電子繞核運動軌跡是圓還是橢圓?

時間 2021-05-31 02:53:17

1樓:Kevin Wayne

下面,我們先從經典電動力學的角度,對原子輻射電磁波加以分析。

只考慮乙個原子序數為的原子,以原子核為參考係,對其中的乙個電子,進行受力分析:電子受到原子核的靜電引力與其他電子的靜電斥力與磁力。利用牛頓第二定律,可以列出如下的方程:

。將庫侖定律、洛倫茲力公式代入,得到:

我們知道,原子中電子圍繞原子核運動,加速運動的電荷會輻射電磁波,進而原子體系釋放能量,電子的軌道半徑就會逐漸減小,從而向心加速度增加,最後坍縮到原子核上。

另外,巨集觀世界主要是由大量多電子原子與多電子離子構成的,電子之間的斥力會使其有更大的機率發生碰撞,使原子解體!

顯然,這與真實世界不符!這恰恰說明了經典電動力學只適用於帶電物質的波動性與電磁場的粒子性均可忽略的體系,而不適用於原子。

事實上,原子躍遷是一種量子物理現象,不能用經典物理學來審視。這是因為量子物理中,物質並沒有確定的運動軌跡,只有在某一位置所出現的概率,一般用波函式來描述。波函式的模的平方被定義為概率密度:

其中,波函式可以通過薛丁格方程

進行求解。該方程在量子力學的地位,相當於牛頓第二定律在經典力學的地位。

真實的原子並不像太陽系那樣,電子受到原子核的庫侖力,從而繞核做圓周運動。用經典物理學對原子進行求解並沒有什麼意義。

量子物理中,原子躍遷即為原子處於高能級時,受到各種擾動,從而放出能量,通常以光子的形式放出。躍遷的過程,只是原子內部電子在某一位置所出現的概率的改變。將距離原子核不同位置電子的概率密度,通過作圖的方法來形象描述,稱為電子雲。

由於原子的能量是量子化(離散)的,因此高能級原子輻射出的光子能量只能是任意兩能級的能量差。並且原子光譜也是分立的線狀譜。

那麼,高能級原子進行躍遷,並且以電磁波的形式自發輻射的動力又是什麼呢?

這就涉及到量子物理學的基本框架了。我們知道,在經典物理學中,真空被認為是「沒有任何物質的空間」。但是,量子物理學中,真空態是發現任何粒子或任何模式的場量子的機率為 0 的狀態。

同時,它也是物理上能量最低的狀態。儘管粒子數在真空態中為 0,然而粒子的一些其它性質將仍然存在,並具有某種量子不確定性。根據海森堡不確定性原理

,真空可以在極短的時間內,突然產生一些虛粒子。譬如,根據質量守恆與電荷守恆定律,可以是電子與正電子,也可以是兩個光子。隨後,一些反粒子與其湮滅。

就在產生到湮滅的時間內,我們可以觀測到真空中所蘊含的基態能量,這就是所謂「零點能」。

將電磁場量子化之後,可以計算出:

任意光子數態下,對單模電磁場,電場強度的平均值

。但電場強度平方(即波動光學中,光強的定義)的平均值

,一般不為 0。

其中,歸一化算符具有電場量綱,並相當於「每個光子」的電場強度的大小。上標表示駐波。

電磁場的量子漲落,可以利用方差

來描述。

正是由於量子電磁場真空漲落對原子的擾動,導致了高能級的原子可以向低能級躍遷(不能簡單地歸結為原子處於高能級不穩定!),並輻射光子。

2樓:耗子尾汁好好反思

瀉藥...

按照高中學習的知識,Bohr的氫原子模型是電子在定態軌道上運轉,作為圓形處理,在不同的分立軌道上各個量都是可以求解的。

按照氫原子模型後面學習的內容,電子的運動是無法同時知道p和位置的,3-5上有公式...

3樓:

為了避免題主太長不看:先下結論:

電子繞核運動的方式(不是軌跡)有點像橢圓,但不是橢圓。

先說一句,在電子繞核運轉的時候,我們實際上是測不出其軌跡的。

對,測不出。具體的講,任何形式測量電子位置都會影響電子的動量,這樣實際上改變了電子的運動狀態。打個比方,我們量一塊冰的尺寸,可是每當我們把尺子貼上去量長寬高的時候,冰就受熱融化變小了,這還怎麼測?

所以嚴格說來,電子不是繞核在一條軌跡上運轉的——沒有軌跡這個東西。

但是為什麼說有點像呢?

因為儘管我們不能觀測軌跡,但是其他的物理量,比如能量,角動量我們是可以觀測的。

如果我們把真實的電子和我們假想出來的橢圓軌道上的帶電小球來比較,我們會發現:這兩個東西(乙個真實存在,乙個只是想像)很多物理量是一樣的,實在太像了。(可以用里德伯原子做驗證)

帶電小球和天體的運動是一致的(這種證明靜電力和萬有引力相似性的實驗太多了)。

綜上,嚴格的說:

核外電子的某些力學量(物理量)與平方反比中心力場中運動天體的某些力學量存在對應關係。

4樓:

電子沒有軌道,只是一團能量,分布在所有地方,但是有的地方密度大,有的地方密度小,而且隨著時間變化,看起來像繞著軌道轉圈圈。

5樓:程巖

1,2樓正解,我再補充一下,根據不確定性原理(也叫測不准原理,但是我覺得這個名字太難聽了)任何乙個微觀粒子都沒有「位置」這個概念,只有概率雲,在一些地方出現的概率大,在一些地方出現的概率小。

6樓:等等黨黨魁

根據測不准原理,你無法同時得知乙個電子的位置和動量,所以電子的運動軌跡是很難明確的。目前所謂的軌道是個概率密度的概念,也就是在某乙個區域內電子出現的概率非常高,那麼我們可以認為這片區域就是電子的軌道之一。。。

原子裡帶負電的電子繞帶正電的原子核轉,為什麼不會能量耗盡被吸進去?

offck fu 回答都寫的是量子物理框架如何如何,能級 量子化之類,我想題主問的是為什麼會這樣,這些回答只會引出新問題,比如 電子繞原子核轉不能用傳統軌道看待,為什麼就不掉進去了?為什麼軌道是量子化的?歸根到底只有乙個答案 科學只回答how,不回答why,這世界就是這樣的。 瘋狂紳士 這個是經典的...

地球運動軌跡是直線嗎

貌似題主指的是如樓上匿名答案所說的測地線。在彎曲的空間裡測地線是兩點間距離最短的,就相當於平直空間中的直線。所以地球繞著太陽執行的軌道是太陽周圍彎曲的4維時空中測地線在三維空間中的投影。從這種意義上來講相當於走 直線 首先,以太陽為參考,地球繞著太陽運動,實際上是地球和月球雙星系統繞著太陽運動,地球...

電子無規律繞原子核旋轉的速度是多少?如果把思維放在電子上看現實世界,是不是相當於永生?

這很正常,如果他們一直以光速運動,那物體溫度豈不是要高的可怕。它是有能量,有質量的,那麼它在運動時應該有速度的吧?這那麼是怎麼推導過去的。而且即便有速度,也不能證明其運動的連續性啊。從一點到另一點的距離除以時間便是平均速率。電子以不連續的形式從一點到另一點,也不影響平均速率的計算啊。還是希望題主思考...