题目
若在下一离子中运动的π电子可用一维势箱近似地表示其运动特征:估计这一势箱的长度l=1.3nm,根据能级公式En=n2h2/8ml2估算π电子跃迁时所吸收的光的波长,并与实验值510.0nm比较。
若在下一离子中运动的π电子可用一维势箱近似地表示其运动特征:估计这一势箱的长度l=1.3nm,根据能级公式En=n2h2/8ml2估算π电子跃迁时所吸收的光的波长,并与实验值510.0nm比较。
题目解答
答案
该离子共有10个π电子,当离子处于基态时,这些电子填充在能级最低的前5个π型分子轨道上。离子受到光的照射,π电子将从低能级跃迁到高能级,跃迁所需要的最低能量即第5和第6两个分子轨道的能级差。此能级差对应于吸收光谱的最大波长。应用一维势箱粒子的能级表达式即可求出该波长:△E=hc/λ=11h2/8ml2λ=8mcl2/11h=506.6nm实验值为510.0nm,计算值与实验值的相对误差为-0.67%。
解析
步骤 1:确定π电子的能级
在该离子中,共有10个π电子。当离子处于基态时,这些电子填充在能级最低的前5个π型分子轨道上。因此,跃迁所需的最低能量对应于第5和第6两个分子轨道的能级差。
步骤 2:计算能级差
根据一维势箱粒子的能级表达式,能级差为:
\[ \Delta E = E_6 - E_5 = \frac{6^2h^2}{8ml^2} - \frac{5^2h^2}{8ml^2} = \frac{11h^2}{8ml^2} \]
步骤 3:计算吸收光的波长
根据能量与波长的关系,有:
\[ \Delta E = \frac{hc}{\lambda} \]
将能级差代入,得到:
\[ \lambda = \frac{8mcl^2}{11h} \]
其中,\( m \) 是电子质量,\( h \) 是普朗克常数,\( c \) 是光速,\( l \) 是势箱长度。
步骤 4:代入数值计算
代入 \( m = 9.109 \times 10^{-31} \, \text{kg} \),\( h = 6.626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s} \),\( c = 3.00 \times 10^8 \, \text{m/s} \),\( l = 1.3 \times 10^{-9} \, \text{m} \),计算得到:
\[ \lambda = \frac{8 \times 9.109 \times 10^{-31} \times 3.00 \times 10^8 \times (1.3 \times 10^{-9})^2}{11 \times 6.626 \times 10^{-34}} \]
\[ \lambda = 506.6 \, \text{nm} \]
步骤 5:比较计算值与实验值
计算值为506.6nm,实验值为510.0nm,计算值与实验值的相对误差为:
\[ \frac{510.0 - 506.6}{510.0} \times 100\% = -0.67\% \]
在该离子中,共有10个π电子。当离子处于基态时,这些电子填充在能级最低的前5个π型分子轨道上。因此,跃迁所需的最低能量对应于第5和第6两个分子轨道的能级差。
步骤 2:计算能级差
根据一维势箱粒子的能级表达式,能级差为:
\[ \Delta E = E_6 - E_5 = \frac{6^2h^2}{8ml^2} - \frac{5^2h^2}{8ml^2} = \frac{11h^2}{8ml^2} \]
步骤 3:计算吸收光的波长
根据能量与波长的关系,有:
\[ \Delta E = \frac{hc}{\lambda} \]
将能级差代入,得到:
\[ \lambda = \frac{8mcl^2}{11h} \]
其中,\( m \) 是电子质量,\( h \) 是普朗克常数,\( c \) 是光速,\( l \) 是势箱长度。
步骤 4:代入数值计算
代入 \( m = 9.109 \times 10^{-31} \, \text{kg} \),\( h = 6.626 \times 10^{-34} \, \text{J} \cdot \text{s} \),\( c = 3.00 \times 10^8 \, \text{m/s} \),\( l = 1.3 \times 10^{-9} \, \text{m} \),计算得到:
\[ \lambda = \frac{8 \times 9.109 \times 10^{-31} \times 3.00 \times 10^8 \times (1.3 \times 10^{-9})^2}{11 \times 6.626 \times 10^{-34}} \]
\[ \lambda = 506.6 \, \text{nm} \]
步骤 5:比较计算值与实验值
计算值为506.6nm,实验值为510.0nm,计算值与实验值的相对误差为:
\[ \frac{510.0 - 506.6}{510.0} \times 100\% = -0.67\% \]