原子的本质是什么样的?我们一直都搞错了

subtitle 老胡说科学 10-19 17:10 跟贴 431 条

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我们很多人都知道原子是什么,即质子和中子结合在一起形成原子核,电子绕着原子核转。如果我们要拍一张原子的照片,这是我们会看到的吗?还是我们弄错了?

在过去的100年里,我们对原子的理解发生了巨大的变化。从卢瑟福对原子核的实验到中子的发现,我们已经发现了构成宇宙的基本元素的本质。但是,几乎我们所有的学生都被教导原子大多是空的,只有稠密的核和微小的电子在不同的能级上绕轨道运行。

但这幅图是错误的,主要是因为电子不是点状粒子。电子比这“模糊”得多,他们很难确定。这是由于它们的“量子波函数”,即它们作为概率场而不是单个粒子存在。这听起来很奇怪,让我解释一下。

假设有一个单独的电子,附近没有原子或者电磁力作用于它。电子的“位置”就是它最有可能的位置,离这个点越远,电子在那里的指数概率就越小。概率降低的速率被称为粒子的量子波函数。

这就意味着一个电子有非常非常小的机会在宇宙的一边出现,然后又立即出现在另一边。然而,这种可能性是如此之小,几乎永远不会发生。

你可以说电子以某种方式不断消失和再现,这意味着它创造了这个概率场(这是对电子云的常见解释)。但正如双缝实验所显示的那样,这并不完全正确。

双缝实验使用光子或电子的原理是相同的。光子也不以点状粒子的形式存在,而是以概率场的形式存在。该实验将单个光子/电子通过屏幕上两个非常紧密的狭缝,然后让光/电子束照射到另一个屏幕上。一次一个!

粒子

它们快速连续地完成这个过程,所以你会得到一股单光子/电子流通过双缝。然后,它们在屏幕上的所有位置都被记录下来,这样你就可以从第二个屏幕上读出它们的分布情况。

如果这些粒子是点状粒子,你就会期望在屏幕后面看到一个不间断的亮斑。这是因为粒子必须穿过一个或另一个狭缝,因此它们没有东西可以相互作用。

但你根本看不到这个,相反,你会得到一个像下面这样的干涉图案。

双缝干涉图

这是因为粒子的量子波函数实际上穿过两条狭缝,使其建设性地和破坏性地干扰自身,如下面的GIF所示。


这一切听起来又很奇怪,就像量子物理学总是看起来一样!

让我们从一开始解释一下。当一个电子或光子从你身边经过时,由于它的量子波函数,我们不会把它看作点状粒子。相反,它通过更像一个波,因为发现它的概率逐渐增加,然后减少。这意味着这些粒子实际上起着波的作用(其波长由量子波函数决定,因此得名)。

就像波一样,它们可以相互干扰。所以,如果在波峰和波谷交汇的地方有两束粒子,那么你会看到双强信号的相长干涉。但如果波峰和其他波谷排列在一起,就会产生相消干涉,信号就会完全抵消。如下图所示。


这就是在双缝实验中看到的干涉图案的原因,即使只有一个光子/电子。量子波函数通过两个狭缝,作为波,而不是粒子,有效地使同一粒子产生两种波!

这表明我们不能把电子看成点,它们占据了一个模糊的概率区域。那么这对原子意味着什么呢?这些单个电子的整齐轨道是错的吗?我们在化学课上学到的不同能级的轨道呢?这一切都错了吗?

让我们把它分解,让它变得简单。让我们从电子在原子周围的样子开始,然后是不同的能量轨道,最后是原子的样子。

那么,一个模糊的原子绕轨道运行的概率是怎样的呢?还记得导致干涉图案的电子波长吗?这里也发生了同样的事情,它只是缠绕在原子上。

电子仍然被电荷附着在原子核上,这部分还是一样的。只不过,原子扭曲了电子概率场的形状,而不是围绕原子核旋转。这实际上意味着电子将它的量子波函数包裹在原子核周围。

电子和原子核之间的距离可以是非常近的,也可以是非常远的,或者介于两者之间的任何地方,而不是一个非常整齐的轨道。在原子周围有一团模糊的电子概率云,这就是电子云。


那么所有的能级呢?他们和我们高中教的一样吗?对于那些已经忘记的人补充说明一下,原子有不同的能量“壳层”,电子可以围绕它运行。如果原子有更多的能量,那么电子就会在能量更高的外层轨道上运行。

你可能已经猜到了,这不可能是真的。如果电子没有固定的轨道距离,那么就不能有不同的能级。能量壳的真相比我们想象的任何东西都要美丽得多。

这些壳层不是同心壳层,而是电子云的复杂气泡。电子云的不同气泡相互作用,这推动它们形成许多美丽而奇异的形状,如下图所示:

虽然这些都是模拟,而不是图像,但它显示了原子怪异的气泡般的模糊性质。它们被复杂的电子云所包围,这些电子云相互作用,形成美丽的、对称的和奇怪的形状。

但是这些轨道的形状可以随着不同的能级而改变,正如上面的图片所示。不同电子的量子波函数可以彼此协调,因为不同的电子吸收更多的能量并改变它们的量子波函数。这意味着像氢原子这样的简单原子可以拥有所有这些不同的电子云模式,从而产生不同的能级并改变原子的外观。

正是这些奇形怪状的电子云赋予了化学键形状。每一个都是元素形成键的连接点。对于一个形状像三叶草的电子云,有四个连接。你可以建立一个直的连接,也可以建立一个弯的连接。

所以如果你能给一个原子“拍照”,你会看到什么?

你会看到这些模糊不透明的形状,有些更像球形,有些更复杂,就像万花筒里的一个原子。一些原子在形成化学键的时候会共享这些电子云,就像握着手的原子一样。但最重要的是你会看到模糊的本质,这些是美丽的,对称的,但最终不是很整齐的物体。

所以下次有人说原子大部分是空的空间,你可以纠正他们,说它们实际上被电子云填满了。

现在你知道了原子是什么样子的了,这和我们通常对它们的理解有很大的不同。但是,这个模糊的球体给了我们一个令人难以置信的美丽的原子尺度的世界,复杂的对称形状看起来几乎像花朵一样。它显示了美在自然界和宇宙中是多么根深蒂固。

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