电子可以相对原子核静止不动嘛?

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11个答案
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LePtC物理学博士生

2014-02-24 21:59

回答比较长,在最前面补充一个提纲:

1. 回答的第一段讲了围绕原子核的电子云本来就是静止的
2. 顺便回答了一下我对电子的能量的存储形式的理解
3. 回答的第二段讲了要是想构造出行星一样运动的波包也是可以的
4. 所以不要黑卢瑟福的行星模型…
5. 也不要黑薛定谔的数学水平…


[2015.01.19 更新]
最近看到一个和这个相关的问题,对那下面的回答都不太满意,然后有人挖了一下这个回答的坟,于是偶决定来把这个回答补充一下~

首先从原子的行星模型说起吧,卢瑟福观察到有些α粒子被大角度散射,所以判断原子大部分是很空旷的,只在中心很小的一点有个原子核。这个模型相比于那个时代的实心球啦,葡萄干模型等,已经是人类对微观粒子认识的一次重大进展,所以你萌不要再黑他了…

这个模型存在一些问题,比如根据经典电动力学,电子会由于同步辐射损失能量,没能量了就掉进原子核啦。卢瑟福搞不定这个问题,把课题扔给他的学生玻尔。有一天玻尔看到了氢原子光谱的巴耳末公式,给了他轨道是分立的灵感,就提出了原子的玻尔模型。

在玻尔的模型中,确定电子的轨道时用到了一个很重要的性质,那就是电子的德布罗意波要绕一圈形成驻波,正是这一周期边界条件的要求导致了轨道分立。我们知道驻波是两束动量相反的波叠加的结果,所以在这个模型中,电子有动量(因此存储有能量),但没速度(群速度为零)

后来人们建立了量子力学,氢原子是为数不多的能够精确求解的体系之一,氢原子基态的波函数为

(偶不造读者里面有多少学量子力学的,不感兴趣的读者可跳过这段)
量子力学中是有“速度”的概念的,那就是概率流 除以概率密度 。如果你学过 这个东西你就会一眼看出来,对空间求导导不出虚部来,因此对于氢原子基态概率流为零,这也是定态之所以称为定态的原因。

所以,到初等量子力学为止,人们对原子核外的电子的理解就是一团静静的概率云,概率的空间分布不随时间变化~


(以下内容是写给想学点干货的童鞋看的,觉得看懂有困难的童鞋可以只看个结论)

量子力学是兼容经典力学的。例如取量子力学公式中的 ħ 为零,就会退化到经典力学的公式。量子态的观测平均值是确定的,对应经典力学所预测的值。这方面最厉害的要数一种叫作相干态的量子态,这种态无论是在位置空间中看还是在动量空间中看,都是一个高斯型的波包,波包的中心和经典谐振子的运动完全一致,而且波包的宽度始终是在不确定度原理的要求下最小的宽度,所以被称为“最像经典态的量子态”。

那么问题来了,我们能不能在氢原子体系中构造出这样的波包,来模拟电子绕原子核的运动?上面说的那个相干态,实际上是谐振子不同能级的波函数按泊松分布叠加的结果。利用前面我们解出的氢原子的一系列本征态,能不能也这样叠加出一个波包来呢?

这个问题薛定谔在上个世纪就研究过了,因为相干态最早就是他发现的…这个问题他研究了三年时间,然后说遇到了极大计算上的困难就放弃了 (╯‵□′)╯︵┻┻ 。今天我们知道,答案是可以,但随着时间推移,波包会扩散

这里顺便再对我之前传播子的那个回答做个补充,不感兴趣的自行跳过。自由空间的传播子是这样的:

熟悉正态分布的童鞋一眼就可以看出来,正态分布的方差是和时间成正比的,因此波包会扩散。(你们看俺说的这么轻松,实际上俺是在用现代的武器来讨论前人的工作,当时的人们并不知道这些,所以真的不要黑人家…)

今天我们知道,像相干态那样乖乖不会扩散的波包,只存在于能级等间距的体系。所以要想模拟电子在氢原子体系中的波包,只能利用很高激发态的能级,这里的能级可以近似等间距,这种原子也被称为里德伯原子

接下来就是这篇回答最精彩的部分了:开普勒椭圆轨道波包。构造这个波包需要用到高级工具 Runge-Lenz 矢量,也是难为人家薛定谔了…这个波包可以像行星一样按照椭圆轨道运动,然而量子力学的效应会使它发生弥散,同时还会发生分数恢复,整体恢复等精彩的量子力学现象~


如图,定域波包沿开普勒轨道传播,然后扩散开来,但会在分数倍的周期时间时恢复出若干个小波包出来,波包恢复的时刻就像嵌在实数中的有理数一样

(我上传的图片似乎被截短了,如果图片不完整请访问来源网站查看完整 gif)

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不知道lz的”相对不动“是何解,位置不变么?

如果把测不准原理用在这里的话,那应该是不行吧。

对了,绝对零度的时候,粒子不是不动了么,那测不准在这时怎么办?

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微观世界抑或宏观世界可能超出了理论边界,数学家挖的坑,物理学来填啊

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Heat0nData Science小学生

2015-01-21 12:58

如果你能看到它的话。。。

按照哥本哈根派的理论,你“观察”到这个电子的瞬间,它的波函数(薛定谔大神推导出来的,虽然他自己都不知道这个是什么东西。)

就坍缩了,之前出现的位置是不定的,现在在你“观察”到的位置出现的概率为100%了。。。

鉴于“测不准原则”,你“观察“到的电子其实已经失去了很多特性了,位置q越确定,动量p就越不确定,总之,你得不到你想要的”完整“电子

多元宇宙,MWI什么的最讨厌了

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楼主这样想像对了。

真实的原子,电子是静止不动的。准确说是准静止, 高于绝对零度有在静止点(面)附近随机热运动。

波尔模型是错误的。错的离谱。

电子云模型还好,但电子云其实是热运动轨迹。电子还是准静止的。

http://blog.sciencenet.cn/blog-3245787-1059253.html

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对于这个问题尤其要以氢原子为例来说明。首先要搞明白为什么电子要围绕原子核旋转,电子这么做的动机是什么-----单纯对电子而言它是想获得能量维持生存但实际结果电子似乎是身不由己,因为它的轨道是固定的这导致电子既不能离开也不能靠近原子核,那么电子存在的意义又在哪里呢。其实对原子结构的理解上如果搞透了那么所有的问题就都迎刃而解了-----我的观点是第一氢原子是宇宙奇点爆发后能量储存的一个基本单位。第二原子在结构上之所以把绝大部分能量储存在原子核中又分离一个电子在周围运动,这说明原子生成的结构不完美有缺陷,那么它只有通过与自身以外的能量进行交换才能繁衍,释放一个电子就是为了与外界交流做准备。第三原子核与电子之间的空间既说明了原子核具有能量也说明了该能量影响电子的范围,与其说电子具有固定的轨道还不如表述原子核具有固定的影响范围。第四电子围绕原子核不停的旋转说明该原子具有活性,也说明常态下原子的能量在逐步的衰减。综上所述如果电子相对原子核静止不动,那也就意味着该原子已经不存在了。

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刚刚看了一下,好多人踩我。。。现在修改一下答案。。。高中上完以后没再学过物理了。。。2014年刚上大一,因此还有点儿印象。记得教科书上写的是电子以电子云的形式在原子核周围成概率分布,还有一个实验证明。教科书还科普了一点相对论,把四维时空写了进去,个人理解的是每个物体都有自己的时间轴,电子跟人的大小不在一个数量级上(杨振宁的实验不是得出结论电子小到不可测量么),每一个物体所存在的时空都不一样,电子和观测者的时空差别更大,运动方式也和观测者经验中的运动形式也不一样。爱因斯坦作为前期量子力学的支持者到后期不也是一直反感量子力学么,还说上帝不会掷筛子。。。那么问题就来了,这正是上世纪旷日持久的一场争论战,随机性到底是不是客观世界的一个根本性质?因为我只知道电子云,我就说这个,我不喜欢电子云的提出,把概率引入到物理学中来,因为概率是研究事件的结果的,物理是研究物质运动规律和结构的,对于规律的研究更注重的是运动过程,如果像电子云一样简单的把电子运动产生的现象归纳起来作为一种新的运动方式——概率运动,个人认为是不合适的。所以,电子的运动方式是怎样的,我们还不清楚,也就是说允许电子相对原子核静止的理论还未出现,而且也没有人能从实验的角度使电子静止。回答完毕!!

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电子围绕原子核一直在做高速的圆周运动,期间会因为能量的吸收和释放而产生跃变!

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