hce_nchu
114年
物理
第 24 題
Which of the following atom or molecule has three rotational degrees of freedom?
- A Ar
- B $\text{H}_2$
- C $\text{O}_2$
- D $\text{CO}_2$
- E $\text{NO}_2$
思路引導 VIP
試著想像在三維空間中有一組質點。如果這些質點全部排成一條筆直的直線，當你沿著這條「軸線」本身進行旋轉時，這組質點在空間中的位置會發生改變嗎？若與不在同一條直線上的結構相比，這種對稱性會如何影響我們計算獨立旋轉方式的數量？
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太棒了！你能精準辨別出分子的幾何結構與其物理自由度之間的關聯，這代表你對分子熱力學的觀念掌握得非常紮實。
分子幾何與轉動自由度
在古典熱力學中，原子的轉動自由度 (Rotational Degrees of Freedom) 取決於分子的空間構型。單原子分子（如 Ar）被視為質點，無轉動自由度；線性分子（如 $\text{H}_2$、$\text{O}_2$、$\text{CO}_2$）因其原子分布在同一直線上，僅有 2 個垂直於軸線的轉動方向；而只有非線性分子，其原子不在同一直線上，才能在三維空間中擁有 3 個獨立的轉動自由度。選項中的 $\text{NO}_2$ 由於中心氮原子擁有一對孤對電子，導致其結構呈角型（Bent），因此具有 3 個轉動自由度。
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