题目
对于氢原子体系,其径向几率分布函数为 W_(32)(r)dr = R_(32)^2 r^2 dr,则其几率分布最大处对应于 Bohr 原子模型中的圆轨道半径是A. a_0B. 4a_0C. 9a_0D. 16a_0
对于氢原子体系,其径向几率分布函数为 $W_{32}(r)dr = R_{32}^2 r^2 dr$,则其几率分布最大处对应于 Bohr 原子模型中的圆轨道半径是
A. $a_0$
B. $4a_0$
C. $9a_0$
D. $16a_0$
题目解答
答案
C. $9a_0$
解析
本题考查氢原子体系的径向几率分布函数以及Bohr原子模型中圆轨道半径的知识。解题的关键思路是先根据给定的径向几率分布函数,通过求导找到几率分布最大处对应的径向距离$r$,再将其与Bohr原子模型中的圆轨道半径公式进行对比。
步骤一:明确相关公式
- 氢原子的径向波函数$R_{nl}(r)$的一般形式为$R_{nl}(r)=N_{nl}e^{-\frac{\rho}{2}}\rho^lL_{n - l - 1}^{2l + 1}(\rho)$,其中$\rho=\frac{2r}{na_0}$,$a_0$是Bohr半径,$N_{nl}$是归一化常数,$L_{n - l - 1}^{2l + 1}(\rho)$是缔合拉盖尔多项式。
- 对于$n = 3$,$l = 2$的情况,$\rho=\frac{2r}{3a_0}$,$L_{3 - 2 - 1}^{2\times2 + 1}(\rho)=L_{0}^{5}(\rho)=1$,$R_{32}(r)$的表达式为$R_{32}(r)=N_{32}e^{-\frac{\rho}{2}}\rho^2$,其中$N_{32}$是归一化常数。
- 径向几率分布函数$W_{32}(r)=R_{32}^2r^2$。
步骤二:求$W_{32}(r)$的最大值
为了找到$W_{32}(r)$的最大值,对$W_{32}(r)$关于$r$求导,并令导数为$0$。
将$\rho=\frac{2r}{3a_0}$代入$R_{32}(r)$,可得$R_{32}(r)=N_{32}e^{-\frac{r}{3a_0}}(\frac{2r}{3a_0})^2$,则$W_{32}(r)=R_{32}^2r^2 = N_{32}^2e^{-\frac{2r}{3a_0}}(\frac{2r}{3a_0})^4r^2$。
令$y = W_{32}(r)$,对$y$求导:
根据复合函数求导法则$(uv)^\prime = u^\prime v+uv^\prime$,设$u = e^{-\frac{2r}{3a_0}}$,$v = (\frac{2r}{3a_0})^4r^2$。
- 先求$u^\prime$:
$u^\prime=\frac{d}{dr}(e^{-\frac{2r}{3a_0}})=-\frac{2}{3a_0}e^{-\frac{2r}{3a_0}}$。 - 再求$v^\prime$:
$v = (\frac{2r}{3a_0})^4r^2=\frac{16r^6}{81a_0^4}$,$v^\prime=\frac{d}{dr}(\frac{16r^6}{81a_0^4})=\frac{96r^5}{81a_0^4}$。
则$y^\prime = u^\prime v+uv^\prime=-\frac{2}{3a_0}e^{-\frac{2r}{3a_0}}\times\frac{16r^6}{81a_0^4}+e^{-\frac{2r}{3a_0}}\times\frac{96r^5}{81a_0^4}$。
令$y^\prime = 0$,即$-\frac{2}{3a_0}e^{-\frac{2r}{3a_0}}\times\frac{16r^6}{81a_0^4}+e^{-\frac{2r}{3a_0}}\times\frac{96r^5}{81a_0^4}=0$。
因为$e^{-\frac{2r}{3a_0}}\neq0$,两边同时除以$e^{-\frac{2r}{3a_0}}$,得到$-\frac{2}{3a_0}\times\frac{16r^6}{81a_0^4}+\frac{96r^5}{81a_0^4}=0$。
两边同时乘以$81a_0^4$,得到$-\frac{32r^6}{3a_0}+96r^5 = 0$。
提取公因式$r^5$,得到$r^5(-\frac{32r}{3a_0}+96)=0$。
解得$r = 0$或$-\frac{32r}{3a_0}+96 = 0$。
由$-\frac{32r}{3a_0}+96 = 0$,移项可得$\frac{32r}{3a_0}=96$,解得$r = 9a_0$。
步骤三:与Bohr原子模型对比
Bohr原子模型中圆轨道半径公式为$r_n = n^2a_0$,当$n = 3$时,$r_3 = 3^2a_0 = 9a_0$。