在原子中,處於穩定(非過渡)原子態的電子,是靜止的嗎?

2020-12-04 科技領航人

顯然,處於狀態之間轉換的電子從一種狀態移動到另一種狀態,該狀態下的電子肯定是運動的。那麼,處於穩定(非過渡)原子態的電子會運動嗎?對於僅在原子中保持穩定狀態的電子來說,這個問題非常複雜,也非常有趣。

它會運動嗎?它是如何運動的?答案取決於我們如何定義運動,以及我們認為真正真實的電子形式。

問題在於,電子不是一個實心小球,電子是量子物體。這樣,電子是部分粒子狀和部分波狀的,但實際上電子更複雜,既不是簡單的波也不是簡單的粒子。電子由概率量子波函數描述,該函數在空間中擴散並振動,但仍具有某些離散特性,例如質量。當以穩定狀態結合在原子中時,電子波函數擴展為某種稱為「軌道」的形狀。軌道不包含電子,也不描述圍繞它運動的小電子的平均位置。相反,軌道是電子。

當電子以穩定狀態被束縛在原子中時,電子的行為通常像振蕩的三維波,即軌道振動。這有點像振動的吉他弦,當您拔出吉他弦時,弦會顫抖,這就是產生聲音的原因。從科學上講,我們可以說您激發了弦中的駐波。在你拔動琴弦時,琴弦沒有離開吉他,它被固定在吉他架子上,從這意義上來說,琴弦沒有移動位置。

但是,吉他弦在您彈奏時會產生振動。如果在彈奏的琴弦上選擇一個位置並仔細觀察,它肯定是從空間中的一個位置反覆移動到另一個位置。通過拔動琴弦,您可以將手臂中的化學能轉換為琴弦中的彈性能。鬆開時,當弦線突然彈起並開始振動時,彈性能便轉換為動能。整個弦隨時間平均的總動能為零,因為相對于吉他,整個弦沒有發生位移。但是在給定的時刻,弦的任何一小部分的動能都不為零。這樣,彈撥的吉他弦會經曆局部運動,而不是整體運動。

處於原子軌道狀態的電子的行為有點像彈撥的吉他弦。它以振動的三維雲狀波函數散布。電子波函數振動的頻率與電子的總能量成正比,高能原子態的電子振動更快。因為電子是具有波狀性質的量子物體,所以它始終以一定頻率振動。

只有破壞電子的振動頻率,使其振動頻率為零時,電子才會停止振動。在原子中,當電子被吸進原子核並參與稱為電子捕獲的核反應時,就會發生這種情況。考慮到所有這些因素,處於穩定原子態的電子不會像球形行星繞著太陽的軌道那樣,在圓滑的原子小球中移動,因為電子會以波的形式傳播。此外,從空間波動的意義上講,處於穩定原子態的電子不會移動。但軌道電子確實會隨著時間的振動而運動。

圖註:氫中電子波函數的數學圖,清楚地顯示其振動運動。左右兩個圖分別顯示單個氫原子基態中的單個電子。中間的兩個圖顯示了兩個可能的基態,當兩個氫原子被結合到氫分子中時,電子波能可以產生。每個紅點顯示原子核的位置。在每個圖中,藍色曲線/粉紅色曲線對顯示單個電子的兩個不同的波函數分量。請注意,這些圖顯示了三維軌道的一維剖面。但是,事實比這張簡單的圖片要複雜得多。量子理論中有兩個描述電子的東西:電子的量子波函數和電子的量子波幅度平方函數。(「幅度平方」只是意味著您丟棄相位因子(如負符號),然後再平方。例如,負3的幅度平方為 9。)有趣的是,實驗只能直接測量電子幅度平方函數,但是我們需要原始的波形函數才能預測許多實驗的結果。因此,有人說電子幅度平方函數是唯一的真實實體,而原始的波函數本身只是數學上的支撐,因為我們的理論不夠精巧完美。

電子波幅度平方函數是真實的物理實體,還是原始波函數是真實的物理實體?這個問題實際上是哲學問題,而不是物理問題,因此,在此我將不再討論這個問題。對於科學家來說,我們更關心方程與實驗匹配。

那麼,這與原子中的電子有什麼關係呢?關鍵是原子中的電子的原始波函數會振動,但將波幅度平方函數證明電子是不振動的。實際上,物理學家稱穩定原子太中的電子為「靜止態」,因為波幅度平方函數在時間上是恆定的。如果您將原始波函數視為真正的物理實體,那麼原子中的電子會經歷振動形式的運動。

如果您將波幅度平方函數視為真正的物理實體,則認為原子中的電子不會振動,也就是說電子在原子中不運動。我認為第一種選擇更有意義。您可以從數學上證明某些原子狀態的電子包含角動量(即旋轉動量)。我們很難理解原子中的電子包含角動量的說法,更難理解原子中的電子會處於靜止態。

因此,我更傾向於將原始波函數視為真正的物理實體,因此原子中的電子會經歷振動形式的運動。但是,又有人會問,「到底是怎樣的?」 這是一個哲學問題,在科學中並不重要。底線是處於穩定原子狀態的電子的原始波函數經歷振動運動。

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