咱就从远处说起吧。电子啊,那可是个基本粒子呢。它有那么些个外部的特性,内部特性是一点没有。它可不是由啥「物质」组成的,它就是它自个儿。电子有质量、带电荷,还有磁偶极矩。这一切早就被测量好,也都记下来了。
电子身上带着负电荷呢,就被正电荷给吸引住了。原子核是带正电的,这么一来啊,原子核就好比是个阱,电子是能掉进这个阱里头去的。
这系统就跟行星系统差不离,在这个系统里呢,引力势被静电势阱给替换掉了。这么一来啊,大伙就寻思着,电子绕着原子核转的样儿,肯定和行星绕恒星转的样儿是一样的。可这儿有个麻烦事儿。轨道这东西啊,是一种一直在加速的状态,按照电磁学的说法,加速的电子是会辐射能量的,那就应该打着旋儿掉进原子核里去才对。但它没这么干。
【这种情况成为量子力学出现的原因之一】
量子力学里啊,物质有个基本属性,就是能用波函数来描述它。这就代表着所有物质,它们行事都跟波似的,还能自己跟自己捣鼓出干扰呢。就这么一干扰啊,好多电子的「轨道」就没了。这些电子「轨道」本来是有那么一系列的,能量一级比一级高,不过呢,能量也就只能是某些个离散的值。
所以啊,那些跟原子核凑一块儿的电子呢,就只能待在某些被允许的能态里头。这些能态啊,还跟角动量之类的其他玩意儿有关系呢。
电子啊,它能靠着吸收或者发射光子这种能量形式,在能级之间来个离散的量子跃迁呢。为啥呢?因为能级是离散的呀,所以光子的能量也就跟着被吸收或者发射喽。
【为什么电子没有辐射出所有的能量并塌陷到孔的底部?】
这是咋回事呢?有个最小能量,这是被允许存在的。要是比这个能量还低啊,那就没别的状态喽。
巧了,最低能态呢,主要在原子核里头待着,可又不光在原子核里头,还往外伸了伸。这最低能态可不是啥轨道啊,它就是能量最低能到啥样的一种状态,跟角动量没一点儿关系。电子的那个概率云啊,大多集中在原子核里,不过电子质量小得可怜,就这么着扩散到原子核外边去了。电子为啥是这种分布状态呢?嘿,这都是海森堡测不准原理给闹的。
嘿,可不得了喽,打这往后啊,事儿变得更麻烦了。电子这玩意儿还有个特性呢,这特性跟它的磁矩有关系,名字就叫自旋。
在量子力学里啊,有这么个规矩。啥规矩呢?就是不管啥粒子,只要它的自旋不是整数,就没法处在相同的状态里。就好比自旋是1/2的电子吧,它就不能处于相同的量子态。这就叫泡利不相容原理呢。这原理可老重要了,为啥呢?因为它能解释原子那云似的结构啊。原子为啥稳定,还以某些个方式行事呢?就是泡利原理捣的鬼。这么看啊,原子结构就好比是电子的一个容器。
自由电子啊,就这么被原子核的势阱给逮住喽。这说明啥呢?说明这自由电子啊,能量多得都过剩了。它打一开始就有多余的能量,那要想形成稳定的原子啊,就得把能量给丢掉些才行呢。等那些低一点的原子态都被电子填满了,这电子就不再往外丢能量了,原子也就稳定喽。所以啊,这些电子就在物理学能允许的范围里,尽可能紧紧地挨着原子核待着,就跟围着个宝贝似的。
这世界的好多事儿啊,原本都能解释得挺明白的。可只要再加上一种力,就是重力,嘿,那事儿可就变得麻烦喽。
在那种极端重力的情况下啊,稳定的原子能被压缩得老厉害了,厉害到啥程度呢?电子都能跟原子核互动起来了,这么一互动啊,质子就把电子给抓住了,然后就形成中子喽。
有这么些个物体,名字叫做中子星,其实呢,就是老大一团中子。要是再给它加点儿东西,嘿,就变成固体夸克物质了。啥东西能把这些中子星拢在一块儿,不让重力把它们整散架呢?就靠泡利原理啦。要是哪天这个原理不管用了,那这些物体就得塌缩成黑洞,这时候啊,咱就啥也说不出喽。
原子在能量这块挺稳当的,咋个稳当法呢?就是它能在能量不增不减的情况下一直存在着。可话又说回来,咱们得靠量子理论才能把瞅见的那些事儿都给解释清楚喽。
想从经典直觉那块儿来弄懂量子力学,门儿都没有。电子可不是一个球绕着另一个球转的那种球,它是个量子玩意儿,在原子里待着的时候才能得到最小能量呢。