又見“氫”雲“水”連天
——對氫分子電子雲描述方法變遷與其形成物理機制的思考
最近，在科學網看到一篇關於氫分子電子雲可視化研究新成果的報道——《多國科學家合作首次創建氫分子波函數平方圖像》，其結果是把氫分子電子雲描繪呈“水”字形，讀後感觸頗深，於是，記錄了一點就氫分子電子雲描述及其形成物理機制問題的思考與漫談，現拿出來與大家分析和商榷，對此“思考與漫談”如有不妥，望大家一笑了之吧......
圖-1.氫原子電子雲
在量子力學中，薛定諤方程波函數的平方Ψ²描述的是原子核外電子出現的幾率，即我們通常所說的電子雲，現代教科書講，氫原子電子雲呈立體球形分佈（圖-1），而對於由二個氫原子結合的氫分子而言，則其電子雲成呈橄欖核分佈（圖-2）。
圖-2.二個氫原子結合成氫分子的電子雲
其實，這種描述不但過於籠統，而且也不真實，更不符合量子力學空間量子化原理“精神”。
我們知道，H2有兩種自旋異構體，分別是正氫（orthohydrogen）（兩原子核自旋平行），仲氫（parahydrogen）（兩原子核自旋反平行），如圖-3所示；而且H2結構對稱，雖沒有電偶極矩，但有電四極矩性。
圖-3.正氫與仲氫原子結合示意圖
在量子力學雜化軌道論中，對氫原子中各種電子雲的描述都是通過對“四個量子數”的立體計算來完成其“繪圖”可視化效果的，如圖-4所示：
圖-4.氫原子電子雲
但隨著科技的進步，我們現在可以藉助於量子物理原理和日益強大的可視化技術來窺探電子雲的美妙英姿了，目前比較先進的可視化技術對氫原子各個電子軌道模擬的可視效果圖如圖組-5所示：
圖-5.氫原子的電子雲可視化圖
電子繞氫分子想象圖
在量子力學“四個量子化”概念中，最難理解和描述的可能就是“空間量子化”了，對此，量子力學是通過角量子數與磁量子數予以確定和描述的，如圖-6所示：
圖-6.核外電子雲空間量子化取向
但我總認為，這種描述帶有一些主觀性和模糊性，其實，電子雲的空間量子化成因應該與原子核自旋磁矩與電子自旋磁矩的存在有關（圖-7），而量子力學卻恰恰沒有從原子核與電子自旋磁矩這一本質屬性入手來考慮空間量子化問題。
圖-7.核與電子自旋磁矩
如果我們將原子核自旋磁矩與電子自旋磁矩的方向性與電子軌道磁矩的方向性結合在一起來理解電子空間量子化問題，則可以看出，電子在核外運動遵循空間量子化的起因是原子核自旋磁矩對電子自旋磁矩產生“磁極矩”作用的結果，這就如同圖-8所示，磁陀螺自旋軸因中心磁體磁矩作用，而使磁陀螺產生繞中心磁體傾斜公轉的運動一樣。
圖-8.自旋磁陀螺繞中心磁體公轉（微重力環境）
其實，這種軌道傾斜公轉形式在太陽系中表現得最“可視化”，如地球繞太陽公轉，如果從地球自旋磁場與太陽自旋磁場角度來思考，則這種公轉形式就可以描繪成如圖-9所示的情景，而產生這種運動情景的物理原理與電子繞核運動情景原理應該是一致的，即都是中心體自旋磁軸對繞體自旋磁軸產生“磁極矩”作用的結果。
圖-9.磁地球繞磁太陽的公轉
以上說了這麼多氫原子的電子雲問題，也該打住去說說氫分子的電子雲問題了。
我們知道，氫分子是由二個氫原子結合而成的，為此我們可以用圖-10來形象地解讀這種結合。
圖-10.氫分子
而現代教科書認為，二個氫原子會以“共價鍵”的形式結合成氫分子，結果就將它們結合後的電子雲描述成簡單的電子雲球形疊加，如圖-11所示；但但仔細分析可以看出這種描述的弊端和“不科學性”來，因為這種並沒有考慮氫原子核有自旋磁軸的取向性這一本質問題。
圖-11.氫分子電子雲
不過，現在較新的研究成果對所謂“共價鍵”的描述就比以前教科書“科學”多了，它們認為二個氫原子結合成氫分子時，氫原子的自旋軸是相互平行的，如圖-12所示；但這種結合排列仍有一個問題，那就是氫分子中電子軌道角動量方向及電子自旋角動量方向該由什麼物理要素來控制？總不能夠說它們是“信馬由韁”的隨機分子吧！
圖-12.氫分子中氫原子核自旋軸排列方式
但值得欣慰的是，我最近看到報道：德國、美國、西班牙、俄羅斯以及澳大利亞的科學家合作，通過現代科技可視化技術測定，氫分子波函數平方圖像Ψ²(H2)呈“水”字形，如圖-13所示：
圖-13.氫分子電子雲可視化圖
如果此圖“真實”，那麼，依據我提出的“磁極矩原理”就可以推理出，二個氫原子結合成氫分子時，二個氫核的自旋軸應該是以“上下"方式結合而成的，這種結合的空間磁場表現形式可以用圖-14所示的宏觀磁體”上下“排列後的磁場分佈來“比擬”。
圖-14.上下排列的柱磁體磁場
在這種”上下“排列的磁場中，依據“磁極矩原理”，則二個氫核外磁場空間至少可以給電子提供3個穩定的磁運行軌道，如圖-15所示，這樣我們就可以看出氫分子電子雲分佈正符合圖-13所描繪的“可視化”情況。
圖-15.二個氫核上下排列組成的氫分子
注：《多國科學家合作首次創建氫分子波函數平方圖像》：https://www.toutiao.com/i6512249125461819911/
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