為什么原子是一個十分穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)？

kanglanlan 2018-11-21

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這個圖像害人啊，其實原子里并沒有軌道。

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1.原子十分穩(wěn)定，這一論斷來自我們的日常經(jīng)驗。我們自己及我們的世界都是十分穩(wěn)定的，從我們出生到死亡，山還是那山，水還是那水。再附加一個教條，萬事萬物皆由原子構(gòu)成，既然世界是穩(wěn)定的，那么原子也是穩(wěn)定的。

2.原子的有核模型告訴我們，原子中所有的正電及絕大部分質(zhì)量集中分布于原子中心極小的區(qū)域，大小只有飛米量級（10的-15次方米），原子中的負(fù)電以電子形式存在于原子中，換句話說電子存在的區(qū)域?qū)⒋笾猎拥某叽?，這一尺寸大致是1埃，或10的-10次方米，但電子本身根據(jù)現(xiàn)代物理的知識又是很小的，小到甚至就是一個幾何的點。以上啰里啰嗦一大堆，屬于現(xiàn)代物理的教條，所謂教條就是金科玉律，懂不懂你先背下來再說。

3.根據(jù)電磁學(xué)的知識，帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核之間存在吸引的相互作用。鑒于電子的質(zhì)量比原子核小很多，我們可以只研究電子在電磁相互作用下的運動，而干脆認(rèn)為原子核是靜止不動的。這個叫近似，打個比方就是我們研究衛(wèi)星在地球的吸引下運動，我們只需要研究衛(wèi)星怎么動就可以了，地球因其質(zhì)量很大，我們就直接認(rèn)為它不動好了。

4.電子在電磁相互作用下怎么動，需要用到力學(xué)的知識，雖然大部分人已經(jīng)忘記怎么求解F=ma了，但都會承認(rèn)電子將圍繞原子核轉(zhuǎn)圈，就好像衛(wèi)星會圍繞地球轉(zhuǎn)圈一樣。

5.根據(jù)電磁輻射理論，電子在轉(zhuǎn)圈的同時會向外輻射電磁波，電子的動能變小了會導(dǎo)致電子的軌道降低，這個也可以類比衛(wèi)星圍繞地球的運動，衛(wèi)星因和稀薄的大氣摩擦，動能也會降低，這導(dǎo)致衛(wèi)星一邊轉(zhuǎn)圈一邊降低軌道，最后會掉進大氣層。往下光定性的講故事就沒用了，我們還必須定量地估計電子損失能量的速率是多少，或者說需要估算電子向外輻射電磁波的功率是多少？計算的結(jié)果是非常大，電子會在瞬間（10的-10次方秒）就損失掉全部的能量，落在原子核上。按照這個故事，氫原子的壽命就是10的-10次方秒，這和我們前面說的[1]是矛盾的。

6.截止目前為止，我僅僅解釋了這個問題何以成為問題。如果你能憑自己的思考就把這個問題給解決了，并且正好就是現(xiàn)在量子力學(xué)給出的答案。那么你的物理學(xué)水平應(yīng)該相當(dāng)于：索末菲+玻爾+德布羅意+海森堡+玻恩+薛定諤。顯然，這是不可能的。最好的方法可能還是按部就班地學(xué)一學(xué)量子物理，然后邊學(xué)邊思考。

7.問題的核心是為什么電子在原子核外面轉(zhuǎn)圈，但不輻射電磁波。

8.量子力學(xué)不承認(rèn)電子在原子核外面“轉(zhuǎn)圈”，轉(zhuǎn)圈的字面意思是電子會按照一個圓形，或橢圓形軌道運動，果真如此，電子就可以用位置和動量來表示其運動狀態(tài)。這一條在量子力學(xué)里是不成立的（“位置-動量”不確定關(guān)系）。

9.量子力學(xué)從根本上推翻了經(jīng)典力學(xué)，但量子力學(xué)保留了幾乎所有經(jīng)典力學(xué)的名詞，這有點像清朝推翻了明朝，但還住在明朝的宮殿里。比如經(jīng)典力學(xué)里有作用量，在量子力學(xué)里也有作用量。

10.量子力學(xué)也能解釋經(jīng)典力學(xué)，玻爾說當(dāng)量子數(shù)n很大的時候，量子規(guī)律會退化為經(jīng)典規(guī)律（對應(yīng)原理）。還有一個說法更好，當(dāng)普朗克常數(shù)h趨于0的時候，量子規(guī)律會退化為經(jīng)典規(guī)律。

11.量子力學(xué)中電子的運動狀態(tài)用波函數(shù)描述，波函數(shù)滿足疊加原理，波函數(shù)隨時間的變化滿足薛定諤方程（動力學(xué)方程，地位相當(dāng)于牛頓第二定律F=ma）。

12.狄拉克說有了薛定諤方程，一切物理問題，化學(xué)問題原則上就都解決了，剩下的是怎么解，怎么算的問題。比如我們就可以計算原子中電子的運動，計算出來發(fā)現(xiàn)電子可以處在各種各樣的態(tài)，其中能量最低的態(tài)叫基態(tài)，能量較高的態(tài)叫激發(fā)態(tài)，這些能量是分立的。并且這些態(tài)的壽命都是無窮長（不僅基態(tài)的壽命是無窮長，激發(fā)態(tài)也是，考慮到電子和光子的相互作用后，激發(fā)態(tài)的壽命才變成是有限的）。

13.還有其他一些對此問題的解釋，比如我也可以用“位置-動量”不確定關(guān)系解釋，但這些解釋都不系統(tǒng)化。所謂系統(tǒng)化的解釋是說我這里的方法是很有普適性的，很容易推廣到任意量子力學(xué)問題。