又见“氢”云“水”连天
——对氢分子电子云描述方法变迁与其形成物理机制的思考
最近，在科学网看到一篇关于氢分子电子云可视化研究新成果的报道——《多国科学家合作首次创建氢分子波函数平方图像》，其结果是把氢分子电子云描绘呈“水”字形，读后感触颇深，于是，记录了一点就氢分子电子云描述及其形成物理机制问题的思考与漫谈，现拿出来与大家分析和商榷，对此“思考与漫谈”如有不妥，望大家一笑了之吧......
图-1.氢原子电子云
在量子力学中，薛定谔方程波函数的平方Ψ²描述的是原子核外电子出现的几率，即我们通常所说的电子云，现代教科书讲，氢原子电子云呈立体球形分布（图-1），而对于由二个氢原子结合的氢分子而言，则其电子云成呈橄榄核分布（图-2）。
图-2.二个氢原子结合成氢分子的电子云
其实，这种描述不但过于笼统，而且也不真实，更不符合量子力学空间量子化原理“精神”。
我们知道，H2有两种自旋异构体，分别是正氢（orthohydrogen）（两原子核自旋平行），仲氢（parahydrogen）（两原子核自旋反平行），如图-3所示；而且H2结构对称，虽没有电偶极矩，但有电四极矩性。
图-3.正氢与仲氢原子结合示意图
在量子力学杂化轨道论中，对氢原子中各种电子云的描述都是通过对“四个量子数”的立体计算来完成其“绘图”可视化效果的，如图-4所示：
图-4.氢原子电子云
但随着科技的进步，我们现在可以借助于量子物理原理和日益强大的可视化技术来窥探电子云的美妙英姿了，目前比较先进的可视化技术对氢原子各个电子轨道模拟的可视效果图如图组-5所示：
图-5.氢原子的电子云可视化图
电子绕氢分子想象图
在量子力学“四个量子化”概念中，最难理解和描述的可能就是“空间量子化”了，对此，量子力学是通过角量子数与磁量子数予以确定和描述的，如图-6所示：
图-6.核外电子云空间量子化取向
但我总认为，这种描述带有一些主观性和模糊性，其实，电子云的空间量子化成因应该与原子核自旋磁矩与电子自旋磁矩的存在有关（图-7），而量子力学却恰恰没有从原子核与电子自旋磁矩这一本质属性入手来考虑空间量子化问题。
图-7.核与电子自旋磁矩
如果我们将原子核自旋磁矩与电子自旋磁矩的方向性与电子轨道磁矩的方向性结合在一起来理解电子空间量子化问题，则可以看出，电子在核外运动遵循空间量子化的起因是原子核自旋磁矩对电子自旋磁矩产生“磁极矩”作用的结果，这就如同图-8所示，磁陀螺自旋轴因中心磁体磁矩作用，而使磁陀螺产生绕中心磁体倾斜公转的运动一样。
图-8.自旋磁陀螺绕中心磁体公转（微重力环境）
其实，这种轨道倾斜公转形式在太阳系中表现得最“可视化”，如地球绕太阳公转，如果从地球自旋磁场与太阳自旋磁场角度来思考，则这种公转形式就可以描绘成如图-9所示的情景，而产生这种运动情景的物理原理与电子绕核运动情景原理应该是一致的，即都是中心体自旋磁轴对绕体自旋磁轴产生“磁极矩”作用的结果。
图-9.磁地球绕磁太阳的公转
以上说了这么多氢原子的电子云问题，也该打住去说说氢分子的电子云问题了。
我们知道，氢分子是由二个氢原子结合而成的，为此我们可以用图-10来形象地解读这种结合。
图-10.氢分子
而现代教科书认为，二个氢原子会以“共价键”的形式结合成氢分子，结果就将它们结合后的电子云描述成简单的电子云球形叠加，如图-11所示；但但仔细分析可以看出这种描述的弊端和“不科学性”来，因为这种并没有考虑氢原子核有自旋磁轴的取向性这一本质问题。
图-11.氢分子电子云
不过，现在较新的研究成果对所谓“共价键”的描述就比以前教科书“科学”多了，它们认为二个氢原子结合成氢分子时，氢原子的自旋轴是相互平行的，如图-12所示；但这种结合排列仍有一个问题，那就是氢分子中电子轨道角动量方向及电子自旋角动量方向该由什么物理要素来控制？总不能够说它们是“信马由缰”的随机分子吧！
图-12.氢分子中氢原子核自旋轴排列方式
但值得欣慰的是，我最近看到报道：德国、美国、西班牙、俄罗斯以及澳大利亚的科学家合作，通过现代科技可视化技术测定，氢分子波函数平方图像Ψ²(H2)呈“水”字形，如图-13所示：
图-13.氢分子电子云可视化图
如果此图“真实”，那么，依据我提出的“磁极矩原理”就可以推理出，二个氢原子结合成氢分子时，二个氢核的自旋轴应该是以“上下"方式结合而成的，这种结合的空间磁场表现形式可以用图-14所示的宏观磁体”上下“排列后的磁场分布来“比拟”。
图-14.上下排列的柱磁体磁场
在这种”上下“排列的磁场中，依据“磁极矩原理”，则二个氢核外磁场空间至少可以给电子提供3个稳定的磁运行轨道，如图-15所示，这样我们就可以看出氢分子电子云分布正符合图-13所描绘的“可视化”情况。
图-15.二个氢核上下排列组成的氢分子
注：《多国科学家合作首次创建氢分子波函数平方图像》：https://www.toutiao.com/i6512249125461819911/
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