深度：电子是怎么绕原子核运动的？根本不是太阳系模型！超级复杂

我要新鲜事2023-05-18 20:31:240阅

电子到底是怎么绕原子核运动的？

你知道电子是怎么绕着原子核运动的吗？

如果你还停留在高中化学的印象，你可能会想象电子就像地球一样围绕着太阳一样的原子核转圈圈。但是，这种想法其实是错误的，因为电子的运动规律跟一般物体不同，它没有明确的轨道。

那么，电子到底是怎么运动的呢？

下面让我们一起来探索一下电子云模型，这是一个更接近真实情况的模型，不同于我们的直觉，它用概率来描述电子在原子核外空间的分布。

首先，我们要了解一下量子力学，这是一个研究微观粒子行为的理论。量子力学告诉我们，我们不能同时准确地测定出电子在某一时刻所处的位置和运动速度，也不能描画出它的运动轨迹。这就是著名的不确定性原理。因此，我们只能用一个数学函数来描述电子的状态，这个函数叫做波函数。波函数可以告诉我们电子在某个空间范围内出现的概率，而不是电子在空间中的运动轨迹。

那么，如何得到波函数呢？

这就需要解一个方程，叫做薛定谔方程。这个方程是量子力学中最重要的方程之一，它可以用来描述任何微观粒子的状态。但是，这个方程很复杂，只有在一些特殊情况下才能解出来。其中一个特殊情况就是氢原子，也就是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。

当我们解出氢原子的薛定谔方程时，我们会发现波函数有四个参数，分别叫做主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数ms。这四个参数可以用来区分不同的波函数，也就是不同的电子状态。每一个波函数都对应一个能量值，也就是电子在这个状态下所具有的能量。能量越低，表示状态越稳定。

主量子数n表示电子离原子核有多远，n越大，表示电子越远。n可以取任意正整数，比如1、2、3等等。主量子数n决定了电子所处的能层，在高中化学中我们用K、L、M、N等字母来表示不同的能层。

角量子数l表示电子绕原子核转圈圈的形状有多复杂，l越大，表示形状越复杂。l可以取从0到n-1之间的整数，比如0、1、2等等。角量子数l决定了电子所处的能级，在高中化学中我们用s、p、d、f等字母来表示不同的能级。

磁量子数m表示电子绕原子核转圈圈的方向有多歪斜，m越大或越小，表示方向越偏离水平面。m可以取从-l到l之间的整数，比如-1、0、1等等。磁量子数m决定了电子所处的轨道，在高中化学中我们用数字来表示不同的轨道。

自旋量子数ms表示电子自己旋转的方向有多不同，ms只有两种，要么是上，要么是下。自旋量子数ms决定了电子的自旋，我们用↑或↓来表示不同的自旋。

这样，我们就可以用四个参数来描述一个电子的状态，比如1s↑，表示电子在第一能层的s能级上，方向为0，自旋为上。这四个参数也叫做四种量子数，它们可以用来区分不同的电子。

但是，并不是所有的电子都可以随便选择这四个参数，它们还要遵守一些规则。其中最重要的规则就是泡利不相容原理，它说：在一个原子中，不能有两个电子具有完全相同的四种量子数。也就是说，每个电子都要有自己独一无二的状态，不能和别的电子重复。

这个原理听起来很奇怪，为什么电子不能有相同的状态呢？

其实，这是因为电子的本质是波函数，而波函数具有反对称性。反对称性就是说，如果两个电子具有完全相同的四种量子数，那么它们的波函数就会相互抵消，导致电子消失。这显然是不可能的，所以电子必须避免这种情况发生。

泡利不相容原理对我们理解原子结构和化学性质有很大的帮助。它可以解释为什么原子中只能有一定数量的电子，为什么原子外层最多只能有8个电子，为什么原子之间会形成化学键等等。如果没有泡利不相容原理，那么所有的核外电子都会占据到能量最低的基态原子轨道上。所有的电子如果都处于基态，那化学性质就和氦原子一样稳定。宇宙中基本上所有原子的状态都稳如泰山，就不会轻易形成化学键，那么有机物就不会存在，生命自然也就不会存在。

所以从这种角度来看，地球上存在生命又得多感谢一位。人类不仅要感谢引力、电磁力、暗能量、超新星爆炸抛射的重元素、太阳的能量、地球磁场、木星的守卫、海底温泉形成的luca，还得感谢大自然创造了泡利不相容原理！

你可能还想知道，既然我们不能确定电子在哪里，那么我们怎么画出电子云模型呢？

其实，我们可以用一个概念来帮助我们，叫做轨道密度。轨道密度就是表示在某个空间范围内找到电子的概率有多大。轨道密度越大，表示找到电子的概率越大，轨道密度越小，表示找到电子的概率越小。我们可以用不同的颜色或亮度来表示轨道密度的大小，比如红色表示轨道密度大，蓝色表示轨道密度小。这样，我们就可以画出一个彩色的电子云图，它可以反映出电子在原子核外空间的分布情况。

当然，这种电子云图并不是真实的电子云，它只是一个统计的结果，它不能告诉我们电子在某一时刻确切的位置。电子云图只能告诉我们，在很多次观测中，电子出现在某个位置的概率有多大。如果我们观测得足够多次，我们就会发现电子出现的位置和电子云图的轨道密度是一致的。

你可能还想知道，既然电子云模型是用概率来描述电子的分布，那么它有什么优势呢？为什么我们要用这种模型来代替之前的轨道模型呢？

其实，电子云模型有很多优势，比如：

电子云模型更符合量子力学的原理，它不违反不确定性原理，也不违反泡利不相容原理。电子云模型可以更好地解释原子的光谱现象，它可以预测出原子发射或吸收光线的波长和强度。电子云模型可以更好地解释原子之间的化学键形成，它可以说明为什么有些原子能够共享或转移电子，形成不同类型的化学键。

总之，电子云模型是一个更先进、更科学、更准确的模型，它可以让我们更深入地了解原子结构和化学性质。当然，这个模型也不是完美的，它还有很多需要改进和完善的地方。比如，它只能精确地解出氢原子和类氢原子（只有一个核外电子）的波函数，对于多电子原子，它只能用近似方法来求解。比如，它还不能完全解释原子核和电子之间的相互作用，对于重元素（原子序数较大）的原子结构和化学性质，它还有很多困难。