发布时间 : 星期三 文章《结构化学》课后答案更新完毕开始阅读47d811805ef7ba0d4a733bbf
根据此式列出P(r)-r数据表： r/a0 0 0.5 1.0 P(r) 1.000 0.920 0.677
1.5
0.423 2.0 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： 由图可见：r?2.7a0时，P?r??0.1 r?2.7a0时，P?r??0.1 r?2.7a0时，P?r??0.1
即在r=2.7a0的球面之外，电子出现的概率是10%，而在r=2.7a0的球面以内，电子出现的概率是90%，即：
2??2.7a0???000?12sr2sin?drd?d??0.90
1.00.8 P(r)0.60.40.20.0012345 r/a0图2.7 P(r)-r图
【2.8】已知氢原子的归一化基态波函数为
?1s???a3?1/20?exp??r/a0?
(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E1s。氢原子的Hamiltton算符为：
22he2???H??28?m4??0r
?与θ，ф无关： 由于ψ1s的角度部分是常数，因而H22h1??e??2???H?r??228?mr?r??r?4??0r
?作用于ψ1s，有： 将H?h21??2??e2??H?1s???2??1s?r??28?mr?r?r4??r??0??
h21??2??e2??2?1s?r??1s?8?mr2?r??r?4??0r
2?h21??e22???2?1s???1s?2r?1s?r8?mr2??r?r24??r?0
rr?a?ah21e2?1?5?72?12222??2?2r?a0e?r?ae??1s8?mr24??0r
00?0??h2?r?2a0?e2???????1s228?mra4??r00?? 22?he???22??2?1s?8?ma04??0a0? （r=a0）
所以
h2e2E1?22?28?ma4??a000
=…
-18
=-2.18×10J 也可用
??d?E???1*sH1s进行计算，所得结果与上法结果相同。
2注意：此式中d??4?rdr。
将角动量平方算符作用于氢原子的ψ1s，有：
?2????h??1??sin??M1s???????2???sin???? =0ψ1s
所以
2
M=0 |M|=0
21?1?2??a03?2?ae??0??2?2?sin????
r?不含r项，而ψ1s不含θ和ф，角动量平方当然为0，角动此结果是显而易见的：M2量也就为0。
通常，在计算原子轨道能等物理量时，不必一定按上述作法、只需将量子数等参数代人简单计算公式，如：
En??2.18?10M?l?l?1?即可。
?18Z*?2Jn
h2?
?1（b）对氢原子，V?r，故：
T??1V2
E1s?T?V??11V?V?V22
V?2E1s?2?(?13.6eV)??27.2eV
T??此即氢原子的零点能。
11V?(?)?(?27.2eV)?13.6eV22
?r??r?exp?????342?a0?a0??a0?cos?，试回答下列问题：
1?2p?z【2.9】已知氢原子的(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）。 (e)节面的个数、位置和形状怎么样？ (f)概率密度极大值的位置在何处？ (g)画出径向分布示意图。 解：（a）原子的轨道能：
E??2.18?10?18J?（b）轨道角动量：
1??5.45?10?19J22 hh?22?2?
M?l(l?1)轨道磁矩：
（c）轨道角动量和z轴的夹角：
??l?l?1??ehM2??0cos??z?hM2?2?， ??90
0?（d）电子离核的平均距离的表达式为：
*?r???2pzr?2pzd?
???0（e）令
?2p?0z??0?2?0?22pr?r2sin?drd?d?z，得：
0
r=0，r=∞，θ=90
?2p的节面只有一个，即xy平面（当然，坐标原点
0
也包含在xy平面内）。亦可直接令函数的角度部分Y?3/4?cos??0，求得θ=90。
节面或节点通常不包括r=0和r=∞，故
z（f）几率密度为：
2???2pz
?r??ar2?ecos???332?a0?a0?
102????sin??0000
??由式可见，若r相同，则当θ=0或θ=180时ρ最大（亦可令，θ=0或θ
0
=180），以?0表示，即：
?r??ar?0??(r,??0,180)??e3?32?a0?a0?
将?0对r微分并使之为0，有：
1022r?????d?0d1ra0???e?3?drdr?32?a0?a0????
r?1r?a0??re2????0532?a0a0?? 又因：
解之得：r=2a0（r=0和r=∞舍去）
d2?0|?02r?2a0 dr
2?2所以，当θ=0或θ=180，r=2a0时，p有极大值。此极大值为：
0
0
z1?2a0??2aae?2?m??e?3?332?a0?a0?8?a0
?3 ?36.4nm
002D2pz（g）
根据此式列出D-r数据表： r/a0
?1a0D/
5?r?r2????111a04?r2R2?r2?re2a0??re??5?26?a0??24a0????
20 0 7.0 0.091
1.0 0.015 8.0 0.057
2.0 0.090 9.0 0.034
3.0 0.169 10.0 0.019
4.0 0.195 11.0 1.02×10
-2
5.0 0.175 12.0 5.3×10
-3
6.0 0.134
r/a0
?1a0D/
按表中数据作出D-r图如下：
0.20D(r)/a0-10.150.100.050.000246810012r/a