eV M l l 1 22 1 6
M z m =0, 说明角动量与 z 轴垂直，即夹角为 90°
总节面数=n-1=3-1=2 个 其中球节面数 n-l-1=3-2-1=0 个 角节面数 l=2 个 由 3 cos θ -1=0 得 θ 1=57.74°, θ 2=125.26° 角节面为两个与 z 轴成 57.74°和 125.26°的圆锥 5. 已知 H 原子的
P 4 3 a0 e
0
2 0 0
2 2 1s
r sin θdθdφdr
1 3 a0
2 a0
0
r 2 e 2 r a0 dr dφ sin θdθ
0 0 2 a0
2
2 a0
0
r e
2 2 r a0
2 3 r a0 4 2 r a 0 a0 r 2 a 0 dr 3 e 2 2 4 a0 0 2 a0
2
E 13.6Z 2 n 2 13.6 12 32 1.51eV M 6h 2
该波函数为实函数, 3d xy
ψ320 ψ322 M
江元生《结构化学》答案chapter2
第二章 原子1. 柱坐标),,(z r ϕ与直角坐标的关系是：ϕcos r x =，ϕsin r y =，z z =。
求证在柱坐标中算符22222211z r r r r r ∂∂+∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∇ϕ，并写出氢原子的波动方程。
解：在直角坐标下算符2222222zy x ∂∂+∂∂+∂∂=∇，根据柱坐标与直角坐标的关系有 22y x r +=，()x y arctan =ϕ，z z =。
由此可导出微分关系式，ϕϕcos cos 22==+=∂∂r r y x x xr，ϕϕsin sin 22==+=∂∂rr y x y yr， rr yx y x y x ϕϕsin 12222-=-=+-=∂∂，r r x x y x x ϕϕcos 11222==+=∂∂。
将它们代入直角坐标下的算符，[]22222222222222222222222222222222222222222222222222222221111cos sin cos sin sin cos 1sin cos cos cos sin cos sin sin cos sin sin cos cos sin cos sin sin cos sin cos z r r r r r z r r r r z r r s r r r r z r r r r r r r r r r z r r r r r r r r z y r y r y r y r x r x r x r x r zy y x x z y x ∂∂+∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+=∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ氢原子的波动方程为),,(),,(),,(112222222222z r E z r z r e z r z r r r r r m eϕϕϕϕψ=ψ+-ψ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂- 2. 检验表2.1中的球谐函数Y 10, Y 21, Y 32 是氢原子波动方程的角函数，满足(2-9)(2-10)式。
王顺荣编高教版社结构化学习题答案第2章
第二章原子结构与原子光谱赖才英070601319 何雪萍070601319 陈小娟070601319陈杉杉070601316 肖丽霞070601318 王水金0706013471.n、l、m三个量子数的取值范围、相互关系与物理意义。
取值范围及相互关系：n=1、2、3……共n个l=0、1、2……n-1共n个m=0、±1、±2……±l共2l+1个物理意义：主量子数n决定体系能量的高低、对单电子原子：En=-μe2/8ε2h2*Z2/n2=-13.6Z2/n2(eV)角量子数l决定电子的轨道角动量绝对值|M|=l*(l+1) *h/2π磁量子数m决定电子的轨道角动量在磁量子数方向上的分量Mz：Mz=m*h/2π2．为什么P+1与P-1不是分别对应Px与Py?答：决定复波函数的三个量子数都是确定的，可以用两种方式表示。
实波函数Ψnl| m|的磁量子数仅对应| m|，波函数中既有+| m|的成分又有-| m|的成分。
说明仅在m=0时，复波函数和实波函数是一致的，在m≠0时，是一组复波函数对应于一组实波函数，而不是一一对应的关系。
3.如何由氢原子空间波函数确定轨道的名称,求出En、|M|与Mz等力学量的确定值或平均值。
氢原子空间波函数为：ψ1、0、0=1/π*(Z/a)3/2*e-zr/a=1/π*(1/a)3/2*e-r/a∵n=1、l=0、m=0∴轨道名称应是：1S 此时En=-13.6*Z2/n2（eV）=-13.6ev∵|M|=l*(l+1) *h/2π=0Mz= m*h/2π=04.研究多电子原子结构碰到什么困难？作了那些近似？用了什么模型？答：困难：多电子原子中存在着复杂的电子间瞬时相互作用,其薛定谔方程无法进行变数分离，不能精确求解；多电子原子中存在能级倒臵，一般用屏蔽效应和钻穿效应解释，但是由于这两个效应都是定性的效应，相互又是关联的，所以，定量地解释能级倒臵的原因较为困难；用SCF法似乎解决了问题，但实际上方程仍无法求解，因为解方程需知ψj,而ψi也是未知的.近似:完全忽略电子间的排斥势能即零级近似;体系近似波函数;体系近似总能量;中心势场是近似的球对称势场;在SCF法中,每个电子的运动与其他电子的瞬时坐标无关,即在多电子原子中,每个电子均在各自的原子轨道上,彼此”独立”地运动.模型:中心势场模型是将原子中其他电子对第i个电子的排斥作用看成是球对称的，只与径向有关的力场。
王顺荣编高教版社结构化学习题答案第2章
第二章原子结构与原子光谱赖才英070601319 何雪萍070601319 陈小娟070601319陈杉杉070601316 肖丽霞070601318 王水金0706013471.n、l、m三个量子数的取值范围、相互关系与物理意义。
取值范围及相互关系：n=1、2、3……共n个l=0、1、2……n-1共n个m=0、±1、±2……±l共2l+1个物理意义：主量子数n决定体系能量的高低、对单电子原子：En=-μe2/8ε2h2*Z2/n2=-13.6Z2/n2(eV)角量子数l决定电子的轨道角动量绝对值|M|=l*(l+1) *h/2π磁量子数m决定电子的轨道角动量在磁量子数方向上的分量Mz：Mz=m*h/2π2．为什么P+1与P-1不是分别对应Px与Py?答：决定复波函数的三个量子数都是确定的，可以用两种方式表示。
实波函数Ψnl| m|的磁量子数仅对应| m|，波函数中既有+| m|的成分又有-| m|的成分。
说明仅在m=0时，复波函数和实波函数是一致的，在m≠0时，是一组复波函数对应于一组实波函数，而不是一一对应的关系。
3.如何由氢原子空间波函数确定轨道的名称,求出En、|M|与Mz等力学量的确定值或平均值。
氢原子空间波函数为：ψ1、0、0=1/π*(Z/a)3/2*e-zr/a=1/π*(1/a)3/2*e-r/a∵n=1、l=0、m=0∴轨道名称应是：1S 此时En=-13.6*Z2/n2（eV）=-13.6ev∵|M|=l*(l+1) *h/2π=0Mz= m*h/2π=04.研究多电子原子结构碰到什么困难？作了那些近似？用了什么模型？答：困难：多电子原子中存在着复杂的电子间瞬时相互作用,其薛定谔方程无法进行变数分离，不能精确求解；多电子原子中存在能级倒臵，一般用屏蔽效应和钻穿效应解释，但是由于这两个效应都是定性的效应，相互又是关联的，所以，定量地解释能级倒臵的原因较为困难；用SCF法似乎解决了问题，但实际上方程仍无法求解，因为解方程需知ψj,而ψi也是未知的.近似:完全忽略电子间的排斥势能即零级近似;体系近似波函数;体系近似总能量;中心势场是近似的球对称势场;在SCF法中,每个电子的运动与其他电子的瞬时坐标无关,即在多电子原子中,每个电子均在各自的原子轨道上,彼此”独立”地运动.模型:中心势场模型是将原子中其他电子对第i个电子的排斥作用看成是球对称的，只与径向有关的力场。
结构化学作业解答(第二章)
D1s在r=a0处有极大值，a0称为H原子的最可几半径，也常成为 玻尔半径。核电荷为Z的单电子“原子”，1s态最可几半径 为a0/Z。 两种图形的不同的原因是其物理意义不同，一个是电子在空间 某点出现的概率密度，另一个是在两个球壳内找到电子的概 率。
[2.13] 计算其激发态 计算其激发态(2s)1(2p)1的轨道角动量和磁矩。 的轨道角动量和磁矩。 [解]：应用量子力学基本假设Ⅱ（算符）Ⅲ（本征函数， 应用量子力学基本假设Ⅱ 算符） 应用量子力学基本假设 本征函数， 本征值和本征方程）， ），得 本征值和本征方程），得：
2
[
I 4 = − − 13.595eV × 4 2 = 217.5eV
[
(
]
)]
n2 [2.18] 用式 r * = * a0 计算Na原子和F原子的3s和2p轨道的 Z 有效半径r*。
[解]：
Na原子基态为(1s)2(2s)2(2p)6(3s)1 Z*(3s)=11-1.0×2-0.85 ×8=2.2 Z*(2p)=11-0.85 ×2-0.35 ×7=6.85 代入计算公式得: r*(3s)=(32/2.2) × a0=4.1a0 r*(2p)=(22/6.85) × a0=0.58a0 F原子基态为(1s)2(2s)2(2p)5 Z*(3s)=9-1.0×2-0.85 ×7=1.05 Z*(2p)=9-0.85 ×2-0.35 ×6=5.2 代入计算公式得: r*(3s)=(32/1.05) × a0=8.6a0 r*(2p)=(22/5.2) × a0=0.77a0
所以：
h2 e2 E1 = 2 2 − 8π ma0 4πε 0 a0 = 8 × π × 9.1095 × 10
2
(6.6262 ×10
结构化学课后答案第二章
2r
2
2
e 2r 2r 2 2r 1
1 e 2r
4
r
根据此式列出 P(r)-r 数据表：
r/a0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
P(r)
1.000 0.920 0.677 0.423 0.238
2.5 0.125
3.0 0.062
3.5 0.030
4.0 0.014
根据表中数据作出 P(r)-r 图示于图 2.7 中：
R
2
m2
R 23032 m2
R
2
m3
R 24373 m2
R
2
m4
(1) ÷(2) 得：
15233 20565
2
2m 1 m 2
3
4m 1
0.740725
用尝试法得 m=2（任意两式计算，结果皆同） 。将 m=2 带入上列 4 式中任意一式，得：
R 109678 cm 1
因而，氢原子可见光谱（ Balmer 线系）各谱线的波数可归纳为下式：
1
r
2pz
exp 4 2 a03 a0
r a0 cos ，试回答下列问题：
(a)原子轨道能 E=?
(b)轨道角动量 |M|=? 轨道磁矩 |μ |=?
(c) 轨道角动量 M 和 z 轴的夹角是多少度？
(d)列出计算电子离核平均距离的公式（不算出具体的数值）
' 6
6.626 10 34 J s
1 415 pm
(2 9.1095 10 31 kg) (2.14 10 18 J 7.44 10 19 J) 2
【 2.4 】请通过计算说明，用氢原子从第六激发态跃迁到基态所产生的光子照射长度为
结构化学课后答案第二章
02 原子的结构和性质【】氢原子光谱可见波段相邻4条谱线的波长分别为、、和，试通过数学处理将谱线的波数归纳成为下式表示，并求出常数R 及整数n 1、n 2的数值。
221211()R n n ν=-解：将各波长换算成波数：1656.47nm λ= 1115233v cm --=2486.27nm λ= 1220565v cm --= 3434.17nm λ= 1323032v cm --=4410.29nm λ= 1424373v cm --=由于这些谱线相邻，可令1n m =，21,2,n m m =++……。
列出下列4式：()22152331R Rm m =-+()22205652R Rm m =-+()22230323R R m m =-+()22243734R Rm m =-+(1)÷(2)得：()()()23212152330.7407252056541m m m ++==+用尝试法得m=2（任意两式计算，结果皆同）。
将m=2带入上列4式中任意一式，得：1109678R cm -=因而，氢原子可见光谱（Balmer 线系）各谱线的波数可归纳为下式：221211v R n n -⎛⎫=- ⎪⎝⎭式中，112109678,2,3,4,5,6R cm n n -===。
【】按Bohr 模型计算氢原子处于基态时电子绕核运动的半径（分别用原子的折合质量和电子的质量计算并精确到5位有效数字）和线速度。
解：根据Bohr 提出的氢原子结构模型，当电子稳定地绕核做圆周运动时，其向心力与核和电子间的库仑引力大小相等，即：22204n nn m e r r υπε=n=1，2，3，…… 式中，,,,,n n m r e υ和0ε分别是电子的质量，绕核运动的半径，半径为n r 时的线速度，电子的电荷和真空电容率。
同时，根据量子化条件，电子轨道运动的角动量为：2n n nh m r υπ=将两式联立，推得：2202n h n r me επ=； 202ne h n υε= 当原子处于基态即n=1时，电子绕核运动的半径为：2012h r me επ=()()23412211231196.62618108.854191052.9189.1095310 1.6021910J s C J m pm kg C π------⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯若用原子的折合质量μ代替电子的质量m ，则：201252.91852.91852.9470.99946h m pm r pm pme επμμ==⨯==基态时电子绕核运动的线速度为：2102e h υε=()21934122111.60219102 6.62618108.8541910C J s C J m -----⨯=⨯⨯⨯⨯612.187710m s -=⨯【】对于氢原子：(a)分别计算从第一激发态和第六激发态跃迁到基态所产生的光谱线的波长，说明这些谱线所属的线系及所处的光谱范围。
(完整版)结构化学第二章答案
【1.1】将锂在火焰上燃烧，放出红光，波长λ=670.8nm ，这是Li 原子由电子组态 (1s)2(2p)1→(1s)2(2s)1跃迁时产生的，试计算该红光的频率、波数以及以kJ ·mol -1为单位的能量。
解：811412.99810m s 4.46910s 670.8m cνλ--⨯⋅===⨯ 41711 1.49110cm 670.810cm νλ--===⨯⨯%3414123-1 -16.62610J s 4.46910 6.602310mol 178.4kJ mol A E h N sν--==⨯⋅⨯⨯⨯⨯=⋅【1.3】金属钾的临阈频率为 5.464×10-14s -1，如用它作为光电极的阴极当用波长为300nm 的紫外光照射该电池时，发射光电子的最大速度是多少？解：2012hv hv mv =+()1201812341419312 2.998102 6.62610 5.46410300109.10910h v v m m s J s s m kg υ------⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎡⎤⎛⎫⨯⨯⨯-⨯⎢⎥ ⎪⨯⎝⎭⎢⎥=⎢⎥⨯⎢⎥⎣⎦g g134141231512 6.62610 4.529109.109108.1210J s s kg m s ----⎡⎤⨯⨯⨯⨯=⎢⎥⨯⎣⎦=⨯g g【1.4】计算下列粒子的德布罗意波的波长：（a ） 质量为10-10kg ，运动速度为0.01m ·s -1的尘埃； （b ） 动能为0.1eV 的中子； （c ） 动能为300eV 的自由电子。
解：根据关系式：(1)34221016.62610J s 6.62610m 10kg 0.01m s h mv λ----⨯⋅===⨯⨯⋅34-11 (2) 9.40310mh p λ-====⨯3411(3) 7.0810mh p λ--====⨯【1.5】用透射电子显微镜摄取某化合物的选区电子衍射图，加速电压为200kV ，计算电子加速后运动时的波长。
结构化学第二章习题及答案
一、填空题1。
已知：类氢离子He +的某一状态Ψ=0202/30)22()2(241a re a r a -⋅-⋅π此状态的n,l ,m 值分别为_____________________。
其能量为_____________________,角动量平方为_________________.角动量在Z 轴方向分量为_________.2。
He +的3p z 轨道有_____个径向节面, 有_____个角度节面。
3。
如一原子轨道的磁量子数m=0,主量子数n ≤2，则可能的轨道为__________.二、选择题1. 在外磁场下，多电子原子的能量与下列哪些量子数有关（ B )A 。
n,lB 。
n,l ，m C. n D 。
n ，m2. 用来表示核外某电子运动状况的下列各组量子数（n,l ，m ，ms ）中，哪一组是合理的(A) A 。
（2,1，—1,—1/2） B. （0，0,0，1/2)C. （3，1,2，1/2）D.（2，1，0，0)3。
如果一个原子的主量子数是4，则它（ C ）A 。
只有s 、p 电子B 。
只有s 、p 、d 电子C 。
只有s 、p 、d 和f 电子D 。
有s 、p 电子4. 对氢原子Φ方程求解，下列叙述有错的是（ C ).A 。
可得复函数解Φ=ΦΦim m Ae )(.B. 由Φ方程复函数解进行线性组合,可得到实函数解。
C. 根据Φm （Φ）函数的单值性，可确定｜m ｜=0。
1.2 (I)D 。
根据归一化条件1)(220=ΦΦΦ⎰d m π求得π21=A5。
He +的一个电子处于总节面数为3的d 态问电子的能量应为 （ D )。
A.1B.1/9 C 。
1/4 D 。
1/166. 电子在核附近有非零几率密度的原子轨道是( D ）。
A.Ψ3P B 。
Ψ3d C 。
Ψ2P D.Ψ2S7。
氢原子处于下列各状态 (1)ψ2px （2） ψ3dxz （3） ψ3pz （4） ψ3dz 2 (5）ψ322 ，问哪些状态既是M 2算符的本征函数，又是M z 算符的本征函数？CA 。
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02 原子的结构和性质【】氢原子光谱可见波段相邻4条谱线的波长分别为、、和，试通过数学处理将谱线的波数归纳成为下式表示，并求出常数R 及整数n 1、n 2的数值。
221211()R n n ν=-解：将各波长换算成波数：1656.47nm λ= 1115233v cm --=2486.27nm λ= 1220565v cm --= 3434.17nm λ= 1323032v cm --=4410.29nm λ= 1424373v cm --=由于这些谱线相邻，可令1n m =，21,2,n m m =++……。
列出下列4式：()22152331R R m m =-+()22205652R Rm m =-+()22230323R R m m =-+()22243734R Rm m =-+(1)÷(2)得：()()()23212152330.7407252056541m m m ++==+用尝试法得m=2（任意两式计算，结果皆同）。
将m=2带入上列4式中任意一式，得：1109678R cm -=因而，氢原子可见光谱（Balmer 线系）各谱线的波数可归纳为下式：221211v R n n -⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 式中，112109678,2,3,4,5,6R cm n n -===。
【】按Bohr 模型计算氢原子处于基态时电子绕核运动的半径（分别用原子的折合质量和电子的质量计算并精确到5位有效数字）和线速度。
解：根据Bohr 提出的氢原子结构模型，当电子稳定地绕核做圆周运动时，其向心力与核和电子间的库仑引力大小相等，即：22204n n n m e r r υπε= n=1，2，3，…… 式中，,,,,n n m r e υ和0ε分别是电子的质量，绕核运动的半径，半径为n r 时的线速度，电子的电荷和真空电容率。
同时，根据量子化条件，电子轨道运动的角动量为： 2n n nh m r υπ=将两式联立，推得：2202n h n r me επ=；202ne h n υε= 当原子处于基态即n=1时，电子绕核运动的半径为：2012h r me επ=()()23412211231196.62618108.854191052.9189.1095310 1.6021910J s C J m pm kg C π------⨯⨯⨯==⨯⨯⨯⨯若用原子的折合质量μ代替电子的质量m ，则：201252.91852.91852.9470.99946h m pm r pm pme επμμ==⨯==基态时电子绕核运动的线速度为：2102e h υε=()21934122111.60219102 6.62618108.8541910C J s C J m -----⨯=⨯⨯⨯⨯612.187710m s -=⨯【】对于氢原子：(a)分别计算从第一激发态和第六激发态跃迁到基态所产生的光谱线的波长，说明这些谱线所属的线系及所处的光谱范围。
(b)上述两谱线产生的光子能否使：（i ）处于基态的另一氢原子电离？（ii ）金属铜中的铜原子电离（铜的功函数为197.4410J -⨯）？(c)若上述两谱线所产生的光子能使金属铜晶体的电子电离，请计算出从金属铜晶体表面发射出的光电子的德补罗意波的波长。
解：(a)氢原子的稳态能量由下式给出：18212.1810n E J n -=-⨯⋅式中n 是主量子数。
第一激发态(n ＝2)和基态(n ＝1)之间的能量差为：1818181212211( 2.1810)( 2.1810) 1.641021E E E J J J ---∆=-=-⨯⋅--⨯⋅=⨯原子从第一激发态跃迁到基态所发射出的谱线的波长为：81341181(2.997910)(6.62610)1211.6410ch m s J s nm E J λ---⨯⋅⨯⨯⋅===∆⨯第六激发态(n ＝7)和基态(n ＝1)之间的能量差为：1818186712211( 2.1810)( 2.1810) 2.141071E E E J J J ---∆=-=-⨯⋅--⨯⋅=⨯所以原子从第六激发态跃迁到基态所发射出的谱线的波长为：81346186(2.997910)(6.62610)92.92.1410ch m s J s nmE J λ---⨯⋅⨯⨯⋅===∆⨯这两条谱线皆属Lyman 系，处于紫外光区。
（b ）使处于基态的氢原子电离所得要的最小能量为：ΔE ∞=E ∞-E 1=-E 1=×10-18J而 ΔE 1=×10-18J<ΔE ∞ ΔE 6=×10-18J<ΔE ∞所以，两条谱线产生的光子均不能使处于基态的氢原子电离，但是 ΔE 1>ФCu =×10-19JΔE 6>ФCu =×10-19J所以，两条谱线产生的光子均能使铜晶体电离。
（c ）根据德布罗意关系式和爱因斯坦光子学说，铜晶体发射出的光电子的波长为：2h h p mv m E λ===∆式中ΔE 为照射到晶体上的光子的能量和ФCu 之差。
应用上式，分别计算出两条原子光谱线照射到铜晶体上后铜晶体所发射出的光电子的波长：34'1131181926.62610519(29.109510)(1.64107.4410)J spmkg J J λ----⨯⋅==⎡⎤⨯⨯⨯⨯-⨯⎣⎦34'6131181926.62610415(29.109510)(2.14107.4410)J spmkg J J λ----⨯⋅==⎡⎤⨯⨯⨯⨯-⨯⎣⎦【】请通过计算说明，用氢原子从第六激发态跃迁到基态所产生的光子照射长度为1120pm 的线型分子22CH CHCHCHCHCHCHCH ，该分子能否产生吸收光谱。
若能，计算谱线的最大波长；若不能，请提出将不能变为能的思路。
解：氢原子从第六激发态（n=7）跃迁到基态（n=1）所产生的光子的能量为：22114813.59513.59513.5957149H E eV eV eV ⎛⎫∆=-⨯--⨯=⨯ ⎪⎝⎭6113.32 1.28510eV J mol -≈≈⨯而22CH CHCHCHCHCHCHCH 分子产生吸收光谱所需要的最低能量为：82222254222549888C h h h E E E ml ml ml ∆=-=-=⨯()()234231129 6.6261089.109510112010J s kg m ---⨯⨯=⨯⨯⨯⨯194.28210J -=⨯ 512.57910J mol -=⨯显然8H C E E ∆>∆，但此两种能量不相等，根据量子化规则，22CH CHCHCHCHCHCHCH 不能产生吸收光效应。
若使它产生吸收光谱，可改换光源，例如用连续光谱代替H 原子光谱。
此时可满足量子化条件，该共轭分子可产生吸收光谱，其吸收波长为：()()3481234231126.62610 2.998109 6.6261089.109510112010hc J s m s EJ s kg m λ-----⨯⨯⨯==∆⨯⨯⨯⨯⨯⨯460nm =【】计算氢原子1s ψ在0r a =和02r a =处的比值。
解：氢原子基态波函数为：3/2101r a s ea ψπ-⎛⎫=⎪⎭该函数在r=a 0和r=2a 0处的比值为：3/21020 2.718281aa e a e e e e a ππ----⎛⎫ ⎪⎝⎭==≈⎛⎫⎪⎭而21sψ在在r=a 0和r=2a 0处的比值为：e 2≈【】计算氢原子的1s 电子出现在100r pm =的球形界面内的概率。
1n ax n ax n axx e n x e dx x e dx c a a -⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭⎰⎰解：根据波函数、概率密度和电子的概率分布等概念的物理意义，氢原子的1s 电子出现在r=100pm 的球形界面内的概率为：100221000pm sP d ππτψ=⎰⎰⎰00221001002222330000011sin sin r r pm pma a e r drd d r edr d d a a ππππθθφθθφππ--==⎰⎰⎰⎰⎰⎰010022100223200000044224pmr r pma a a r a r a r edr e a a --⎡⎤⎛⎫==---⎢⎥⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎰100222000221pmr a r r e a a -⎛⎫=--- ⎪⎝⎭0.728≈那么，氢原子的1s 电子出现在r=100pm 的球形界面之外的概率为=。
【】计算氢原子的积分：222100()sin s r P r r drd d ππϕθθφ∞=⎰⎰⎰，作出()P r r -图，求P(r)=时的r 值，说明在该r 值以内电子出现的概率是90%。
解：()222100sin srP r r drd d ππψθθφ∞=⎰⎰⎰22222200001sin sin r r r r r drd d d d e r drππππθθφφθθππ∞∞--⎫==⎪⎭⎰⎰⎰⎰⎰⎰222221442rr r r r r e dr r e re dr ∞∞---⎛⎫==-+ ⎪⎝⎭⎰⎰22221114222r r r rr e re e dr ∞---⎛⎫=--+ ⎪⎝⎭⎰22221114224r r r r r e re e ∞---⎛⎫=--- ⎪⎝⎭()22221r e r r -=++ 根据此式列出P(r)-r 数据表： r/a 0 0P(r)根据表中数据作出P(r)-r 图示于图中：由图可见：02.7r a =时，()0.1P r =02.7r a >时，()0.1P r <02.7r a <时，()0.1P r >即在r=2.7a 0的球面之外，电子出现的概率是10%，而在r=2.7a 0的球面以内，电子出现的概率是90%，即：2.7222100sin 0.90a s r drd d ππψθθφ=⎰⎰⎰0.00.20.40.60.81.0P (r )r/a 0图 P(r)-r 图【】已知氢原子的归一化基态波函数为()[]1/23100exp /s a r a ϕπ-=-(a)利用量子力学基本假设求该基态的能量和角动量； (b)利用维里定理求该基态的平均势能和零点能。
解：（a ）根据量子力学关于“本征函数、本征值和本征方程”的假设，当用Hamilton 算符作用于ψ1s 时，若所得结果等于一常数乘以此ψ1s ,则该常数即氢原子的基态能量E 1s 。
氢原子的Hamiltton 算符为：22220ˆ84h e H m r ππε=-∇- 由于ψ1s 的角度部分是常数，因而ˆH与θ，ф无关：2222201ˆ84h e H r m r r r r ππε∂∂⎛⎫=-- ⎪∂∂⎝⎭ 将ˆH作用于ψ1s ，有： 222112201ˆ84s s h e H r m r r r r ψψππε⎡⎤∂∂⎛⎫=--⎢⎥ ⎪∂∂⎝⎭⎣⎦ 22211220184ss h e r m r r r r ψψππε∂∂⎛⎫=-- ⎪∂∂⎝⎭222211122201284s s s h e r rm r r r r ψψψππε⎛⎫∂∂=-+- ⎪∂∂⎝⎭()57112222222012201284r r a a sh e r a e r a e m r r ππψππε------=--+-()22012200284s h r a e mra r ψππε⎡⎤-=--⎢⎥⎣⎦ 22122200084sh e ma a ψππε⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦ （r=a 0）所以22122200084h e E ma a ππε=-=… =×10-18J 也可用*11ˆs sE H d ψψτ=⎰进行计算，所得结果与上法结果相同。