您的位置: 小萌情感小站 > 读书

小小的原子中蕴含着无穷的奥秘,原来电子的运动是一朵神奇概率云

2019-10-05来源:小萌情感小站

量子讲堂第十六期:在小小的原子中其实蕴含着无穷的奥秘,原子核外围的电子运动并非受规律支配,而是一朵神奇的概率云

在19世纪末,随着物理学的发展,物理学的研究领域开始偏向于微观粒子领域,通过大量的物理实验,物理学家们发现了原子并非是组成物质的最基本的粒子,原子的中心还有一个原子核,原子核的外围还有电子围绕其运动,不过随着对于原子研究的深入,物理学界发现原子内部并非像宏观物质运动那样简单,原子内部的运动其实是一个全新的世界。

经典力学下诞生的原子模型:太阳系模型

在19世纪末、20世纪初,物理学界一度认为现有的牛顿经典力学与麦克斯韦电磁理论可以解释所有的问题,于是对于原子的内部构造,物理学家也根据经典力学物质运动的角度提出了一个经典模型:原子的中心是一个由带正电的质子与呈电中性的中子组成的原子核,在原子核的外围是电子以原子核为中心在特定的轨道做规律的圆周运动,这个原子模型与天文学中的太阳系天体模型十分相似,我们可以将原子核想象成太阳,将电子想象成太阳系中类似于地球、火星这样的行星,行星在特定的轨道围绕太阳转,电子在特定的轨道围绕着原子核转,这种原子模型看起来十分完美,将宏观世界的规律应用到微观粒子的运动中也是成立的,但这个问题从理论上就存在一个致命的硬伤,那就是经典力学与麦克斯韦电磁理论矛盾。

小小的原子中蕴含着无穷的奥秘,原来电子的运动是一朵神奇概率云

电子带有负电,并且以接近光速的速度围绕着原子核做圆周运动,那么问题来了,圆周运动是变速运动,所以电子在高速运动的过程中就会不断地向外释放电磁波,那么电子的能量就会随着电磁波的释放而越来越小,随着电子能量的不断减少,电子最终会坠落到原子核上,整个原子的结构就崩塌了,所以从理论上来说,这个原子核模型就是不成立,从现象上来说,这个经典原子核模型也无法解释实验中氢原子光谱分布的问题,经典力学在微观领域受到了严重的挑战。

小小的原子中蕴含着无穷的奥秘,原来电子的运动是一朵神奇概率云

玻尔原子模型的提出:首次将量子概念引入原子构成问题

基于经典原子模型的缺陷,丹麦物理学家玻尔首次使用刚刚被德国物理学家普朗克提出的量子概念来解释原子结构问题,玻尔在原有通过经典力学建立的原子模型的基础上加入了量子化的定态和跃迁这两种概念,玻尔认为电子只能在几条特定的轨道上做圆周运动,距离原子越近的电子轨道,其电子的能量越高,电子在特定轨道上做圆周运动并不会吸收或者释放能量,即定态,当电子受到外界刺激的时候,电子会从本轨道释放或者吸收光子,然后跃迁到相应的轨道上, 跃迁这种行为并不是经典力学可以描述的,跃迁不是指的电子从本轨道移动到轨道,而是一种跳跃式的变化,在一瞬间发生的行为,我们可以将它理解成是电子释放或吸收光子之后的瞬间移动。

小小的原子中蕴含着无穷的奥秘,原来电子的运动是一朵神奇概率云

玻尔原子模型使用量子化的概念很好的解释了氢原子光谱的问题,但虽然存在着一个缺陷,那就是特定的轨道、电子的圆周运动仍然是经典力学的范畴,波尔提出的原子模型本质是半经典、半量子的。

量子化的原子模型:一朵神奇的概率云

后来随着量子力学的发展,人们对于原子结构的理解也发生了很大的转变,因为一切的微观粒子都具有波粒二象性,即粒子与波的矛盾结合体,所以电子的运动根本没有特性的轨道与图像,根据测不准原理(不确定性原理),我们也不可能同时准确测量出电子的速度与位置,我们也无法将电子的运动图像化,所以我们无法通过公式去准确计算中电子在某一时刻的位置与速度。

小小的原子中蕴含着无穷的奥秘,原来电子的运动是一朵神奇概率云

那量子力学是不是意味着一切的微观粒子运动都是未知的、无法确定的呢?

小小的原子中蕴含着无穷的奥秘,原来电子的运动是一朵神奇概率云

从理论上来讲是这样的,一切的微观粒子都具有不确定性,所以我们无法在不观察的情况计算出微观粒子的实际情况,虽然微观粒子的这种特性使经典力学在微观领域完全失效,但物理学家可以使用微观世界的经典力学:薛定谔波动方程,即波函数去计算微观粒子运动的概率,那就是说:虽然我们不能将微观粒子的运动图像化,但我们可以使用波函数去描述微观粒子在空间中各处出现位置的概率,空间中概率大的地方意味着微观粒子有很大机会在此处出现,概率小的地方意味着微观粒子在此处出现的机会很小,所以使用量子力学的角度去看待电子运动,那么电子的运动就变成一朵各处密度不同的概率云,我们将其称为电子云。

本文由小萌情感小站整理,内容仅供参考,未经书面授权禁止转载!图片来源图虫创意,版权归原作者所有。

相关阅读