现实中将电子加速到光速非常困难,但在原子中,电子时刻以光速绕原子核运动。它的能量来自哪里?为什么能持续?难道这种运动不消耗能量?

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12个答案
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松鼠老孙天文学博士,出版社编辑,科学松鼠会成员

2015-01-13 17:11

实际上,由于不确定性原理(测不准原理),速度在这里已经失去了意义,你没法说原子内电子的速度是多少。速度只是玻尔模型里与经典物理理论相衔接的说法而已,主要还是为了说明能量分立值。

在量子力学里,就要考虑经典的概念到了这里是否还适用。比如运动如何持续,运动消耗能量,这都是经典宏观现象(地球上的,太空里就不),甚至可以说是亚里士多德时代的观念了。

物理理论有几个层次,有的告诉我们是什么样,比如开普勒行星运动定律,有的告诉我们动力学机制,比如牛顿的引力理论,有的则探讨作用本质,比如进一步的引力论,对引力子的寻找等等。物理学首先重要的是观察,而观察到的结果,无论多么难以接受,都只能再检验,或者承认,它们可能一时确实没有简单解释的。

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fengfeixue0219植物分子生物学博士

2015-01-13 19:55

首先,正如@松鼠老孙 所说,由于电子的波动性,原子核周围的电子实际以概率云形式存在,因此在原子级别讨论电子具体的“速度”是没有意义的。不过仍需要指出的是,即使通过德布罗意方程通过电子的波长推算出电子的“速度”,这个数值也是远小于光速的,不知道你问题中所谓“电子时刻以光速绕原子核运动”是怎么推算出来的。事实上,用古典的库仑力-向心力平衡近似估算电子的“绕核速度”,其速度也大约为2.2×10^5m/s,远不及光速的3×10^8m/s.

另外,这个所谓的电子“绕核速度”,只有在压力极大增加、原子受到挤压时才会增加,其更准确的表述是电子波长的减小。白矮星内部电子波长被极度压缩,这时电子的“速度”才会接近光速,以产生足够强大的电子简并压来抵抗重力。


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x-cat物理学本科在读

2015-01-14 19:39

撸主把一个完全错误的说法言之凿凿的表达出来,怎么做到的

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我很同意@孤胆侠猫 的说法,首先揣测一下题主一定是被课本上的示意图迷惑了。

实际上,楼上一些大神回答的非常正确,但却让题主比较难接受。我在这要特别肯定一下题主提得问题相当好。尤其是从一个学生的角度,你思考到了我们上学的时候不一定想到的问题。

如果原子的结构是如课本中所说的结构,那么能量从哪来?如果不能解释这个问题,说明那个是示意图,而不是实际情况,那么实际情况是怎么样的呢?

接下来就要用到楼上的大神的回答了:实际上,并没有经典力学意义上的“速度”而是量子级特有的形式:概率云。其他的部分请参考大神的回答。

虽然我不是学这个的,也不能准确的描述实际情况,但我还是要站出来说一下,不要嘲笑他的问题。这个问题提的真的很好。

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现实中将电子加速到光速非常困难,但在原子中,电子时刻以光速绕原子核运动。

首先电子静质量不为零所以达不到光速,但把它加速到光速的数量级(例如0.5倍光速)是可行的,相应的动能也跟电子静质量所对应的能量500keV处于同一数量级。照理说在真空中用500kV的直流高压加速就行了吧?不过这比家用CRT显示器/电视机里的高压还是高了两个数量级,估计需要专业设备了。

在原子中,电子的动能取决于核电荷大小、它是外层还是内层电子。重元素(比如铀)的内层电子的动能好像还是很大的(当然因为电子是全同粒子,有多个电子存在时说哪个电子如何如何比较麻烦,可以先考虑一个铀原子核周围只放一个电子并使其处于最靠近原子核的1s量子态的情况),相应的速度在数量级上跟光速相差不太远;而像氢原子里的电子,动能就只有若干eV了,相应的速度在100km/s的数量级,日常生活中也有很多地方(比如电子线路里)会把电子加速到这个速度吧。

有人说在量子力学里讨论电子速度没意义,我觉得应该这么看。拿处于核电场中的单个电子为例,整个系统(本例中就是一个电子,可暂时不考虑原子核本身的运动和核电场的量子效应)必处于某个确定的量子态,这也就对应于经典物理视角下电子的轨道参数(轨道高度、轨道平面、离心率、初始位置等),可完全描述电子的运动过程。不过,经典物理中有了轨道参数,电子在每个时刻的位置、速度等都可以完全确定,而在量子物理中,一个量子态所对应的给定时刻位置、速度一般不是一个确定的值,如果测量的话,结果会有一个概率分布,有些量子态可能在某一时刻有确定的位置(也就是说上述概率分布在某位置的概率为1而在别处为0),但速度就不确定了,其它时刻的位置和速度也不确定。所以说某个量子态下电子在某时刻的准确速度是没意义的,就跟说一个0-1分布随机变量的值是0还是1没意义一样,但求数学期望和方差之类则是可以的。速度是个矢量,直接求期望的话很可能会被平均掉,所以会去求速度大小平方的期望(再开方的话就得到了均方意义下的平均速度),这个是有明确定义的,其实跟动能的期望也差不多了。

它的能量来自哪里?为什么能持续?难道这种运动不消耗能量?

其实这些在经典物理里也一样可以理解吧。你让几乎静止的电子从远处落入某个原子核的电场,随着距离慢慢接近、电势能转化为动能,电子的动能也可以很大。当然这样的话电子后来还是会再度远离原子核,最后形成一个离心率很大的椭圆轨道,就像绕太阳运行的彗星一样。真要形成圆轨道的话,反而还需要在电子很靠近原子核的时候,设法把它的动能(和总能量)降低一些。

当然,在经典物理中,电子这样做圆周运动(因为是加速运动)一定会发射电磁波而损失能量,不可能一直沿同一轨道运行,而量子力学说明不一定会这样,永远保持同一轨道也是可能的,也就是说某些量子态(例如1s)下电子动能、离核距离的数学期望可以不随时间而变化。(不过涉及到辐射的话是不是要考虑QED了……)

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支持者: question1 完美宝石

看了这个题目,我感觉其实楼主想表达的是原子里电子持续围绕原子核运动,所消耗能量是哪来的?是这个意思吧??应该是被学校里画原子结构的时候一圈圈的电子轨道给误导了~另外,在现在的物理学领域,我们只能努力追求接近光速,一旦我们可以控制的无论大小的任何东西(只能用东西表达,不一定是物体,也可能是能量上的一些数据)能够达到光速,在物理学界将会造成一个无以伦比的巨大的进步,对科学的发展和人类的进步影响恐怕是空前的~

PS:看到这个问题,为什么我首先想到的是高大上的空气钟呢??

PS(补):我以前也想过类似的问题,如果大爆炸开始宇宙诞生的话,那么不管什么情况,各种阻力和引力互相影响,应该更趋于能量的平衡,也就是说再无限长的时间流里,最终所有的星体都会静止下来维持一个很精妙的平衡,但是就我们目前的观察,这种情况无论何种情况下都还没发生,因为星球自身产生的能量干涉了宇宙间的阻力,把一个原子想想成一个太阳系,原子核是太阳,其中一个电子是我们的地球,我们不断的围绕太阳公转,几乎在人类从诞生到灭亡,都不会改变轨道,而维持这个平衡的能量是从哪来的呢??我们的星球几乎每时每刻都在由于其他小行星的渣渣而增加忽略不计阻力,电子也是一样,肯定还是会有各种我们还无法观察的更小的东西干扰着他们,然而他们还会以稳定的能量维持固定的运动方式,这究竟是为什么呢?

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支持者: Mrtn

估计楼主是把自旋和轨道弄混了,PS:这里轨道也不准确 至于自旋本来没有经典概念能对应 是纯量子力学概念 不存在自转速度的对应 历史上是有过关于自旋磁矩对应的自转速度超光速的争论

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覃拈并不叫谭粘,武汉大学高能物理

2015-01-16 23:16
支持者: xiphor

楼主能想到这个问题,值得鼓励。

卢瑟福当年提出原子的太阳系模型的时候,该模型受到的责难就包括你说的这个问题。按照经典理论,作圆周运动的带电粒子会不断地辐射出能量,它自身能量降低,它的“轨道”会因此不断降低,直至掉到原子核上,造成原子不稳定。而我们观测到的原子却是稳定存在的。

为此,卢瑟福的学生波尔提出了轨道量子化和角动量量子化的概念,意思是,当电子在特定轨道上绕原子核转的时候,它不辐射能量,也不需要额外提供能量,就能够在特定轨道转。当它吸收一定值的能量时,则跳到更高能量的轨道;反之,电子也能放出一定值的能量,跳到低能量轨道。吸收或放出的能量是以光子的形式存在的。电子的轨道是分立的,它从一个轨道到另一个轨道,是“跳”过去的,不是连续的“走”过去的,这就是所谓的电子跃迁。

当然波尔依然没能完全脱出经典概念,他还是使用了“速度”和“轨道”的概念。现在我们知道,没有速度和轨道,只有电子云。就是松鼠老孙说的。

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猫立刻Ph.D。不懂哲学,略懂物理化学。

2015-01-17 06:59
支持者: 衍水襄平

虽然题主所说的“电子时刻以光速绕原子核运动”并非真实情况,但是速度在微观层面也并未完全失去意义。海森堡不确定原理是说

如果不考虑相对论效应,动量实际上就对应于速度。海森堡不确定原理并不是说速度和位置不能精确测定,而是说它们不能一起精确确定。同样我们有

也就是说能量和不能一起精确确定。由于时间的特殊性,的实际含义可以粗略理解为是事件的时间间隔。因此对于无限大的情况,是可以对于一个体系精确确定的,这也就是量子力学中的所谓定态,其总能量不随时间变化。总能量确定了,动能——以至于动量和速度——是否也确定了呢?统计上说,确实是这样的,因为我们有非常强悍的、宏观和微观通吃的“位力定理”。对于库仑势,位力定理如下:

其中T是动能,V是势能,尖括号的意思是期望值。而总能量=动能+势能。对于单电子体系,动能可以认为就是电子的动能。所以根据位力定理,定态的单电子体系的电子动能的期望值是确定的,故而它的速度的期望值也是确定的。至于具体每次测量的最小理论不确定度,那就取决于你对电子位置精确度的要求有多高了。为了掩饰我的偷懒,有兴趣的读者可以根据不确定原理自行计算几个例子作为练习。;p

另外说一句,核外电子速度具有物理意义还表现在,高速运动的电子由于相对论效应会变“重”,尤其是对于重元素。电子变重引发的宏观后果之一就是金子是黄色的。假如不存在相对论效应,单纯根据薛定谔方程是无法得出”金子是黄色“这一结果的。

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电子绕原子核运动的速度不可能是光速,因为达到光速它的质量就变得无穷大了。电子运动的能量来源应该是量子力学的不确定性原理和自身的波函数导致的。

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参考 http://www.guokr.com/question/176794/?_block=question_recommend_related&_pos=0

另外,只要环境温度高于绝对零度,原子就受到外界的能量,包括温度辐射等等。

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电子不是绕核运动,而是遵守量子力学法则,在一定范围类“运动”,速度也不是光速,而是任意速度,只是速度具有一定的概率分布。运动不消耗能量,跃迁到高层级,需吸收一个光子,跃迁到低层级,放出一个光子。

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