实验一 径向分布函数、角度分布函数电子云图形的绘制一、实验目的1．绘制波函数及其各种分布以及电子云的图像，观察各种函数的分布情况。

2．了解计算机绘图方法。

二、实验原理1．程序原理：本程序可绘制类氢原子的径向分布函数，角度分布函数及原子轨道、杂化轨道和分子轨道等电子几率密度图，绘制过程中的各函数形式列于下列各表中。

式中 ，n 为主量子数，=0.0529nm ，为波尔半径， Z 是有效核电荷，由Slater 规则计算得到的周期表中前四个周期元素的有效核电荷列于表1.1中，下面简要叙述对各类图形的处理方案。

①径向分布函数图：径向分布函数D(r)=r 2R 2(r)反映了电子的几率随半径r 的分布情况， D(r)dr 代表半径r 到r+dr 两个球壳夹层内找到电子的几率。

其中R(r)为类氢原子的径向函数，本程序所采用的径向函数R(r)分别列于表2－2中。

②角度分布函数图：的角度部分 以及角度分布函数 表示同一球面不同方向上 或 的相对大小，本程序所采用的角度函数分别列于表3－3中。

02na Zr=ρ0a ),,(φθψr nlm ),(φθψlm ),(2φθψlm ),,(φθψr nlm ),,(2φθψr nlm ),(φθψlm322232,),(,,,,spd sp yzxzzzz YY fffpp 角度分布图是画的X-Z 平面的截面图，其余角度分布图都是画的X-Y 平面的截面图。

角度分布函数图中，凡轨道形状相同，而仅方向不同者，则仅绘出一个图形作为代表。

③等电子几率密度图：2),,(φθψr 称为电子几率密度函数，它描述在该轨道中的电子在三维空间的分布情况，为了在平面上表示出这种分布往往采用某一切面上的等值面图，程序按指定的轨道在该切面上逐点计算2ψ的值，及找出2maxψ的最大值，求出相对几率密度2max2/ψψ=P ，该值在X-Y 平面上是位置坐标(x,y)的函数(对于23z d 轨道是在X-Z 平面)，绘图时不是将取值相同的点连成曲线，而是打印一系列符号表示相对几率密度的分布区域。

当P ＜0.01时为空白， 0.01≤P ＜0.02时用“：”，0.02≤P ＜0.1时用“／”，0.1≤P ＜0.25时用“O ”，0.25≤P ＜0.5时用“&”和P ＞0.5时用“#”符号表示。

根据这些符号可以粗略看出几率密度的分布情况。

在X-Y 平面内，坐标变化范围为 -2.4≤x ≤2.4(步长=0.08) -1.42≤y ≤1.42(步长=0.133)所有距离的长度单位都是10-10m 。

原子轨道使用的波函数如表1－4所示。

对23224,4,4,3xzzzzffdd 和轨道采用X-Z 平面做截面，所有其它原子轨道都画在X-Y 平面上，程序使用原子轨道的四重轴对称性，首先计算第三象限内，即-2.4≤x ≤0,-1.42≤y ≤0的Ψ值，随后被2max2/ψψ=P代替，在其它三个象限内的相应值由对称性得到，用P(x,y)代表电子在坐标(x ，y)点的几率密度，则：P(-x,-y)=P(-x,y)=P(x,-y)=P(x,y)表1－1 Slater轨道中的Z*参量值杂化轨道采用的杂化方式如表1－5所示，程序中应用了以X 轴为对称轴的二重轴对称性，在X-Y 平面上画出杂化轨道等电子几率密度图。

分子轨道采用如表1－6所示的原子轨道的线性组合，取双原子-A 、B 的两个原子核在Y 轴上，及以Y 轴为分子轴，其坐标分别为-R AB ／2，R AB ／2，若Z A =Z B ，则分子轨道具有四重轴对称性，否则仅有以Y 轴为对称轴的二重轴对称性。

表1－2 类氢原子的径向波函数)(r R nl表1－3 波函数角度部分),(φθlm Yπ41=Sφθπcos sin 43=xpφθπsin sin 43=y pθπcos 43=zp)1cos 3(16522-=θπzdφθθπcos cos sin 415=xzd φθθπs i n c o s s i n 415=yzdφθπ2sin sin4152=xydφθπ2cos sin1615222=-yx d)cos 3cos5(16733θθπ-=zfφθθπcos )1cos5(sin 322122-=xzfφθθπs i n )1c o s 5(s i n 322122-=yzfφθθπ2cos cos sin161052)(22=-y x z fφθθπ2s i n c o s s i n 161052=xyzfφθπ3cos sin32353)3(22=-y x y fφθπ3sin sin32353)3(22=-y x x f()θπcos 3181+=sp Y⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=15231cos 52cos 1615232θθπspd Y表1－4 类氢原子波函数),,(φθψr nlm20231)(1ρπψ-=ea Z S2232)(241ρπψ-=ea ZS2)66()(31812233ρρρπψ-+-=ea Z S232234)123624()(1921ρρρρπψ--+-=ea Z Sφθρπψρcos sin )(2412232-=ea Z xPφθρπψρsin sin )(24122302-=ea Z yPθρπψρcos )(2412232-=e a Z zPφθρρπψρcos sin )4()(21812233--=ea Z xPφθρρρπψρcos sin )1020()(5641223024-+-=ea Z xP)1cos3()(63612223232-=-θρπψρea Z o zdφθρπψρ2cos sin)(236122232322-=-ea Z o yxdφθρπψρ2sin sin)(2361222323-=ea Z oxyd )1cos3()6()(384122322324--=-θρρπψρea Z o zd φθρρπψρ2cos sin)6()(31281223223224---=ea Z oyxdφθρρπψρ2sin sin)6()(312812232234--=ea Z oxyd )cos 3cos5()(538413232334θθρπψρ-=-ea Z ozfφθθρπψρcos )1cos5(sin )(3012812232324-=-ea Z o xzfφθρπψρ3cos sin)(2384132323)22(4--=ea Z oyxx fφθθρπψρ2cos cos sin)(3128122323)22(4--=ea Z oyxz f表1－5杂化轨道)(2122xp sspψψψ+=)2(31222xp sspψψψ+=)(2122223zp yp xp sspψψψψψ+++=xp yxdsdsp422342212121ψψψψ++=-234223432121212161dzxp yxdsspdψψψψψ-++=-表1－6分子轨道成键轨道 反键轨道Bs As s 111ψψσ+=BsAs s 11*1ψψσ-=Bs As s222ψψσ+= Bs As s22*2ψψσ-= yB p yAp yp 222ψψσ-= yBp yAp y p 22*2ψψσ+= xBp xAp xp 222ψψπ+= xBp xAp xp 22*2ψψπ-= yBp As yps 2121ψψσ+= yBp As y ps 21*21ψψσ-= yBp A s y p s 2222ψψσ+=yBp A s yps 22*21ψψσ-=2．程序功能：该程序可绘制下列三类图形：①1s 至4s ，2p 至4p ，3d 至4d, 4f 轨道的径向函数、径向密度函数、径向分布函数图形。

②所有s 、p 、d 、f 轨道和sp 、d2sp3杂化轨道的角度函数和角度分布函数图形。

③1s 至4s ，2x p 至4x p 、23z d 、223yx d-、xyd 3、24zd 、224yxd-、xyd 4、34zf 、24xzf、)22(4yxx f-、)22(4yxz f-原子轨道；sp 、2sp 、3sp 、2dsp 、32sp d 杂化轨道；s s 11±,s s 22±，xxp p 22±，yypp 22±，yps 21±，y p s 22±分子轨道中电子的几率密度等值面图。

3．使用方法本程序采用Turbo BASIC 语言编程，并已编译成可执行文件，适用于486系列微机，VGA 彩色显示器。

本软件的运行环境为MS －DOS3.30或更高版本。

三、实验所需的仪器计算机MS-DOS3.30或更高版本 四、实验步骤1.打开稳压电源开关，待电压稳定后，打开显示器、打印机和主机开关，启动程序。

2.选择适当参数，绘制径向分布，角度分布和原子轨道、杂化轨道、分子轨道等电子几率密度图各1个。

3.关掉主机和附件开关，切断电源。

五、数据处理记录所绘图形，观察各类函数的极大值、界面位置和数目以及分布情况。

六、注意事项在绘制径向分布函数和等电子几率密度图时只有选择合适的参数，才能观察到大小适当完整的图形。

七、结果与讨论1．在绘制径向分布函数、等电子几率密度图时为什么要选用有效核电荷?2．讨论有效核电荷大小对电子云及其各种分布的影响。