在科学研究的初期,物理学家们就像探险家一样,努力用当时新兴的量子力学来解释原子的光谱,并希望能将这些理论运用到分子的光谱中,进一步理解分子的结构。在这群勇敢的先驱者中,有一位关键人物Robert Sanderson Mulliken。他与德国物理学家Friedrich Hund和英国物理学家John Lennard-Jones一起,奠定了我们现在所熟知的分子轨道理论。
分子光谱的开创性发展
当时的科学家们希望将原子光谱的研究拓展至分子,但问题在于——该如何描述分子的复杂结构?于是,他们借用原子轨道的概念,并开始使用类似的符号来描述分子的电子状态和量子数。然而,由于这是新兴的领域,符号和术语还没有统一,这让当时的研究颇具挑战性。
Mulliken的「联合原子」方法
Mulliken发明了一个特别的「联合原子」方法,假设双原子的分子轨道可以与一个虚拟的原子轨道相对应,这个「假设的原子」是由双原子分子的两个原子融合而成的。透过这种方法,他利用原子光谱中的符号(如2S、1P、3D)来表示双原子分子的电子状态,并逐渐发展出我们现在熟悉的σ、π符号。
从拉丁字母到希腊字母的简便方式
不久之后,Mulliken灵机一动,想到使用希腊字母来区别分子状态,例如用Σ、Π、Δ来表示分子的电子状态,保留拉丁字母来表示原子的电子状态。这就是我们现在看到的σ、π、δ符号的由来!当然,为了让更多的光谱学家认可这套符号,Mulliken还制作了传单,并于1929年在布里斯托尔大学的法拉第学会会议上提交了这些符号的标准化建议。
符号的发展应用
最初,这些符号只应用于双原子分子的分子轨道,直到1931年,σ、π、δ符号才真正与价电子理论和化学键理论结合起来。这标志著这些符号开始应用在更多分子中,例如单键、多键的描述,并将反键(使用*标志)与键电子区分开来。
σ、π和δ符号的形象比喻
若想了解σ、π和δ这些符号的来源,最好的方式是观察它们的横截面:σ键的横截面类似于s轨道、π键类似于p轨道,而δ键则像d轨道。这些形象化的比喻让我们更容易理解它们的结构特征。
总结来说,σ、π、δ符号的起源不仅仅是科学史上标志性的一步,更是一段量子力学应用于分子研究的精彩历程。透过这些符号,我们看见科学家如何以创造力和逻辑为指引,将分子世界的秘密揭示出来。
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