量子化学 基本演習 -問題演習
この
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1問題 1:波動関数 の規格化
において
であり、それ
(1) を
(2) における
(3) が に
1.1手掛 かり
1.2解答
したがって
は
を
(2) では
よって
である。
(3) が
1.3解説
この
前提 理解 不足 : をそのまま と確率 読 む。正 しくは が である。確率密度 適用 条件 ミス: の積分 範囲 を に制限 しない。今回 の は箱 の外 で 0 であるため、 から まででよい。単位 ミス: を無次元 と扱 う。 の次元 を保 つため、 には の次元 が必要 である。
1.4よくある誤 り
を確率密度 と確率 混同 する: は 1 を超 えることがありうるが、これは なので確率密度 問題 ではない。 は確率 区間 で積分 した無次元量 である。
2問題 2:Schrodinger方程式 と粒子箱
0 から までの 1
が
(1) が
(2)
に を
2.1手掛 かり
2
2.2解答
(1)
である。また、
である。 が
(2)
1
である。これを
したがって
である。
となり、
2.3解説
この
見分 けミス:Schrodinger を方程式 単 なる時間発展 の式 としてだけ見 る。ここでは定常状態 の である。固有値問題 公式 適用 ミス: の負号 を落 とす。適用 条件 ミス: を許 す。 では となり、 できないため規格化 ではない。波動関数
2.4よくある誤 り
エネルギー が に比例 すると考 える: は に比例 する。これは 2階微分 により が現 れるためである。
3問題 3:粒子箱 の遷移 エネルギー
(1) から への
(2) として、 を へ
(3) を 2
3.1手掛 かり
3.2解答
である。この
(1)
である。
となる。
(2) への
(3) であるため、 を 2
となる。
3.3解説
公式 適用 ミス: を だけで計算 する。 で遷移 必要 なのは である。計算 ミス: としてしまう。正 しくは である。前提 理解 不足 : を大 きくするとエネルギー が大 きくなると考 える。実際 には である。
3.4よくある誤 り
- と を
足 したり比較 したりする:どちらもエネルギー の単位 だが、換算 してから比較 する必要 がある。
4問題 4:水素原子 の確率密度
で
(1) と の
(2) における
(3)
4.1手掛 かり
4.2解答
(1) 3
である。 は
であり、
である。
(2) を
なので、
である。
(3)
である。 は を
の
したがって
で
4.3解説
この
前提 理解 不足 : を原子軌道 古典的 な円軌道 と同一視 する。 は原子軌道 の波動関数 形 である。見分 けミス: の最大 と の最大 を混同 する。公式 適用 ミス: の二乗 を のままにする。正 しくは である。
4.4よくある誤 り
- 「
が確率密度 最大 だから核 の位置 が最 も多 い」と結論 する:点 そのものの体積 は 0 である。観測 される確率 は に確率密度 体積要素 を掛 けて得 る。
5問題 5:LCAO近似 の規格化
2 つの
また、
とする。 は
(1) を
(2) を
(3) と のどちらが、
5.1手掛 かり
5.2解答
(1)
より なので、
である。
(2)
より なので、
である。
(3) は、2 つの
5.3解説
この
公式 適用 ミス: の交差項 を落 とす。適用 条件 ミス: と勝手 に置 く。問題 では が与 えられているため、重 なりを残 す必要 がある。前提 理解 不足 : や をエネルギー の補正 と考 える。 は の規格化 係数 であり、 を 1 にするための全確率 量 である。
5.4よくある誤 り
- としてしまう:これは の
特別 な場合 だけである。軌道 が重 なると、 の規格化 係数 は に依存 する。
6問題 6:分子軌道 のエネルギー と係数
2 つの
を
とする。、 は
(1)
(2)
(3) の
(4) 、 のとき、2 つの
6.1手掛 かり
これは 2
6.2解答
(1) を の
したがって
である。
(2)
したがって
であり、
を
(3) のとき、 である。
となる。 なので、 で
である。したがって
である。
のとき、 である。
となる。 なので、 で
である。
なので、 である。したがって
(4)
である。
6.3解説
この
見分 けミス: を分子軌道 各原子 に局在 した電子 の軌道 と考 える。 は分子軌道 分子 全体 に広 がる である。波動関数 公式 適用 ミス: のとき、 が低 いエネルギー であることを見落 とす。計算 ミス: で、 が負 であることを忘 れ、 と計算 する。
6.4よくある誤 り
- 「
足 すからエネルギー が高 い」と考 える: の分子軌道 高低 は見 た目 の足 し算 ではなく、ハミルトニアン の行列要素 と固有値 で決 まる。今回 のように なら、同符号 の結合 が低 いエネルギー になる。