物理科学探疑——每周一文    第十四期  

原子核外电子的存在状态?

志勰

[简介]本文提出原子核外电子存在状态的疑点

     1926年，德国物理学家波恩类比于光的强度，将单个电子在原子核外空间某处出现的几率密度同其波函数绝对值的平方联系起来，自此，统计物理学中的统计规律进入到原子领域。并且获得统计物理规律的本身和物质本身的存在状态相对应的描述，使原子领域的统计规律获得物理含义。

一种典型的描述方法是将电子在原子核外空间所存在的几率密度采用质点密度的方法来表示，以小黑点的疏密对应表示1s电子云几率密度的大小。如图：它表示氢原子核外1s电子云的图形。     在这种表达式中，似乎已经将电子的存在状态和电子轨道较为有机的融合在一起，其实则不然。

      如果电子在它确定的轨道上运行，并且电子在一个轨道向另一个轨道跃迁的过程中发射一个光子的话，采用这种描述的方法是行不通的。这主要取决于如下的几种原因：

      1、在任意时刻，电子作为一种物质质，在空间中存在的唯一确定性

      电子在原子核外的空间中存在，在任一个时刻，它不能即在a位置，又在b位置。如果在原子核中同一个时刻，在a位置存在一个电子，同时在b位置也存在一个电子，那么a位置的电子必然和b位置的电子不是同一个电子。也就是说是两个电子。

      既然电子在原子核外层空间中在任意时刻只能存在一个位置。那么图中所画的小黑点的疏密对应表示1s电子云几率密度作为电子的存在状态则是行不通的。因为图中所画的是电子在原子核外层空间存在的可能位置，它包含电子在原子核外层空间存在过程中所有可能出现的位置，同时也包含在原子核外层空间（1s轨道）所有存在的时间，而不是任一个时刻，电子在原子核外层空间存在只能是一个点位置。

2、物质的作用模式

      在量子论中，原子核外的电子的存在状态采用四个量子数来进行描述：

      主量子数n：主量子数确定电子能量的主要因素，同时确定电子出现几率最大的区域离核的远近。能量小的电子离核较近的地方出现的几率较大，能量大的电子在离核较远的地方出现的几率较大。根据电子离核近远，可以认为电子是分层的。

      角量子数l：每一个电子层是由一个或几个分层组成，每个分层是由角量子数标志，其数值决定个分层能量高低和原子轨道的形状。

      磁量子数m: 磁量子数决定原子轨道在空间的取向。

      自旋量子数：自旋量子数决定电子自旋的方向。

      由于量子数的取值方案是采用整数的取值方案，那么电子从一个轨道跃迁到另一个轨道的时候，电子在两个轨道的状态必然不能是连续的。或者说不能采用因果律去进行解释，采用作用的模式必然是一种渐变的过程。量子论的探讨这把这个问题叫做掷股子问题。实际上，这个问题和掷股子问题完全是两回事。掷股子完全是一个力学的过程，从力学过程里我们完全可以对掷股子问题进行解释。然而，量子论的问题则不能采用任何力学的模式（作用的模式）进行解释。两种状态是突变的。量子论中的这个电子从一种状态到另一种状态的电子轨道跃迁的解释只能是一种超距作用、非因果律的解释方案。否则，电子的量子数必然可以取连续数值。

      3、电荷间的作用量级

      我们先来计算一个简单的问题：假若库仑定律在原子范围成立，则：

      电子的静止质量是9.109534×10^-31kg、玻尔半径为5.2917706×10^-11m,将这两个数值带入库仑定律中我们可以得到原子核外的两个电子间的作用力大概在10^-7牛。这是一个电子所受到另一个电子的作用力，我们在将这个作用力和电子的质量带入到牛顿第二运动定律中，那么我们可以得到这个作用力足可以使电子获得10²⁴m/s的加速度。

      试问这样大的作用力（和电子的质量相比）作用在电子身上，电子怎么会不受影响的在各自的轨道上运行呢。只有一个电子的氢原子我们还可以理解，那么具有两个电子以上的原子，电子只能在原子的作用平衡位置存在。如图：

      如果一个电子运动，另一个电子由于电子给与它的电场的作用，必然做相应的运动。原子中的电子在没有受到外界作用力的时候，只能处于相对静止状态。换句话说，电子间只能处于电场作用间的相对静止状态。如果考虑到原子核中质子的作用，那么在没有受到外界作用的时候，原子核中的电子只能是相对于原子状态的静止状态。或者说，在没有受到外界作用力的情况下，原子核、电子是相对静止的。单独的一个原子的存在状态则必然是这种状态。如图：

      注：图中小红球代表质子，白球代表中子，黑球代表核外电子。

      从物质粒子间作用的角度上来考察一个原子中原子核和核外电子的存在状态，电子和原子核相对静止是唯一的形式，没有除此之外的其它形式存在的可能。（原子核仅具有一个质子的氢原子例外，因为电子还可能围绕原子核进行旋转，但是根据加速运动的电荷会对外辐射电磁作用，它和空间存在确定的作用形式，如果没有外界对它提供作用，其最终也要变成电子和原子核相对静止的状态。）

      4、电子的存在状态和电子轨道的不相容性

      如果电子在原子核外层空间存在确定的轨道，并且电子在这些轨道上稳定运行的时候，原子是一种稳定状态。那么，这个核外电子即不发射光子，同时也不吸收光子。

      前面我们已经看过了电子云描述，那么电子云是采用几率的描述模式对电子在原子核外的电子轨道上出现的可能性进行描述。如果电子存在稳定的轨道，那么对电子存在状态的可能性必然不能采用几率的模式进行描述，因为如果电子的轨道是稳定的，那么，电子在这个稳定轨道里的地位应该是等同的，不会因为在轨道里的位置不同而存在出现的可能性变小，或者说几率的不同。否则，电子在电子轨道中的位置存在差异就意味着轨道的不同，意味着存在不同的量。实际上，我们不能找到一个核外电子轨道上的任一个位置点在这个电子轨道里是优先的任何依据。

      电子更不可能在原子核外的轨道外面存在，否则，那就不能叫做电子轨道。因为它可以在电子轨道外存在。电子轨道外的空间点仍然在电子轨道的范围里。这样，几率的概念对于量子论中核外电子存在来说，没有任何意义。

本文选自

物质的分子属性与原子核外的电子分布状态——核外电子的存在状态和物质分子对光吸收的关系

作者电邮：zhixie@netease.com 返回首页