為什麼目前我們了解到的原子結構會像太陽繫結構?
我首先想提醒大家注意,題主是一位 00 後。一個 12 歲以下的孩子能問出這個問題,我覺得很厲害。我懷疑是否應該讓他過早接觸電子云和不確定性的概念。半經典的玻爾模型我認為是適合這個年齡理解的。
另外,事情沒有大家想像的那麼簡單:太陽繫結構,的確表現出類玻爾模型的量子性,對此我們還不知道是不是巧合。一個義大利的靠譜的研究見 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960197000078#一個似乎很不靠譜的研究見 http://journalofcosmology.com/Planets100.html
第二個鏈接中有個湊出來的表,我們看到行星軌道的平均半徑與一個量子化的經驗公式匹配。而玻爾當時提出的模型,正是基於 Rydberg 描述氫原子光譜的經驗公式。最終玻爾推導的電子半徑公式,與行星軌道的經驗公式非常相似。第一個鏈接的文獻(Phys. Lett. A)中有這麼一幅湊出來的圖(請時刻記著,作者是義大利人):目前這個現象不是主流科學的研究領域(所以不要陷進去)。但是在法國上的物理課上,教授就拿出這個現象對我們說,如果誰能像玻爾一樣從這個經驗公式中看出什麼,那一定是一場革命。各位知友說其實不像,確實。不過要是把標準放低一點,太陽系和原子也確實有相近之處,我想原因不外乎
- 引力勢和庫倫勢的形式完全一致:精確的平方反比律
- 太陽系和原子核的中心天體/粒子質量(相對外圍物體)都很大,導致整個系統的質心基本就在核附近,看起來像是外圍物體繞著中心轉而不是雙星系統的互相環繞的方式。
個人覺得,從科學理論形成的角度說,想當年,當一個熟知太陽繫結構的物理學家研究原子結構的時候,會很自然的從庫侖力的平方反比關係想到引力,從核子質量比電子質量大很多想到巨大的太陽和小小的地球,然後得出電子繞著原子核轉的「類太陽系模型」。這種相似性便於我們理解那肉眼不可見小小的原子,很好懂也很迷人,所以雖然後來經由一系列實驗證實了,原子跟太陽系有很多本質的不同,但是在教學當中這兩者還是經常被拿來相提並論。當然也許未來(或者現在就有而我不知道的)物理學會發現兩者之間確實有本質的聯繫。
這就好像問,為什麼好萊塢電影裡面的外星人都說英語?你可以說因為外星人很智慧會說各種語言,也可以說因為從導演到觀眾都是說英語的。@陳浩在回答中提到了太陽系中的一些「量子性」的特徵,以及義大利的那個「不靠譜」的研究,這裡作一點補充。
在一定程度上,「量子性」在太陽系的確普遍存在。(這裡只是借用了它「分立」的字面意義,其與量子力學當有本質之區別)
1766 年,德國天文學家提丟斯(J.Titius)發現一個數列:.
將 n 用整數帶入,與諸多行星的實際位置驚人相似。即稱為所謂「提丟斯」定定律:
這樣的「量子性」不光存在於行星軌道之中,小行星帶中,存在很多縫隙(稱作 Kirkwood 縫)。
它們所處軌道的周期,與木星軌道的周期比(近似的)為:
3 : 1,4 : 1,5 : 2,5 : 3,4 : 3.這與木星的引力攝動造成的共振有密切的關係。諸多存在光環的行星,如土星,亦有此「量子性」。
如果你從這個角度看,的確與原子結構有部分相似之處。至於行星軌道「量子性」的形成,這裡給出個人的一些推測:
在太陽系產生的初期,開始產生的大質量天體,會對其軌道內部的物質產生引力攝動,進而產生共振。從而,出現一定程度的「分立」,其後,其它行星,則以此為基礎產生。從而出現了較為近似的「量子性」。
我想作者提問的原因是行星軌道和電子軌道都具有一定的對稱性,也就是所謂的中心力場下的旋轉對稱性吧(例如圓形或者橢圓軌道)。從根本上說,這是由引力和電磁力都是距離的(平方)反比關係決定的。因而系統的能量都保有旋轉對稱性。此外,電磁和引力都可以用波來描述,都存在一個質量為零的波色子作為力的傳遞媒介,變速運動都能釋放波等等,不否認引力也可能被量子化的事實。但另一方面,行星的軌道和電子軌道差別也是很大的。電子除了能級以外,還有角動量數,磁量子數等不同。例如電子的軌道可以是圓形的,也可以是紡錘形的,棉花糖形的,取決於電子的角動量數。電子和原子核的相互作用,除了靜電力以外,還有磁矩-磁矩相互作用等。在注意到他們相同之處的同時也要提醒自己注意到他們之間的不同。
其實原子中電子是以電子云的形式存在的,跟星系中的行星圍繞著恆星轉動完全不一樣。如果你的概念中,原子中,電子是圍繞著原子核轉啊轉,很像地球圍繞著太陽轉啊轉,那麼這種相似性是因為:1.原子核與電子之間力的形式(庫侖力)和地球與太陽之間力(萬有引力)的形式相同,都是與它們之間距離的平方成反比。2.其實原子核,電子;地球,太陽都是在做圓運動的。原子核比電子質量大太多,太陽比地球質量大太多,所以電子和地球圍繞中心做圓運動看起來比較明顯,而原子核和太陽繞中西做圓運動看起來不明顯。所以,這兩種運動看起來一樣。看到上面有人說分形理論,分形理論只是因為我們對事物內涵的理解不夠深刻所形成的表象結論。如果我們研究的夠透徹,我猜,一定會發現,每一種分形現象都是在現象的背後有它內涵上相同點,才造就了他們形式上的一樣。而這種內涵一致導致的現象一致是廣泛的表現出來的
你說的原子結構是最最經典和古老的那種假設吧?事實上,原子裡面的電子並沒有特定的空間軌道,所以稱為電子云。在量子力學裡面,只有說「電子處於某個能級時,在某個空間位置出現的幾率是多少」這樣的概念。而從能量表象來說,電子的本證能級是分裂的,但這只是能量範疇,與空間分布無關。
說一下我小時候的接受的一個說法吧。
是因為演化時間夠長。
非圓周運動的話,要麼吸引的時候會撞到一起,要麼排斥的時候會離的越遠越好。所以,最後長期演化的結果就是大家繞圈轉。誰說像了?
太陽系中太陽和行星都是在一個平面上的,原子結構中電子的分布是在某些特定能級上的球形面。。難道教科書等,到現在還沒更新么?原子/電子軌道,根本一點都不象太陽系啊。
一個葡萄乾,周圍繞著幾個電子,看起來像朵花的那個圖景,已經非常古老,上個世紀初就已經被拋棄了。電子沒有固定軌道,出現在哪裡完全是概率,如果非要給電子的軌跡劃一個像,那麼大概會像是一團雲霧,濃厚的地方電子出現的概率高,疏散的地方概率低。這是目前量子力學最基本的描述,比如最基本的氫原子,只有一個電子,屬於最簡單的情況,但是電子云的形狀卻相當複雜。單個氫原子,其電子云是球殼型的;氫氣分子的電子云的軌跡是象個沙漏或者啞鈴的雲霧。在此特別鳴謝@Ruki的糾正 而隨著氫原子,和其他原子之間的關係變化,氫原子的電子云形式越發複雜,會有花瓣等形狀出現,請參考下圖http://optoele.ele.tottori-u.ac.jp/~abe/hyd/或者在網路上,搜索氫鍵,可以獲得更多資料。
氫原子的電子,以電子云形式出現,而不是固定軌道,而這個在日本,是屬於小孩/普通人的科學知識的範圍的!可以在大量的初級科普讀物上見到此類描述,並輔佐以很形象的電子云的圖畫。如果國內還是葡萄乾模型的話,簡直是誤人子弟。
PS,這不是我的說法或者理解,因為我基本上還沒有那個功力,能把複雜的東西講簡單了。雲的類比基本上來自比較靠譜的科普讀物的講解:Newton(日版,國內有中文版叫做科學世界,適合中學程度讀者)和SA(科學美國人,即國內的環球科學,適合大學程度讀者)。不好意思,這確實是硬廣告。@鄭維, 你有想過參照物么,宇宙中沒有一個標準的參照物,銀河系也是可能繞著某一中心轉動的,但這種轉動並不一定在一個平面上,地球是如何運動,沒有確切的軌跡,如果在銀河系外來看是螺旋形的運動,而觀察電子的運動,又是在哪裡看的,你不是站在電子上觀看的。 況且,從宏觀到微觀,應該是維度的層面了。宏觀的力作用的到微觀,會有變化,也沒有變化,是由辨知者認識的角度來決定的。宇宙本是一場虛無,你可以不承認,也可以承認,承認與不承認的意義又是什麼。
其實題主說的還真挺有道理的,表面看電子云和行星不是一回事兒,認為是一樣的肯定是中學知識。但從長期角度看,行星的軌道也是混沌的,也可以說有點類似。起碼在尺度上是相似的。
曾經像你一樣,當我以為電子是沿軌道圍繞著原子核運行時,我也很吃驚,怎麼和太陽系辣么像哎!然後還產生了很多比較天馬行空的想像(科普讀物所害,不過不可能解釋原子,連電子云也一起解釋吧hhh)後來,我開始自學量子力學的基本概念時,發現了電子云和不確定性原理這種東西,然後肯定把我當時的設想當成童年的天真啦最尷尬的是,後來隨著學習的深入,我發現了太陽系行星的量子性這種東西……
這是衍射光柵拍攝的指紋玻片原子視頻:衍射光柵它與隧道掃描顯微鏡的探針的差不多,只不過把探針換成直射的光線來探測樣體表面,只是原理不同,一個是「隧穿效應」,另一個是反射成像。衍射光柵行成納米級光譜更好的提高解析度,經過反射成像來看樣本表面。通過觀察樣本表面,原子的電子像水波紋一樣運動,就像平靜水面丟個石子,泛起漣漪,無數的水波紋向四周做無窮大運動,最後消失,周而復始。視頻失真
今天正好講到物質微觀構成,有個學生正好提出了這個問題。在初中人教版化學課本上對於原子結構只討論到盧瑟福模型,所以中學生問到這個問題真的很正常。 大家不要態度不好。
我當時覺得我學生想法很有趣,還表揚了一下學生很厲害。說明他真的有在思考啊!
確實也在糾結了一下下,要不要討論電子不確定性和波函數,電子云這些概念。不過最後我還是說了一下,電子高速運動,導致很難捕捉電子,只能預測電子在原子中出現的概率。引出了一副電子云的圖去解釋不一樣的地方。 但是我還是覺得這個答案不是很靠譜,為什麼我當年學量子力學的時候不認真←_←我本來就是想來看看有沒有高人指點這個問題。有比較簡單的方式回答這個問題。 結果看完更加不確定了←_←
我們的腦神經元的排布圖和從天文望遠鏡上拍攝到的星系的排版圖有著驚人的相識和一致性。
電子和原子核之間的相互作用力不是引力,是電磁力。因此,電子應該會被吸進原子核里。但現實中卻不會發生這種事情。因為電子改變軌道需要能量發生變化,但能量是量子化的,因此電子只會吸收或釋放一整個能量,否則就不會吸收或者釋放一點能量,因此電子只會從一個軌道直接跳到另一個軌道,沒有中間過渡。就像打乒乓球一樣,玻爾喜歡打乒乓球,他正是從那裡找到原子模型的靈感的。
以下內容出自《上帝擲骰子嗎》第四章Into the Mist,作者曹天元
宏觀是牛頓經典力學,廣義相對論,宇宙時空諸理論等等。微觀只有波函數。
我也在思考這個問題,我不專業,而且以下內容全是猜測,但是我總感覺到,從太陽繫到原子,有其共性,當然也有越小越靈活,越大越穩定的特點,原子核 類比 太陽,電子 類比 行星。原子核不圓而天體都比較圓就是因為天體質量大,引力也大,更有可能變的非常圓。而電子是我們人類偵測到的方式,但是電子和原子核一定有某種意義上的共生聯繫。就類似我們生活中所以事情都具有兩面共生的特點。有沒有可能,每一個原子就是一個太陽系,或是說,太陽系,僅是一個原子呢,有沒有可能,這個宇宙,只是我們理解能力理解不到的,一塊物質。或是時間,讓空間和物質產生意義,天體的活動是不是製造時間的方法?我們發展到今天,越來越慢 。到底是基礎科學無法進步,還是從道理上來講,我們雖然會變的越來越好,但是卻永遠無法超越我們自己?總之,法則是大到宇宙小到原子存在的依據。也是所有物質存在的共性。精神層面也是如此,唯一神奇的 就是時間對原子和宇宙都同樣的公平。創造還是毀滅?到底是物質讓時間產生意義,還是時間在支配物質?不管你怎麼想,都是正確答案!
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