電子躍遷會發生空間位移嗎?

2020-12-11 科技領航人

有人認為電子躍遷會發生空間位移,那是因為他們不了解電子躍遷的本質。在兩個原子態之間躍遷的電子不會躍過任何空間。電子躍遷的想法極易引起誤解,並且常常被誤解。

首先,電子是量子物質。這樣,它既充當波又充當粒子。當作為原子的一部分結合時,電子的作用就像波,在原子中的電子散布成雲狀的波形,稱為「軌道」。如果仔細觀察一個原子的各個軌道(例如氫原子),我們會發現它們在空間中都重疊。

因此,當電子從一個原子能級躍遷到另一能級時,它實際上不會發生空間躍遷。它只是改變波的形狀。波動更大的軌道形狀包含更多的能量。換句話說,當電子躍遷到較低的原子能級時,其波形會發生變化,從而使軌道扭結變少。但是電子不會「跳」到任何地方。

原子中電子的波特性與吉他弦上的經典波動非常相似。當我們拔動吉他弦時,會激發弦中的駐波,這些駐波會發出聲音。某些弦只能承受某些類型的駐波,因為該弦的兩端都被夾緊固定在吉他上。特定弦上允許的波類型稱為「諧波」。琴弦的諧波取決於琴弦的長度、張力和密度。因此,特定的吉他弦(具有特定的長度、張力和質量)只能演奏某種類型的聲音,這是其諧波的組合。

如果我們輕輕拔動琴弦,則可以在弦上產生一個波,該波主要是較低的基本諧波(扭結很少),也可以在吉他弦上創建一個較高的諧波(有很多扭結)。如果想激發一個吉他弦的高次諧波,則需要消耗更多的能量。

此外,如果我們適當地撥動琴弦,以便強烈地激發琴弦中的高次諧波,我們甚至可以誘使琴弦過渡到能量較低的諧波。當吉他琴弦從高能量狀態轉變為低能量狀態時,吉他弦上的波動不會發生任何變化,只是波改變形狀。以類似的方式,某個原子中可能存在的離散的電子軌道組實際上是原子的諧波。電子可以通過吸收能量,並使波扭結增多,從而轉變為較高的諧波形狀,或者通過發射能量減少波的扭結而轉變為較低的諧波形狀。

在這一點上我們只要記住,原子中躍遷的電子不會從空間的一個位置躍遷到空間的另一個位置。但是我們可能仍然擔心電子會從一種能級躍升到另一種能級,從而繞過所有介於兩者之間的能態。

儘管我們在談論的是能級的躍遷,而不是空間的躍遷,但這種躍遷可能會讓我們感到彆扭。事實是,原子中的電子躍遷實際上並不是從一個能級躍遷到另一能級,而是平滑過渡。我們可能會想:「量子理論難道不告訴我們,原子中的電子只能以一定的離散能級存在嗎?」實際上,沒有。量子理論告訴我們,具有固定能量的電子只能存在於一定的離散能級上。

這種區別非常重要。「靜止能量」是指電子的能量在相當長的一段時間內保持恆定。特定原子的軌道並不是電子可以在原子中發生的唯一允許狀態。它們是原子的唯一穩定狀態,這意味著當電子在原子中沉降到特定狀態時,它必須處於一種軌道狀態。

當電子處於穩定狀態之間的過渡過程中時,它本身是不穩定的,因此對其能量的限制較小。實際上,躍遷的電子甚至沒有明確定義的能量。由於電子的躍遷,固有的量子不確定性出現在電子的能量中。電子躍遷越快,其能量就越不確定。

這種「先天的量子不確定性」不是一些形上學的奧秘,而更好地理解為波擴散到許多值上。正如電子可以散布成在整個空間範圍內延伸的波一樣,它也可以散布成在沿能量尺度的範圍內延伸的波。

如果計算此躍遷電子的能量分布的平均能量,則會發現電子的平均能量不會立即從一種能級躍升到另一種能級。相反,它在一段時間內平均從一個能級平穩過渡到另一個能級。實際上根本沒有「瞬時的量子躍遷」。

電子不會在空間中躍遷,也不會在能量尺度躍遷。實際上,「量子躍遷」一詞幾乎被科學家們普遍迴避,因為它極具誤導性。如果我們想要更好地理解原子中的電子躍遷,我們腦中一定要有這樣概念,在能量尺度上電子會沿著能級從一個穩定狀態平穩地滑動到另一個狀態。經典的原子中的電子躍遷是如此之快(通常約為納秒),所以對於人類遲鈍的感覺而言,它似乎幾乎是瞬時的,但從根本上來說並非如此。

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