我们怎么知道电子在绕着原子旋转呢?

时间:2021-07-29 09:21:22   作者:
事实上,我们知道它们不是。它们不像行星那样在轨道上运行。他们的想法只持续了几年,大约一百年前。

我们知道原子有一个密度很大的原子核,它被一个更分散的体积所包围。我们知道这一点是因为向它们投掷粒子并观察它们如何反弹。我们也知道它们是如何包装的,就像晶体一样。

我们知道在更分散的体积里的东西可以被去除,这些东西每个都有一个负电荷。敲掉它们很容易。你甚至可以用诸如一块塑料或玻璃和一只猫这样的原始工具擦掉它们。或者把鞋子放在地毯上。我们甚至可以把它们煮沸,通过加热一些电线,这就是真空管的工作原理。

我们称它为电子。不过,正如理查德·费曼指出的那样,电子实际上只是一种理论。我更喜欢用“模型”这个词。这是一种解释观察到的行为的想法。

所以如果电子带负电荷,而原子核带正电荷,相反的电荷相互吸引,为什么电子不落在原子核那里呢?就像我提到的,它们在轨道上的想法,只持续了几年。

延续了一个世纪的想法如下。一个粒子的位置和运动如何精确地同时发生是有限制的。这是一段简单的关系,但我就不给你计算了。电子不能只是落在原子核那里,因为那样它就会在一个精确的位置,它就不会移动了。所以电子占据的体积比原子核大得多作为一种平均,这给了它们某种位置和某种运动,但它比原子核大得多,所以它在外面。

这种限制被称为测不准原理,它取决于质量。电子比原子核中的粒子轻,大约轻2000倍,所以它们要占据的体积要大得多。较重的质子和中子可以在更小的体积中。测不准原理也适用于它们,但适用范围较小。

电子可能存在的位置,我们称之为“轨道”,有点让人困惑。还有其他限制。两个电子可以占据相同的体积,但前提是它们的自旋相反。一旦有两个,就没有多余的空间了,所以其他的电子必须进入其他的体积。

更令人困惑的是,轨道是这些体积的集合,它们有时被称为亚壳层。

亚壳形成了这些看似奇怪的形状:

我们怎么知道电子在绕着原子旋转呢?

虽然它们看起来很奇怪,但它们实际上就像当你敲锣的时候,锣会以不同的方式移动。如果你把一些沙子放在一个水平的锣上,然后敲击它,你会看到像这样的横截面。

如果你用的是三维的锣而不是扁平的锣,它们就会完全一样。想象一个球形的果冻团,也许,它是如何随着驻波摆动的。

当你研究分子而不是单个原子时,就会变得复杂得多。以金属为例,电子不是围绕着一个原子核,而是围绕着所有的原子核。这就是所谓的带结构。这就是为什么金属很容易导电,这也解释了金属的高热容,这也解释了为什么金属即使很薄也不透明。
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