110 年 國立臺灣聯合大學系統(清華、政治、陽明交通、中央四校聯招)研究所化學類《物理化學》
第 1 題3 分
According to Marcus theory, which of the following factors does NOT influence the electron transfer rate constant?
(A) Reorganization energy.
(B) Gibbs energy difference between the product and reactant.
(C) Angular momentum of electron.
(D) Distance between electron donor and acceptor.
(E) Type of spacer between electron donor and acceptor.
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核心觀念
Marcus 理論描述電子由供體轉移至受體的速率。非絕熱電子轉移的速率常數可寫為
其中, 是重組能, 是反應的 Gibbs 能變化, 是供體與受體間的電子耦合, 是溫度。供體與受體的距離,以及兩者之間的間隔物種類,會影響電子耦合強度。
解題方法
判斷各選項是否出現在速率式中,或是否會改變式中的參數。重組能與 Gibbs 能變化直接出現在指數項及前因子;距離與間隔物會改變 ,而速率正比於 。電子的角動量則不是 Marcus 理論速率式中的控制因子。
選項分析
- (A) Reorganization energy:會影響。
重組能 描述電子轉移前後,溶劑與分子結構重新排列所需的能量;它出現在速率式的前因子與指數項中。
第 2 題3 分
The energy levels of the linear harmonic oscillator are
(A) all nondegenerate
(B) -fold degenerate
(C) -fold degenerate
(D) -fold degenerate
(E) -fold degenerate
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核心觀念
線性諧振子是沿單一方向振動的量子系統,其能階為
其中 是角頻率, 是振動量子數。簡併度指具有相同能量的線性獨立量子態數目。
解題方法
線性諧振子的每個量子數 ,對應一個能量本徵態 。由於只有一個振動自由度,給定 後,能量 唯一,沒有其他不同量子態與它共享相同能量。因此每個能階的簡併度都是 ,也就是所有能階皆不簡併。
選項分析
- (A) all nondegenerate:正確。 每個能量本徵值只對應一個量子態,簡併度為 。
- **(B) -fold degenerate:錯誤。
第 3 題3 分
The illustrated wave function represents the state of the linear harmonic oscillator
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
with
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
一維量子簡諧振子的第 個定態波函數可寫為
其中 是第 階厄米多項式。波函數在有限位置的節點數等於量子數 ;此處基態量子數從 起算。
解題方法
圖中曲線穿越零值基線共 次,形成 個波瓣。判定量子數時,應計算波函數穿越基線的節點數,而不是波瓣數。因此 。
選項分析
第 4 題3 分
There is one state at and there are two states at . According to the Boltzmann distribution, the population of the second state is . What is the temperature ()?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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-
核心觀念
能階的玻茲曼布居率取決於能量與簡併度。若第 個能階的能量為 、簡併度為 ,其總布居率為
題目中基態有 個狀態,激發能階有 個狀態,因此簡併度分別為 、。
-
解題方法
以基態為能量零點,兩能階的能量差為 。激發能階的總布居率為 ,基態布居率因此為 。兩能階布居率之比為
代入簡併度 :
取自然對數並整理:
波數換算成 時,使用 :
第 5 題3 分
The rate constant of a chemical reaction is NOT determined by
(A) steric requirement
(B) encounter rate
(C) minimum energy requirement
(D) temperature
(E) standard reaction free energy
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核心觀念
本題考查反應速率常數 的影響因素,以及「活化能」與「標準反應自由能」的差別。
以氣相雙分子反應的碰撞理論表示,速率常數可概略寫成
其中 是分子間的遭遇頻率, 是立體因子, 是活化能, 是氣體常數, 是絕對溫度。這表示反應物必須以足夠頻率遭遇、具備適當的相對取向,且能量達到最低反應門檻,才會有效反應;溫度也會影響能量足以跨越活化能的分子比例。
標準反應自由能變化 描述反應物與生成物在標準狀態下的熱力學差異,並決定平衡常數:
它不直接決定單一方向的速率常數。速率常數與活化自由能 有關,而非直接由整體反應自由能變化決定。
解題方法
逐一檢視選項是否屬於碰撞理論中的動力學因素,或是控制反應快慢的能障因素。若某量只描述平衡位置,而不直接描述反應跨越能障的速率,就不是單一方向速率常數的直接決定因素。
選項分析
第 6 題3 分
Spherical polar coordinates are used in the solution of the hydrogen atom Schrödinger equation because
(A) the Laplacian operator has its simplest form in spherical polar coordinates.
(B) Cartesian coordinates would give particle-in-a-box wave functions.
(C) the Schrödinger equation is then separable into 3 ordinary differential equations.
(D) otherwise the atomic orbitals would violate the Pauli Exclusion Principle.
(E) Schrödinger first used this coordinate system; any other coordinate system would be equally convenient.
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核心觀念
氫原子的定態薛丁格方程式為
其中 是電子與質子系統的約化質量。庫侖位能只與電子到原子核的距離 有關,具有球對稱性。因此,使用球座標 能配合位能的對稱性,使波函數可分離為徑向部分與角向部分。
解題方法
在球座標中,拉普拉斯算符為
令波函數採用分離變數形式
第 7 題3 分
Consider the thermal decomposition of of to acetone and ethane (), which occurs with a rate constant of .
After initiation of the reaction, at what time would you expect the pressure to be ?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) Cannot be determined.
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核心觀念
本題結合一級反應動力學與氣體化學計量。反應為
每分解 莫耳反應物,會生成 莫耳氣體,因此總氣體莫耳數增加。假設反應在定溫、定容下進行,氣體可視為理想氣體,則由 可知壓力與總莫耳數成正比。
反應物遵守一級反應積分速率式:
其中 。
解題方法
令 為反應物的分解比例,初始反應物為 莫耳。反應進行後:
- 未反應的反應物:
- 生成物:
因此總莫耳數為
定溫、定容時,總壓力與總莫耳數成正比。初始壓力為 ,所以
令 、:
第 8 題3 分
Molecules are known to absorb radiation in which region of the electromagnetic spectrum:
(A) Ultraviolet
(B) visible
(C) infrared
(D) microwave
(E) all of the above
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核心觀念
分子吸收電磁輻射時,若光子的能量 恰好符合分子能階間距,就能引發能階躍遷。不同波段通常對應不同類型的躍遷:
- 微波:分子轉動躍遷。
- 紅外線:分子振動躍遷。
- 可見光與紫外線:分子電子躍遷。
解題方法
依原卷第 8 題,題目問分子會吸收電磁波譜中的哪個區域;選項包含紫外光、可見光、紅外線、微波,以及「以上皆是」。判斷重點是分子具有多種能階躍遷,因此不同分子或同一分子的不同躍遷可吸收不同波段。
微波可引發轉動躍遷;紅外線可引發振動躍遷;可見光與紫外線則可引發電子躍遷。因此四個波段都可能出現分子吸收。
選項分析
第 9 題3 分
The van der Waals equation is expressed as
Which of the following statements is true?
(A) Compression factor when .
(B) Compression factor when .
(C) Compression factor when .
(D) Compression factor when .
(E) All of the above is incorrect.
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第 10 題3 分
Which of the following is “NOT” a correct aspect of the Born–Oppenheimer approximation?
(A) The electrons in a molecule move much faster than the nuclei.
(B) Excited electronic states have the same equilibrium internuclear distance as the ground electronic state.
(C) The electronic and vibrational motions of a molecule are approximately separable.
(D) Electronic energy curves serve as potential energy functions for nuclear vibrational motions.
(E) The typical amplitude of nuclear vibration is much smaller than that characterizing the motion of electrons.
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核心觀念
Born–Oppenheimer(玻恩–奧本海默)近似利用原子核遠重於電子的事實:電子運動快,原子核運動慢。因此,在描述電子時,可先把原子核視為固定;再將電子能量視為原子核運動的位能。
固定核間距 時,電子薛丁格方程可寫成
其中 隨核間距改變,形成電子能量曲線。原子核在這條曲線上振動,其核振動波函數近似滿足
為核的約化質量。這種處理使電子運動與核振動近似分離。
解題方法
判斷各選項是否符合上述近似。電子較快、核振動可在電子能量曲線上描述,以及電子與振動運動近似可分離,都是玻恩–奧本海默近似的典型內容。關鍵在於:不同電子態各有自己的能量曲線,其平衡核間距不必相同。
選項分析
第 11 題3 分
The benzene molecule has how many vibrational modes?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
分子由 個原子組成時,共有 個笛卡兒座標自由度。對非線性分子,其中 個自由度對應整體平移,另 個對應整體轉動,因此振動模式數為
苯分子 含有 個原子,且分子具有非線性幾何構形。
解題方法
代入非線性分子的振動模式公式:
因此,苯分子共有 個振動模式。
選項分析
第 12 題3 分
For the reaction , the reaction rate is first order to and first order to . Integrate the rate law.
and are the initial concentrations for and , respectively, and is not equal to . time.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) All of the above is incorrect.
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核心觀念
反應 對 與 各為一級,因此速率定律為
兩種反應物以 消耗,所以 保持不變。題目給定 ,可使用不等初始濃度的二級反應積分式。
解題方法
依原卷圖,第 12 題給的是 ,反應對 和 各為一級,且 ;選項中的對數均為濃度比值。
令反應進行程度為 ,則
速率式可寫成
分離變數並從 積分至當下的 :
利用部分分式分解:
第 13 題3 分
The normal boiling temperature of ethanol is and its molar enthalpy change of vaporization at this temperature is .
Find when of ethanol are vaporized at at a constant pressure of . Neglect the volume of the liquid compared with that of the vapor and assume the ethanol vapor as an ideal gas.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查汽化時焓變與內能變的關係。由焓的定義
可得
乙醇汽化前後的體積差主要來自蒸氣,因液體體積可忽略,且蒸氣視為理想氣體,因此
其中 是汽化的莫耳數, 必須使用絕對溫度。
解題方法
先計算 乙醇的總焓變:
將沸點換算為絕對溫度:
汽化造成的 變化為:
代入焓與內能的關係:
選項分析
第 14 題3 分
The ionization energy for hydrogen atom is . The ionization energy for the ground state of is approximately
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
是只含一個電子的類氫離子,核電荷數 。氫原子與類氫離子的電子能階遵守波耳模型公式:
其中 是主量子數。基態對應 ,游離能則是將電子從基態移至無限遠所需的能量,即基態能量的絕對值。
解題方法
對 ,代入 、:
游離後電子位於無限遠,能量取為 。因此游離能為:
選項分析
- (A) :錯誤。 這是氫原子的游離能,未考慮 的核電荷數 。
第 15 題3 分
Which of the following is NOT a correct consequence of the Heisenberg Uncertainty principle:
(A) The shorter the lifetime of an excited state of an atom, the less accurately can its energy be measured.
(B) An electron in an atom cannot be described by a well-defined orbit.
(C) The momentum of an electron cannot be measured exactly.
(D) Measurement of one variable in an atomic system can affect subsequent measurements of other variables.
(E) A harmonic oscillator possesses a zero-point energy.
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核心觀念
海森堡不確定性原理描述的是:對某些不能同時精確確定的物理量,其測量分布的標準差乘積有下限。例如位置與動量滿足
能量與時間尺度也有相應的不確定關係。它限制的是物理量的不確定度,不代表每一個物理量都不能單獨精確測量。
解題方法
逐項判斷敘述是否能由不確定性原理支持。若某一物理量處於其算符的本徵態,該物理量可以有確定值;不確定性原理要求的是與它不相容的另一個物理量出現不確定度。
選項分析
(A) 正確。 激發態壽命越短,能量分布越寬,能量的不確定度越大。兩者的量級關係可寫為
因此壽命較短的激發態,其能量較難精確確定。
(B) 正確。 若電子有明確的經典軌道,就必須在每個時刻同時精確知道它的位置與動量;這與 不相容。因此原子中的電子不能以具有確定位置和動量的經典軌道描述。
第 16 題3 分
The Joule coefficient, , is defined as
is the thermal expansion coefficient. is the isothermal compressibility. Which of the following equations is correct?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
焦耳係數定義為
表示內能 固定時,體積改變對溫度的影響。
本題使用兩個熱力學關係:
以及
熱膨脹係數與等溫壓縮率的定義為
解題方法
先將熵的全微分代入 :
整理得
在定內能條件 下,
因此
接著以 與 表示定容壓力對溫度的變化。由體積的全微分,
第 17 題3 分
The orbital degeneracy (excluding spin) of hydrogen atom energy levels equals
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
氫原子的能量只與主量子數 有關;固定 時,不同的角量子數 與磁量子數 所代表的軌域具有相同能量。軌域簡併度是這些不同軌域態的總數,題目明確排除自旋簡併。
量子數的允許範圍為
固定 時,磁量子數共有 個,因此固定 的軌域簡併度為
解題方法
對每個允許的 ,計算其 態數,再將所有 的態數相加:
前 個奇數的和為 ,所以主量子數為 的氫原子能階有 個軌域態。由於不計自旋,不再乘上自旋態數 。
選項分析
第 18 題3 分
The change in enthalpy is given by . In combination with the Clapeyron equation, find out and the two phases remain in equilibrium.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) All of the above is incorrect.
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核心觀念
本題考查兩相平衡時,如何把焓差 沿著相平衡線的變化,與 Clapeyron 方程結合。兩相的焓差、熱容差與體積差分別記為 、、。
相平衡時有:
又因為兩相的化學勢相等,故 ,因此:
解題方法
圖中第 18 題給出的焓微分式為 ,並要求在兩相保持平衡時求 。對兩相相減,得到:
沿著相平衡線,Clapeyron 方程給出:
所以:
對 微分:
第 19 題3 分
Which of the following statements about the hydrogen atom ground state is INCORRECT:
(A) It is described by the quantum numbers ; ; .
(B) The electron's angular momentum equals Planck constant, .
(C) The wave function is spherically symmetrical.
(D) The wave function decreases exponentially as a function of .
(E) The radial distribution function has its maximum at the Bohr radius.
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核心觀念
氫原子基態的波函數與機率分布,主要由量子數及角動量公式判斷:
- 主量子數 ,角量子數 ,磁量子數 。
- 軌道角動量大小為
- 氫原子基態的波函數為
其中 是波耳半徑。此波函數只與電子到原子核的距離 有關,因此具有球對稱性。 - 徑向分布函數描述電子出現在半徑 到 球殼中的機率,其機率密度為
解題方法
逐項對照氫原子基態的量子數、軌道角動量、波函數形狀,以及徑向分布函數。特別要區分波函數本身與徑向分布函數:波函數隨 指數衰減;徑向分布函數還要乘上球殼體積因子 ,因此在 為零,並在某個非零半徑達到最大值。
基態的角量子數是 ,代入角動量公式:
因此,基態電子的軌道角動量為零,並不等於普朗克常數 。
徑向分布函數的最大值可由微分求得:
第 20 題3 分
At the solid-liquid-vapor triple point of a pure substance, what is the slope, , of phase transition?
(A) solid-vapor line liquid-vapor line
(B) solid-vapor line liquid-vapor line
(C) solid-vapor line liquid-vapor line
(D) solid-vapor line liquid-vapor line
(E) all of the above is incorrect
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核心觀念
相平衡線的斜率由 Clapeyron 方程決定:
在三相點比較固-氣線與液-氣線時,兩條線都涉及氣相;通常氣相莫耳體積遠大於固、液相莫耳體積,因此兩種轉變的體積變化都近似為氣相莫耳體積。
解題方法
原卷第 20 題問的是純物質固-液-氣三相點處,固-氣相界線與液-氣相界線的 大小;選項列出兩者大於、相等、小於,或兩者皆為零等敘述。題面沒有附相圖,判斷可直接使用 Clapeyron 方程。
在同一溫度下,昇華焓可拆成熔融焓與汽化焓之和:
又因固、液相的莫耳體積相較於氣相很小,
所以兩條相界線的斜率近似為
第 21 題5 分
Based on statistical thermodynamics, which of the following statements about heat capacity is true?
(A) The for is the same as that for , even though the atomic weight of is twice that of .
(B) The heat capacity for monoatomic atom is considerably larger than that for even though they have about the same atomic weight.
(C) The heat capacity of liquid water is much larger than that of water vapor.
(D) has a larger value than that of .
(E) The values for , , and are in the order of .
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核心觀念
氣體的定壓莫耳熱容量滿足
單原子理想氣體只有三個平移自由度,因此
同為單原子理想氣體時,莫耳熱容量不因原子量不同而改變。雙原子氣體在室溫下通常有三個平移自由度、兩個轉動自由度;振動自由度是否充分貢獻,則取決於溫度與振動特徵溫度。
雙原子氣體的振動莫耳熱容量為
其中 是振動特徵溫度。振動特徵溫度越低,在相同溫度下振動越容易被激發,對熱容量的貢獻越大。
解題方法
逐項檢查熱容量的比較基準。題目未指定溫度,也未明說採用實際莫耳熱容量或忽略振動的理想化模型;以下以室溫附近的實際氣體莫耳熱容量判斷。依此條件,(A)、(C)、(D)、(E) 都成立,因此題目若設定為單選,便沒有唯一答案。
選項分析
(A) 正確。 Ar 與 Ne 都是單原子理想氣體,故兩者的定壓莫耳熱容量同為
原子量影響單位質量的熱容量,不影響單原子理想氣體的定壓莫耳熱容量。
第 22 題5 分
The velocity probability of Maxwell–Boltzmann distribution in one direction is expressed as:
Which of the following statements about Maxwell–Boltzmann distribution at a finite is true?
(A) The most-probable velocity for a one-dimensional gas velocity distribution is zero.
(B) The Maxwell–Boltzmann speed (three dimensions) distribution approaches zero at high speeds.
(C) The Maxwell–Boltzmann speed (three dimensions) distribution approaches zero at low speed.
(D) The total energy of one mole perfect gas according to the Maxwell–Boltzmann distribution is .
(E) Most-probable speed Mean speed Root mean square speed.
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核心觀念
本題比較一維速度分布與三維速率分布,並考查 Maxwell–Boltzmann 分布的最概然值、平均值、均方根值,以及理想氣體的平移動能。
一維速度分布為
三維速率分布則為
其中, 是單一分子的質量, 是 Boltzmann 常數, 是絕對溫度。須注意,一維速度分布的自變數可以正也可以負;速率 則必定非負,且三維速率分布含有 因子。
解題方法
先分別檢查一維速度分布和三維速率分布的極值與極限,再比較三種代表性速率。最後以能量均分定理計算每莫耳氣體的平移動能。
一維分布的指數項在 最小時最大,因此在 取得最大值。三維速率分布在 時因 因子而為零;在高速時,指數衰減快於 的增長,分布也趨近於零。
選項分析
(A) 正確。
一維分布對 微分:
令導數為零,得到 。由於分布在該點達到最大值,一維速度分布的最概然速度為零。
(B) 正確。
三維速率分布含有指數因子 。當 時,此因子快速趨近於零,因此
第 23 題5 分
Consider the collision-induced dissociation of via the following mechanism:
The symbol in the first reaction indicates the reactant is activated through collision.
Experimentally, it is observed that the reaction can be either first or second order under different conditions. The rate law is expressed as
Which of the following statements is true?
(A) .
(B) .
(C) .
(D) When , the reaction will be first order in .
(E) When , the reaction will be half order in .
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核心觀念
這題考查連續反應中活化中間體的穩態近似,以及由速率式判讀反應級數。令 的濃度為 ,活化中間體 的濃度為 。產物生成速率為
解題方法
對中間體 使用穩態近似,也就是其生成速率與消耗速率相等:
整理得
代入產物生成速率:
與題目給定的形式
比較可得
第 1 題5 分
Assume the molar Gibbs free energy of a gas is given by the equation:
where is the standard pressure and and are gas-dependent constants.
Derive an equation of state for this gas. Show the final result in the form of .
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核心觀念
純物質的莫耳 Gibbs 自由能對壓力的偏導數,等於定溫下的莫耳體積:
因此,可直接對題目給定的 關係式在定溫下對 微分,得到莫耳體積,再乘上壓力求狀態方程。
解題方法
先將題目關係式整理為 :
在定溫下對壓力微分。由於 是標準壓力,對 而言為常數:
第 2 題10 分
The bonding in Hydrogen Iodide () can be described by a two-orbital interaction between the orbital on Hydrogen and the orbital on Iodine.
The Hamiltonian matrix elements (Coulomb integrals, exchange integral and overlap integral) are:
Assume that the molecular wave function is:
(a) (4 pts) Set up the Secular Determinant and solve for the energy of the Bonding and Anti-Bonding Orbitals.
(b) (4 pts) Use your answer in part (a) to calculate the coefficients, and , in the Normalized anti-bonding orbital. If you are not sure of the energy, then use to work out this part.
(c) (2 pts) Assume for this part that the bonding orbital is:
What fraction of the charge of an electron in the bonding orbital is on the Iodine atom?
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核心觀念
這題考兩個原子軌域形成分子軌域時的久期方程。將波函數寫成
代入薛丁格方程並投影到兩個基底軌域,得到矩陣方程
要有非零係數解,矩陣行列式必須為零。題目給定 ,因此兩基底軌域正交,久期矩陣的非對角元素就是 ;軌域的正規化條件則為 。
解題方法
(a) 久期行列式與軌域能量
代入題目數值,久期行列式為
展開行列式:
解二次方程式:
能量較低者為成鍵軌域,能量較高者為反鍵軌域:
(b) 正規化反鍵軌域係數
將反鍵能量代入久期方程第一列:
因此
取 :
因 ,正規化條件是
第 3 題10 分
Consider a transition between the ground state () and the 'th excited state (). Time dependent perturbation theory can be used to show that the intensity of the absorption is proportional to the square of the “transition moment”, .
The , and components of the transition moment are:
In the case of Carbene, it has symmetry, has 8 electrons and the Triplet Ground state takes the electronic configuration as shown in the following diagram, where the shapes of the molecular orbitals are also included.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Please determine if the electronic transition (only the highest two unpaired electrons are shown and the paired inner orbitals are neglected) is UV allowed or forbidden.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
For your information, the character table for symmetry is:
C_{2v}&E&C_2&\sigma_v(xz)&\sigma_v'(yz)&\\ \hline A_1&1&1&1&1&z\\ A_2&1&1&-1&-1&\\ B_1&1&-1&1&-1&x\\ B_2&1&-1&-1&1&y \end{array}$$登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
電偶極躍遷要在對稱性上允許,躍遷矩積分的被積函數必須包含全對稱表示 :
依題目提供的 特徵表,、、 的對稱性分別是 、、。此外,電偶極躍遷不改變電子自旋,須符合 。
解題方法
原卷圖顯示,基態 的兩個最高未成對電子分別佔據 與 軌域;激發態 中,一個電子仍在較低的 軌域,另一個由 升至較高的 軌域。因此此躍遷是 。圖中基態為三重態,配對內層軌域依題意忽略。
基態與激發態的空間對稱性分別為: