115 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
Which of the following is NOT correct description about the Maxwell relation in thermodynamics?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
Maxwell 關係式來自狀態函數 、、、 的全微分,利用交叉偏微分相等而得。四個基本式如下:
- ,得
- ,得
- ,得
- ,得
解題方法
第 2 題
At 298.15 K, the reaction SOCl2(l) + H2O(l) → SO2(g) + 2HCl(g) is endothermic and the equilibrium lies well on the right-hand side. Which of the following statement is correct?
(A) at 298.15 K
(B) at 298.15 K
(C) at 298.15 K
(D) becomes more negative when the temperature is raised.
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本題考查化學反應的熱力學判據,包括焓變 ()、熵變 () 和吉布斯自由能變 () 的關係,以及它們與反應方向和平衡的關聯。
題目給定以下資訊:
- 反應:SOCl2(l) + H2O(l) → SO2(g) + 2HCl(g)
- 反應在 298.15 K 時是吸熱的 (endothermic),即 。
- 平衡位於右側 (equilibrium lies well on the right-hand side),這意味著在標準狀態下,反應傾向於生成產物,即 (在 298.15 K,標準狀態下)。
現在我們逐一分析選項:
(A) at 298.15 K
反應物是兩種液體 (SOCl2(l) 和 H2O(l)),產物是一氣體 (SO2(g)) 和兩種氣體 (2HCl(g))。氣體的亂度遠大於液體。從 2 莫耳液體生成 3 莫耳氣體,系統的亂度會顯著增加。因此,熵變 應該是正值。
所以,選項 (A) 是 錯誤 的。
(B) at 298.15 K
題目說「平衡位於右側」,這表示在標準狀態下,反應是自發的。自發反應的吉布斯自由能變 應為負值。
所以,選項 (B) 是 錯誤 的。
第 3 題
The reaction A → 2B is spontaneous when
(A)
(B)
(C)
(D)
(µ is the chemical potential)
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本題考查化學反應的自發性判據,特別是使用化學勢 (chemical potential, ) 來判斷反應方向。
對於一個反應:
在給定溫度和壓力下,反應是自發的當且僅當反應的吉布斯自由能變 () 小於零。
其中 是化學計量係數, 是對應物質的化學勢。
對於題目中的反應 A → 2B:
反應物是 A,產物是 B。
化學計量係數:對於 A 是 1,對於 B 是 2。
反應的吉布斯自由能變為:
第 4 題
Einstein explained a series of experimental observations through his photoelectric effect theory. When light irradiates a metal surface, electrons are emitted. Classical physics could not account for why electron emission depends on the frequency of the incident light rather than its intensity. Which of the following statement correctly reflects Einstein's explanation?
(A) Atoms in the cavity walls can emit or absorb energy only in discrete quanta.
(B) Angular momentum is quantized.
(C) The energy of light is not distributed uniformly throughout the wave; instead, it is carried in localized packets (photons).
(D) The uncertainty principle applies.
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本題考查愛因斯坦對光電效應的解釋,以及其與量子理論的關聯。愛因斯坦的光電效應理論是量子力學發展史上的重要里程碑。
光電效應的現象是:當光照射金屬表面時,會釋放出電子。
古典物理學(波動說)無法解釋的關鍵點是:
- 電子釋放的能量(動能)與光的頻率有關,而非強度。
- 存在一個「閾值頻率」,低於此頻率的光,無論強度多大,都不會引起電子釋放。
- 電子釋放是瞬時的,沒有明顯的延遲。
愛因斯坦在 1905 年提出的解釋,基於普朗克的量子假說,並將其應用於光本身:
他提出,光本身是由一份份不連續的能量組成的,這些能量包被稱為「光子」(photons)。
每個光子的能量 與光的頻率 成正比:,其中 是普朗克常數。
愛因斯坦的解釋如何解決古典物理學的難題:
- 頻率依賴性:當一個光子撞擊金屬表面時,它會將其全部能量 傳遞給一個電子。如果這個能量足以克服金屬對電子的束縛能(功函數 ),那麼電子就會被釋放。因此,只有當光子的頻率 達到或超過閾值頻率 (使得 )時,電子才能被釋放。這解釋了為何電子釋放與頻率有關。
- 強度關係:光的強度越大,意味著單位時間內照射到金屬表面的光子數量越多。
第 5 題
Einstein's A and B coefficients describe how light interacts with atoms having discrete energy levels and explain how thermodynamic equilibrium between radiation and matter is established. Which of the following statement is correct?
(A) During excitation, the probability that an atom absorbs a photon is not proportional to the photon density.
(B) The corresponding de-excitation process is also not proportional to the photon density.
(C) An electron must be able to spontaneously emit a photon at a rate that depends on the photon density.
(D) The rate constants for excitation and stimulated de-excitation are the same.
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本題考查愛因斯坦的 A 和 B 係數,這描述了原子與輻射場的相互作用,是理解輻射與物質熱平衡的基礎,也是激光原理的基礎。
愛因斯坦在 1917 年提出了三個過程來描述原子與電磁輻射的相互作用:
-
自發輻射 (Spontaneous Emission):處於激發態的原子,在沒有外來輻射場的影響下,會自發地躍遷到較低能級,並發射一個光子。這個過程的速率與原子數 成正比,引入自發輻射係數 :
速率 =
這個速率與光子密度無關。 -
受激吸收 (Stimulated Absorption):處於低能級的原子,在電磁輻射場的作用下,吸收一個光子,躍遷到較高能級。這個過程的速率與該能級的原子數 以及輻射場的光子密度 成正比。引入受激吸收係數 :
速率 =
這個速率與光子密度 成正比。 -
受激輻射 (Stimulated Emission):處於高能級的原子,在電磁輻射場的作用下,被「激勵」躍遷到較低能級,並發射一個與入射光子具有相同頻率、相位、方向和偏振的光子。這個過程的速率與該能級的原子數 以及輻射場的光子密度 成正比。引入受激輻射係數 :
速率 =
這個速率與光子密度 成正比。
在熱力學平衡狀態下,處於兩個能級(例如能級 1 和 2)的原子數比例由玻爾茲曼分佈決定:
同時,在平衡狀態下,吸收速率等於輻射速率(自發輻射 + 受激輻射):
第 6 題
Which set of the operators or physical quantities do NOT satisfy the Heisenberg uncertainty principle?
(A) Angular momentum operators and
(B) Frequency () and time ()
(C) Momentum () and position ()
(D) Operators and
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核心觀念
海森堡不確定性原理對兩個可觀測量(或算符)、的普遍形式為
其中
為對易子。若兩算符不對易,通常會導出非零的不確定度下限;若兩者對易,則右側為零,不會形成非平凡的不確定性限制。
本題要找的是不構成海森堡不確定性關係的選項。
解題方法
逐一檢查各組物理量或算符的對易關係,以及是否能導出非零的不確定度乘積下限。
選項分析
(A) 與
角動量算符滿足基本對易關係
因此
代入不確定性原理可得
由於 與 不對易,確實滿足角動量分量之間的海森堡不確定性關係。
所以 (A) 錯誤。
(B) 頻率 與時間
能量與時間具有能量—時間不確定性關係
由頻率與能量的關係
可得
代入後:
因為 ,所以
第 7 題
Which of the following quantum mechanical model does NOT have the zero-point energy?
(A) Particle in a box with finite potential wells
(B) Rigid rotor
(C) Harmonic oscillator
(D) Quantized electromagnetic field
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本題考查量子力學模型中的零點能 (zero-point energy)。零點能是指一個量子系統在絕對零度(0 K)時所具有的最低能量。這是由於量子力學中的不確定性原理,系統無法同時處於位置和動量都為零的狀態。
我們需要判斷哪個模型在最低能量狀態時,其能量不為零。
(A) 粒子在有限位能井中的模型 (Particle in a box with finite potential wells)
對於無限位能井(窮盡位能),最低能量(基態)為 ,這是一個非零的零點能。
對於有限位能井,情況更複雜,但基態能量仍然是非零的。雖然有限位能井允許粒子有一定機率穿隧到井外,但其基態能量仍然大於零。
(B) 剛性轉子 (Rigid rotor)
剛性轉子模型描述的是一個固定距離的兩個粒子繞共同質心旋轉的系統。其能量與角動量量子數 有關:
,其中 是轉動慣量。
最低能量對應於 的情況。
當 時,。
所以,剛性轉子的最低能量為零。這意味著它沒有零點能。
第 8 題
Which of the following molecule may NOT show a rotational Raman spectrum?
(A) N₂
(B) CO₂
(C) H₂O
(D) CH₄
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本題考查分子在拉曼光譜(特別是旋轉拉曼光譜)中的表現。拉曼光譜是基於分子對入射光散射的非彈性散射現象。要觀察到旋轉拉曼光譜,分子必須滿足一定的條件。
旋轉拉曼光譜的選擇規則:
一個分子要表現出旋轉拉曼散射,必須滿足以下條件:
- 可極化性張量發生變化 (Anisotropic polarizability):當分子發生旋轉時,其極化性張量(描述分子電子雲對電場的響應程度)必須發生變化。換句話說,分子的極化性必須是各向異性的 (anisotropic)。
- 分子的極化性必須是各向異性的。
極化性各向異性的判斷:
- 對稱性高的分子,如具有球對稱性的分子,其極化性是各向同性的 (isotropic),它們通常不會表現出旋轉拉曼光譜。
- 對稱性較低的分子,如具有線性、平面或非平面結構但對稱性不那麼高的分子,其極化性是各向異性的,它們通常會表現出旋轉拉曼光譜。
分析選項中的分子:
(A) N₂ (氮氣)
N₂ 分子是直線型的 (linear),結構為 N≡N。它具有中心對稱性。
然而,對於直線型分子,如果鍵的兩端是相同的原子,則極化性是各向異性的。
在拉曼光譜中,直線型對稱分子(如 N₂、CO₂、H₂)的旋轉光譜是可觀察的。
N₂ 是非極性分子,但其極化性是各向異性的。當 N₂ 分子旋轉時,沿分子軸方向的極化性與垂直於分子軸方向的極化性不同。因此,N₂ 可以顯示旋轉拉曼光譜。
第 9 題
Scientists used ultrafast X-ray pulses to directly visualize the DNA photorepair process. The probability of bond-rearrangement events was observed to increase gradually over a timescale of approximately 500 ns. Which of the following statements is incorrect?
(A) Molecular bond elongation occurs on a timescale of approximately 500 ns.
(B) Molecular bond elongation occurs on a timescale of approximately 500 fs.
(C) Although molecular bond vibrations occur on ultrafast timescales, the concentration of reaction products may require a much longer time to increase to a detectable level.
(D) The presence of multiple reaction barriers allows reactant molecules that have crossed a barrier to return via reverse reactions.
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核心觀念
本題考查「分子微觀運動時間尺度」與「宏觀反應動力學時間尺度」的區別。
-
化學鍵的伸縮振動屬於原子核的振動,其特徵時間通常約為飛秒(fs):
-
反應產物濃度的累積,則取決於反應速率、反應障礙與逆反應等因素,時間可能延長至奈秒(ns)甚至更久:
題幹所述的約 ,代表的是「鍵重排事件被觀察到的機率逐漸增加」或「產物族群逐漸累積」的時間尺度,不是單一化學鍵完成伸長振動所需的時間。
解題方法
判斷各選項時,先區分兩種不同的物理量:
-
單一分子內的鍵伸縮與分子振動
這是原子核在勢能面上的快速運動,通常發生於飛秒尺度,約為 。 -
大量分子中反應產物的形成與累積
每個分子跨越反應障礙的時間不同,且可能發生逆反應,因此整體產物濃度的增加可以拖長至奈秒尺度,約為 。
若以簡化的一階反應表示:
正向速率為 ,逆向速率為 ,則產物濃度的變化由整體族群動力學決定:
即使單次鍵振動在飛秒內完成, 仍可能需要數百奈秒才逐漸增加到可偵測的程度。因此, 與 分別對應「微觀鍵運動」與「宏觀反應族群變化」。
選項分析
(A) Molecular bond elongation occurs on a timescale of approximately 500 ns.
錯誤。
分子鍵的伸縮運動屬於快速的核振動,特徵時間約為飛秒尺度。 比 長:
兩者相差約一百萬倍。題幹中的 是鍵重排事件機率或反應產物族群逐漸累積的時間,不是單一分子鍵伸長本身的時間。
因此此項將「反應事件的累積時間」誤認為「化學鍵振動時間」,為不正確敘述。
第 10 題
In a consecutive reaction A→B→C concentration of the intermediate will be small relative to the starting concentration of A if
(A) the rate constant for the first step is larger than that for the second
(B) the rate constant for the second step is larger than that for the first
(C) very few products have formed
(D) nearly all the reactant has disappeared
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本題考查連續反應 (consecutive reaction) 中中間產物濃度的行為。反應為 A → B → C,其中 B 是中間產物。我們要找出什麼條件下,中間產物 B 的濃度相對較小。
連續反應的速率方程通常形式如下:
其中 是 A → B 的速率常數, 是 B → C 的速率常數。
初始條件通常是 , , 。
當中間產物 B 的濃度保持較小時,通常發生在兩種情況下:
-
穩態近似 (Steady-state approximation):假設中間產物的生成速率等於其分解(消耗)速率,即 。
。
要使 相對較小,需要 較小,即 。這意味著 B 的消耗速率 () 遠大於其生成速率 ()。 -
初始階段與末期階段的分析:
- 初始階段:當反應剛開始時,[A] 接近 ,[B] 和 [C] 都很小。此時,B 的生成主要由 控制。
- 中間階段:隨著反應進行,[A] 降低,[B] 逐漸升高。
- 後期階段:當 [A] 已經很低時,B 的生成速率減慢。如果 很大,B 會迅速轉化為 C,使得 [B] 始終保持在較低水平。
我們來看選項:
第 11 題
If a system at equilibrium is perturbed in the forward direction, the system will approach equilibrium with a rate determined by
(A) the forward rate constant
(B) the reverse rate constant
(C) a combination of the two
(D) neither
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核心觀念
系統被擾動偏離平衡後,回復平衡的速率由鬆弛時間決定。對可逆反應 (正向速率常數 、逆向速率常數 ),偏離量 滿足 ,因此鬆弛速率常數為 。
解題方法
第 12 題
Answer the question 12. – 13. regarding the Helmholtz free energy (A):
What is the physical meaning of in thermodynamics? (T: temperature; V: volume)
(A) Maximum heat at constant T and V
(B) Maximum non-expansion work at constant T and V
(C) Maximum work at constant T and V
(D) Maximum work at constant T
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核心觀念
Helmholtz 自由能定義為 。在定溫可逆過程中, 的大小等於系統能與外界交換的最大功(符號依「對系統作功為正」的慣例)。這個最大功包含體積功與非膨脹功。
解題方法
由 可知, 的自然變數是 與 ,而 所對應的最大功是定溫條件下的通則。因此看選項時,要判斷它說的是定溫的一般情形,還是只在定容下才成立的特例。
選項分析
第 13 題
Answer the question 12. – 13. regarding the Helmholtz free energy (A):
What is ?
(A) G
(B) H
(C) U
(D) S
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核心觀念
Gibbs–Helmholtz 方程:在定容下,。
解題方法
由 出發。定容時 ,故
把 代入,得 。
第 14 題
Answer the question 14. – 15. using the equations shown below:
The van der Waals equation of state: , where is molar volume;
, where and are molar heat capacity at constant pressure and volume, respectively.
What is the expression of entropy change () for the isothermal reversible expansion at temperature T from to of n moles of a van der Waals gas?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
等溫可逆過程的熵變為 ,由 Maxwell 關係 得到。Van der Waals 方程中, 項不含 ,因此
解題方法
以總體積 表示,,積分得
檢驗:可逆等溫過程的 。其中 ,而 含有相同的 a 項,兩者相消,剩下 ,故
第 15 題
The equation of can be expressed in terms of , T, and the gas constants R, a and b as follows:
, where and are real integers.
Which of the description about and is correct?
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
同 Q14,。Van der Waals 方程中:
解題方法
由循環關係 ,得
第 16 題
Answer the question 16. – 20. using the reaction schemes shown below:
A excited molecule A* deactivated through three process:
;
;
Where is the rate of radiative decay via fluorescence;
is the rate of internal conversion;
is the rate of intersystem crossing;
is the excited state; is the ground state; is the vibrational hot ground state;
is the triplet state.
The following notation of is the initial concentration of X.
- The rate equation of A* is
(A)
(B)
(C)
(D)
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本題考查反應動力學,特別是關於激發態分子 A* 的衰減速率方程。
激發態分子 A* 可以通過三個並行的過程衰減:
- 螢光 (fluorescence):,速率常數 。
- 內轉換 (internal conversion):,速率常數 。
- 系間竄越 (intersystem crossing): (三線態狀態),速率常數 。
這些都是 A* 分子的衰減過程,它們是並行的。
因此,A* 的總體衰減速率由這三個過程的速率常數的總和決定。
A* 的濃度隨時間的變化可以用一階微分方程來描述:
這個微分方程的解是:
其中 是 A* 的初始濃度。
第 17 題
Answer the question 16. – 20. using the reaction schemes shown below:
A excited molecule A* deactivated through three process:
;
;
Where is the rate of radiative decay via fluorescence;
is the rate of internal conversion;
is the rate of intersystem crossing;
is the excited state; is the ground state; is the vibrational hot ground state;
is the triplet state.
The following notation of is the initial concentration of X.
- The fluorescence lifetime of A* is
(A)
(B)
(C)
(D)
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本題考查螢光壽命 (fluorescence lifetime) 的概念。螢光壽命是指激發態分子 A* 衰減到其初始濃度 所需的時間。
從上一題我們知道,激發態分子 A* 的衰減過程可以表示為:
其解為:
螢光壽命 () 的定義是,激發態的濃度衰減到初始濃度的 倍所需的時間。
令 。
所以,螢光壽命 。
第 18 題
Answer the question 16. – 20. using the reaction schemes shown below:
A excited molecule A* deactivated through three process:
;
;
Where is the rate of radiative decay via fluorescence;
is the rate of internal conversion;
is the rate of intersystem crossing;
is the excited state; is the ground state; is the vibrational hot ground state;
is the triplet state.
The following notation of is the initial concentration of X.
- The branching percentage of Ahot, is
(A)
(B)
(C)
(D)
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本題考查分支百分比 (branching percentage) 的概念。分支百分比是指在一個給定的反應物可以通過多個並行路徑轉化的情況下,某一個特定路徑轉化的比例。
在本題中,激發態分子 A* 可以通過三個並行過程衰減:
- 螢光 ():生成 A。
- 內轉換 ():生成 。
- 系間竄越 ():生成 。
分支百分比是指某個過程發生的概率或比例。
對於中間產物 ,它是通過內轉換過程 () 生成的。
因此,生成 的分支百分比,就是 A* 通過內轉換過程衰減的比例。
總的衰減速率常數是 。
在任意時刻 ,A* 分子衰減的總速率是 。
其中,通過螢光衰減的速率是 。
通過內轉換衰減的速率是 。
通過系間竄越衰減的速率是 。
第 19 題
Answer the question 16. – 20. using the reaction schemes shown below:
A excited molecule A* deactivated through three process:
;
;
Where is the rate of radiative decay via fluorescence;
is the rate of internal conversion;
is the rate of intersystem crossing;
is the excited state; is the ground state; is the vibrational hot ground state;
is the triplet state.
The following notation of is the initial concentration of X.
- The rate equation of species Ar is
(A)
(B)
(C)
(D)
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核心觀念
這題考的是平行一級反應中,各產物的生成速率。激發態 會分別經由三條路徑衰變,因此其總消失速率常數為
各反應路徑的產物生成速率,等於該路徑的速率常數乘上反應物 的濃度。例如,三重態 的生成速率為
解題方法
先寫出 的濃度隨時間變化:
以初始濃度 為條件,積分可得
代入三重態的生成速率方程:
假設反應開始時沒有三重態,即 ,由 積分至 :
代入 ,即為選項 D。
選項分析
第 20 題
Answer the question 16. – 20. using the reaction schemes shown below:
A excited molecule A* deactivated through three process:
;
;
Where is the rate of radiative decay via fluorescence;
is the rate of internal conversion;
is the rate of intersystem crossing;
is the excited state; is the ground state; is the vibrational hot ground state;
is the triplet state.
The following notation of is the initial concentration of X.
- To increase the fluorescence quantum yield, the chemist may design a molecule with the following
properties. Which of the following is incorrect?
(A) A shorter fluorescence lifetime
(B) Slower internal conversion rate
(C) Slower intersystem crossing rate
(D) Faster radiative decay
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核心觀念
激發態分子 有三種彼此競爭的失活途徑:
其中:
- :放光衰減速率常數,產生螢光
- :內轉換速率常數,屬於非輻射衰減
- :系間跨越速率常數,亦屬於非輻射失活途徑
螢光量子產率定義為「激發態分子最後以螢光放光的比例」,因此
由此可知,提高螢光量子產率的方法是:
- 增加放光速率
- 降低內轉換速率
- 降低系間跨越速率
激發態壽命則為
解題方法
直接由螢光量子產率公式判斷各速率常數的影響:
分子 增大時,放光機率提高;分母中的非放光途徑 、 減小時,分子更容易經由螢光途徑失活。
至於螢光壽命 ,它反映的是所有失活途徑的總速率:
壽命變短只代表總失活速率變快,並不代表螢光所占比例一定增加。若壽命變短是因為 或 增大,反而會使螢光量子產率下降。
選項分析
(A) A shorter fluorescence lifetime
錯誤。
螢光壽命為
第 21 題
In ultrafast photochemical processes, molecules are often excited by femtosecond laser pulses to electronically excited states, followed by rapid nuclear motion and electronic relaxation. In such situations, the validity of the Born-Oppenheimer approximation (BOA) becomes a central issue. The BOA exploits the large mass difference between nuclei and electrons to simplify the molecular Schrödinger equation by separating electronic and nuclear motions. Which of the following statements regarding the Born-Oppenheimer approximation (BOA) are correct?
(A) The BOA assumes that electrons respond instantaneously to nuclear motion due to their much smaller mass.
(B) Within the BOA, the total molecular wavefunction is expressed as a product of an electronic wavefunction and a nuclear wavefunction.
(C) Zero-point vibrational energy is neglected in the BOA.
(D) Immediately after vertical photoexcitation, the BOA is typically valid because the nuclear geometry has not yet changed.
(E) Within the BOA, ultrafast population transfer between different electronic states can be fully described without considering the interaction between nuclear motion and electronic states.
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本題考查 Born-Oppenheimer Approximation (BOA) 的正確性及其適用範圍。BOA 是量子化學中的一個基本近似,它允許將分子的電子運動和核運動分開處理。
BOA 的核心思想是:由於電子質量遠小於核質量,電子在核的運動中可以被認為是瞬間回應的。因此,可以先求解電子在固定核構型下的薛丁格方程,得到電子能量和電子波函數;然後,將電子能量作為核間勢能,求解核的運動方程。
我們逐一分析選項:
(A) BOA 假設電子由於質量小,對核的運動做出瞬時回應。
這是 BOA 的基本假設之一。由於電子質量遠小於核質量,電子可以非常快速地在核周圍重新分佈,以適應核的任何(相對緩慢的)位置變化。這使得我們可以將電子運動與核運動解耦。此陳述是正確的。
(B) 在 BOA 中,總分子波函數表示為電子波函數和核波函數的乘積。
BOA 的一個關鍵結果是,總分子波函數 可以近似表示為電子波函數 和核波函數 的乘積:
其中 代表電子的坐標, 代表核的坐標。電子波函數 依賴於核的位置 作為一個參數。此陳述是正確的。
(C) BOA 中忽略了零點振動能量。
BOA 的目的是將電子和核運動分開。一旦我們得到核的運動方程(其勢能面由電子能量決定),我們就可以求解核的運動。核的運動(振動和轉動)也有其量子化的能級,包括零點振動能。BOA 本身並沒有忽略零點振動能;零點振動能是核運動量子化的結果。實際上,BOA 之後,我們仍然需要考慮核的振動和轉動,並計算相應的能量,包括零點能。
BOA 的有效性與核的振動能量是否與電子激發能量相比很大有關,但 BOA 並非直接忽略零點能。
更準確地說,BOA 假設核的運動是緩慢的,電子可以達到其平衡構型。但這並不意味著零點能被忽略。
例如,在計算分子的總能量時,我們需要將電子基態能量、核振動能(包括零點能)、核轉動能等加起來。
此陳述是錯誤的。
第 22 題
If we consider the three non-hybridized p orbitals ( and ) and their electrons using the molecular orbital (MO) theory, we can determine three MOs and with linear combination of and for that ; ; , which obey orthonormal conditions ( for ). Which of the following statements regarding the linear combination coefficients and are correct?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查分子軌域線性組合中的兩項基本條件:
-
歸一化條件
-
正交條件
假設三個未混成的 軌域 彼此正交且各自已歸一化:
因此,線性組合軌域的歸一化與正交條件可以直接轉化為各係數間的代數關係。
解題方法
題目給出的三個分子軌域為
1. 求
由 的歸一化條件:
由於 與 正交,
所以
係數通常取正值,因此採用 。
2. 利用 與 的正交條件
計算內積:
代入兩個軌域:
由於不同原子軌域彼此正交,只留下同一軌域的項:
因此
第 23 題
The molar Gibbs free energy of a certain gas is given by , where are constants, T is temperature, and P is pressure. One mole of this gas at temperature T is expanded isothermally and reversibly from pressure to . Which of the following statements regarding this process are correct?
(A) The equation of state for the gas is
(B) The fugacity (f) of the gas is
(C) The internal energy change
(D) The entropy change
(E) The enthalpy change
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核心觀念
由 可導出各熱力學量:,,,。逸度的定義為 ,理想氣體部分 之外多出的 即為 。
解題方法
假設 、 與 無關:
- ,故 。
- 。
- 。
- ,定溫下 。
- 。
第 24 題
The following half-cells for which the reduction reaction and its corresponding standard electromotive force (E°) is given by
Half-cell (a):
Half-cell (b):
Half-cell (c):
The electrochemical cell 1 (E1) is constructed with the half-cell (a) and (b), whereas the electrochemical cell 2 (E2) is constructed with the half-cell (a) and (c). The activity of all species is one for both cells. Which of the following statements are correct?
(A) The electromotive force of the electrochemical cell is positive when the electrochemical reaction is spontaneous.
(B) In E1, Fe(s) is oxidized.
(C) In E2, Fe(s) is reduced.
(D) If E1 is spontaneous, the overall reaction is .
(E) If E2 is spontaneous, the overall reaction is .
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核心觀念
本題考查標準還原電位、原電池方向與電池電動勢的判斷。
對任一自發電池反應:
- 還原電位較大的半電池作為陰極,發生還原。
- 還原電位較小的半電池作為陽極,發生氧化。
- 電池電動勢為
- 與吉布斯自由能的關係為
因此:
題目給定所有物種活性為 ,所以可直接使用標準還原電位。
解題方法
三個半電池的標準還原電位為:
判斷原則是:還原電位較大的半電池進行還原,較小者反向進行氧化。
電池 E1:半電池 (a) 與 (b)
因為
所以半電池 (a) 為陰極,進行還原:
半電池 (b) 反向進行氧化:
配平電子數,將半電池 (a) 乘以 ,半電池 (b) 的氧化反應乘以 :
相加得:
其標準電動勢為:
故 E1 的自發方向為上述反應。
電池 E2:半電池 (a) 與 (c)
因為
所以半電池 (c) 為陰極,進行還原:
半電池 (a) 反向進行氧化:
將半電池 (c) 乘以 :
相加得:
第 25 題
Experimental observations show that the fluorescence decay curves of anthracene measured at two different wavelengths do not exhibit simple exponential behavior. Instead, the decay curves display oscillatory features that are out of phase. Which of the following statements are correct?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(A) Multiple excited states in anthracene are excited non-coherently.
(B) Interference between coherently excited states leads to periodic modulation of the excited-state population, producing oscillations in the fluorescence intensity, a phenomenon known as quantum beating.
(C) In a simple two-level system with incoherent population decay, fluorescence follows a single exponential decay. When coherence is present, the fluorescence intensity contains both exponential decay and oscillatory components, resulting in non-exponential decay behavior.
(D) Fluorescence detected at different wavelengths corresponds to emission from different vibronic transitions. Due to interference, population dynamics between these emitting states can be anticorrelated, leading to oscillations that are out of phase between the two detection wavelengths.
(E) Fluorescence from the non-coherently excited states leads interference resulting the oscillations in the fluorescence intensity, a phenomenon known as quantum beating.
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核心觀念
量子拍(quantum beat)是以超短脈衝「相干(coherent)」激發兩個或多個能態,各態波函數疊加後產生干涉,使激發態族群與螢光強度隨時間振盪,振盪頻率等於能階差。若激發是非相干的(各態布居彼此獨立),就沒有干涉項,衰減是各態指數衰減之和。
解題方法
逐一檢查每個選項是否符合「相干激發、干涉、族群振盪」的機制。圖上兩個偵測波長的衰減曲線呈振盪且相位相反,對應兩個發光態族群的反相關:一個增加時另一個減少。
選項分析
第 26 題
If the fluorescence quantum yield () of anthracene is , and the fluorescence lifetime is , is the radiative rate constant, and is the non-radiative rate constant. Which of the following are TRUE?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
螢光量子產率 是放射衰變速率占總衰變速率的比例:
螢光壽命 是激發態總衰變速率的倒數:
因此也可寫成 ,再由總衰變速率求出 。
解題方法
已知 ,。
先用 求放射速率常數:
總衰變速率為:
所以非放射速率常數為:
第 27 題
There are three methods for hydrogen production.
(1) Methane pyrolysis:
corresponding to per mole of produced.
(2) Water electrolysis:
corresponding to per mole of produced.
(3) Steam methane reforming:
corresponding to per mole of produced.
Based solely on the reaction enthalpies (), methane pyrolysis [method (1)] appears to be the most energy-efficient pathway for hydrogen production. However, this conclusion is misleading in practice and does not adequately represent the true energetic and technological challenges of the process. Which of the following statements correctly explain the reasons?
(A) Although the net enthalpy requirement is only per mole of , a much higher activation energy must be overcome to cleave the strong C–H bonds in methane.
(B) Non-catalytic methane pyrolysis requires temperatures above approximately , with activation energies typically in the range of –.
(C) Catalytic methane pyrolysis employing metal (e.g., Ni, Fe, Cu) or carbon catalysts can lower the required operating temperature to approximately – and reduce the activation energy to about –.
(D) In methane pyrolysis reactors, heat transfer to methane is generally less efficient than in steam methane reforming [method (3)], which benefits from the use of high-temperature water vapor as an effective heat-transfer medium.
(E) In [method (3)], the total bond enthalpy of the products is less than that of reactants.
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核心觀念
甲烷裂解的反應焓很小,但 C–H 鍵解離的活化能高,需要極高溫,且熱傳效率低。因此「反應焓最小」並不代表「實際上最容易實現」。這題考的是動力學(活化能)與反應工程(熱傳)。
解題方法
逐一檢查每個選項是否說明了「反應焓不足以代表實際困難」的原因,並以題目給的數據與一般文獻數量級比對。
選項分析
- (A) 正確:淨吸熱只有 ,但必須斷開 中強的 C–H 鍵,活化能高,動力學是主要障礙。
- (B) 正確:非催化裂解需超過約 ,活化能約 –,與一般文獻的數量級相符。
第 28 題
The energy of a particle in a 3D cubic box is given by the formula:
where is Planck's constant, is the mass of the particle, is the dimensions of the box, and , , and are the quantum numbers. Which of the following statements are correct?
(A) The degeneracy of the ground state is one.
(B) The degeneracy of the first excited state is three.
(C) The energy of the first electronic absorption band is .
(D) The degeneracy of the excited state resulting the broad emission band
(E) Without a zero-point energy
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核心觀念
立方箱中粒子的能量為 ,量子數 (不含 0)。能量只由 決定,簡併度即為具有相同總和的量子數組合數。
解題方法
列出低能態:
- 基態 :,能量 。
- 第一激發態 、、:總和為 ,能量 ,簡併度為 3。