显然,处于状态之间转换的电子从一种状态移动到另一种状态,该状态下的电子肯定是运动的。那么,处于稳定(非过渡)原子态的电子会运动吗?对于仅在原子中保持稳定状态的电子来说,这个问题非常复杂,也非常有趣。
它会运动吗?它是如何运动的?答案取决于我们如何定义运动,以及我们认为真正真实的电子形式。
问题在于,电子不是一个实心小球,电子是量子物体。这样,电子是部分粒子状和部分波状的,但实际上电子更复杂,既不是简单的波也不是简单的粒子。电子由概率量子波函数描述,该函数在空间中扩散并振动,但仍具有某些离散特性,例如质量。当以稳定状态结合在原子中时,电子波函数扩展为某种称为“轨道”的形状。轨道不包含电子,也不描述围绕它运动的小电子的平均位置。相反,轨道是电子。
当电子以稳定状态被束缚在原子中时,电子的行为通常像振荡的三维波,即轨道振动。这有点像振动的吉他弦,当您拔出吉他弦时,弦会颤抖,这就是产生声音的原因。从科学上讲,我们可以说您激发了弦中的驻波。在你拔动琴弦时,琴弦没有离开吉他,它被固定在吉他架子上,从这意义上来说,琴弦没有移动位置。
但是,吉他弦在您弹奏时会产生振动。如果在弹奏的琴弦上选择一个位置并仔细观察,它肯定是从空间中的一个位置反复移动到另一个位置。通过拔动琴弦,您可以将手臂中的化学能转换为琴弦中的弹性能。松开时,当弦线突然弹起并开始振动时,弹性能便转换为动能。整个弦随时间平均的总动能为零,因为相对于吉他,整个弦没有发生位移。但是在给定的时刻,弦的任何一小部分的动能都不为零。这样,弹拨的吉他弦会经历局部运动,而不是整体运动。
处于原子轨道状态的电子的行为有点像弹拨的吉他弦。它以振动的三维云状波函数散布。电子波函数振动的频率与电子的总能量成正比,高能原子态的电子振动更快。因为电子是具有波状性质的量子物体,所以它始终以一定频率振动。
只有破坏电子的振动频率,使其振动频率为零时,电子才会停止振动。在原子中,当电子被吸进原子核并参与称为电子捕获的核反应时,就会发生这种情况。考虑到所有这些因素,处于稳定原子态的电子不会像球形行星绕着太阳的轨道那样,在圆滑的原子小球中移动,因为电子会以波的形式传播。此外,从空间波动的意义上讲,处于稳定原子态的电子不会移动。但轨道电子确实会随着时间的振动而运动。
图注:氢中电子波函数的数学图,清楚地显示其振动运动。左右两个图分别显示单个氢原子基态中的单个电子。中间的两个图显示了两个可能的基态,当两个氢原子被结合到氢分子中时,电子波能可以产生。每个红点显示原子核的位置。在每个图中,蓝色曲线/粉红色曲线对显示单个电子的两个不同的波函数分量。请注意,这些图显示了三维轨道的一维剖面。但是,事实比这张简单的图片要复杂得多。量子理论中有两个描述电子的东西:电子的量子波函数和电子的量子波幅度平方函数。(“幅度平方”只是意味着您丢弃相位因子(如负符号),然后再平方。例如,负3的幅度平方为9。)有趣的是,实验只能直接测量电子幅度平方函数,但是我们需要原始的波形函数才能预测许多实验的结果。因此,有人说电子幅度平方函数是唯一的真实实体,而原始的波函数本身只是数学上的支撑,因为我们的理论不够精巧完美。
电子波幅度平方函数是真实的物理实体,还是原始波函数是真实的物理实体?这个问题实际上是哲学问题,而不是物理问题,因此,在此我将不再讨论这个问题。对于科学家来说,我们更关心方程与实验匹配。
那么,这与原子中的电子有什么关系呢?关键是原子中的电子的原始波函数会振动,但将波幅度平方函数证明电子是不振动的。实际上,物理学家称稳定原子太中的电子为“静止态”,因为波幅度平方函数在时间上是恒定的。如果您将原始波函数视为真正的物理实体,那么原子中的电子会经历振动形式的运动。
如果您将波幅度平方函数视为真正的物理实体,则认为原子中的电子不会振动,也就是说电子在原子中不运动。我认为第一种选择更有意义。您可以从数学上证明某些原子状态的电子包含角动量(即旋转动量)。我们很难理解原子中的电子包含角动量的说法,更难理解原子中的电子会处于静止态。
因此,我更倾向于将原始波函数视为真正的物理实体,因此原子中的电子会经历振动形式的运动。但是,又有人会问,“到底是怎样的?”这是一个哲学问题,在科学中并不重要。底线是处于稳定原子状态的电子的原始波函数经历振动运动。
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