量子講堂第十六期：在小小的原子中其實(shí)蘊(yùn)含著無(wú)窮的奧秘，原子核外圍的電子運(yùn)動(dòng)并非受規(guī)律支配，而是一朵神奇的概率云
在19世紀(jì)末，隨著物理學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)的研究領(lǐng)域開始偏向于微觀粒子領(lǐng)域，通過大量的物理實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了原子并非是組成物質(zhì)的最基本的粒子，原子的中心還有一個(gè)原子核，原子核的外圍還有電子圍繞其運(yùn)動(dòng)，不過隨著對(duì)于原子研究的深入，物理學(xué)界發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部并非像宏觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)那樣簡(jiǎn)單，原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)其實(shí)是一個(gè)全新的世界。
經(jīng)典力學(xué)下誕生的原子模型：太陽(yáng)系模型
在19世紀(jì)末、20世紀(jì)初，物理學(xué)界一度認(rèn)為現(xiàn)有的牛頓經(jīng)典力學(xué)與麥克斯韋電磁理論可以解釋所有的問題，于是對(duì)于原子的內(nèi)部構(gòu)造，物理學(xué)家也根據(jù)經(jīng)典力學(xué)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的角度提出了一個(gè)經(jīng)典模型：原子的中心是一個(gè)由帶正電的質(zhì)子與呈電中性的中子組成的原子核，在原子核的外圍是電子以原子核為中心在特定的軌道做規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)原子模型與天文學(xué)中的太陽(yáng)系天體模型十分相似，我們可以將原子核想象成太陽(yáng)，將電子想象成太陽(yáng)系中類似于地球、火星這樣的行星，行星在特定的軌道圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，電子在特定的軌道圍繞著原子核轉(zhuǎn)，這種原子模型看起來十分完美，將宏觀世界的規(guī)律應(yīng)用到微觀粒子的運(yùn)動(dòng)中也是成立的，但這個(gè)問題從理論上就存在一個(gè)致命的硬傷，那就是經(jīng)典力學(xué)與麥克斯韋電磁理論矛盾。
電子帶有負(fù)電，并且以接近光速的速度圍繞著原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，那么問題來了，圓周運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)，所以電子在高速運(yùn)動(dòng)的過程中就會(huì)不斷地向外釋放電磁波，那么電子的能量就會(huì)隨著電磁波的釋放而越來越小，隨著電子能量的不斷減少，電子最終會(huì)墜落到原子核上，整個(gè)原子的結(jié)構(gòu)就崩塌了，所以從理論上來說，這個(gè)原子核模型就是不成立，從現(xiàn)象上來說，這個(gè)經(jīng)典原子核模型也無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)中氫原子光譜分布的問題，經(jīng)典力學(xué)在微觀領(lǐng)域受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
玻爾原子模型的提出：首次將量子概念引入原子構(gòu)成問題
基于經(jīng)典原子模型的缺陷，丹麥物理學(xué)家玻爾首次使用剛剛被德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出的量子概念來解釋原子結(jié)構(gòu)問題，玻爾在原有通過經(jīng)典力學(xué)建立的原子模型的基礎(chǔ)上加入了量子化的定態(tài)和躍遷這兩種概念，玻爾認(rèn)為電子只能在幾條特定的軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)，距離原子越近的電子軌道，其電子的能量越高，電子在特定軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)并不會(huì)吸收或者釋放能量，即定態(tài)，當(dāng)電子受到外界刺激的時(shí)候，電子會(huì)從本軌道釋放或者吸收光子，然后躍遷到相應(yīng)的軌道上， 躍遷這種行為并不是經(jīng)典力學(xué)可以描述的，躍遷不是指的電子從本軌道移動(dòng)到軌道，而是一種跳躍式的變化，在一瞬間發(fā)生的行為，我們可以將它理解成是電子釋放或吸收光子之后的瞬間移動(dòng)。
玻爾原子模型使用量子化的概念很好的解釋了氫原子光譜的問題，但雖然存在著一個(gè)缺陷，那就是特定的軌道、電子的圓周運(yùn)動(dòng)仍然是經(jīng)典力學(xué)的范疇，波爾提出的原子模型本質(zhì)是半經(jīng)典、半量子的。
量子化的原子模型：一朵神奇的概率云
后來隨著量子力學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的理解也發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，因?yàn)橐磺械奈⒂^粒子都具有波粒二象性，即粒子與波的矛盾結(jié)合體，所以電子的運(yùn)動(dòng)根本沒有特性的軌道與圖像，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理（不確定性原理），我們也不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出電子的速度與位置，我們也無(wú)法將電子的運(yùn)動(dòng)圖像化，所以我們無(wú)法通過公式去準(zhǔn)確計(jì)算中電子在某一時(shí)刻的位置與速度。
那量子力學(xué)是不是意味著一切的微觀粒子運(yùn)動(dòng)都是未知的、無(wú)法確定的呢？
從理論上來講是這樣的，一切的微觀粒子都具有不確定性，所以我們無(wú)法在不觀察的情況計(jì)算出微觀粒子的實(shí)際情況，雖然微觀粒子的這種特性使經(jīng)典力學(xué)在微觀領(lǐng)域完全失效，但物理學(xué)家可以使用微觀世界的經(jīng)典力學(xué)：薛定諤波動(dòng)方程，即波函數(shù)去計(jì)算微觀粒子運(yùn)動(dòng)的概率，那就是說：雖然我們不能將微觀粒子的運(yùn)動(dòng)圖像化，但我們可以使用波函數(shù)去描述微觀粒子在空間中各處出現(xiàn)位置的概率，空間中概率大的地方意味著微觀粒子有很大機(jī)會(huì)在此處出現(xiàn)，概率小的地方意味著微觀粒子在此處出現(xiàn)的機(jī)會(huì)很小，所以使用量子力學(xué)的角度去看待電子運(yùn)動(dòng)，那么電子的運(yùn)動(dòng)就變成一朵各處密度不同的概率云，我們將其稱為電子云。
