電子繞著原子核旋轉,那麼電子與原子核之間巨大的空間裡有什麼?

禪者zen


盧瑟福的核式模型

人們最熟悉的原子模型,就是我們在中學學到的盧瑟福核式或者行星模型,他認為電子繞著原子核旋轉,就像行星繞著太陽按軌道運行一樣,使我們首先明白了原子核的概念。

但這個早期的行星模型具有重大的缺陷,它無法解釋原子的穩定性,也就是為什麼電子繞核運行,但沒有失去能量而掉到原子核上,這和電磁學理論是矛盾的。

玻爾的量子化原子模型

1911年,玻爾提出了原子內能量的量子化,在穩定軌道上運行的電子不輻射能量,在不同能級之間躍遷的能量也必須是量子化的。這就構成了玻爾的原子模型,我們瞭解到電子軌道的半徑和能量都是量子化的。

量子力學模型:從固定軌道到電子雲

1926年,薛定諤利用德布羅意物質波的概念創建了波動力學,同時海森堡提出了不確定性原理,也就是電子的位置和動量是不可同時測定的,所以電子軌道和星系軌道有很大的差別。

現在的量子模型,只能預測電子在某一區域出現的概率。電子在特定區域出現的概率可以計算,這些出現概率高的區域被稱為電子雲。

所以,原子內部還是非常空曠的,在中子星這樣密度和引力巨大的星球上,原子結構就會坍縮,電子才會被壓的和質子結合,轉化為中子。

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量子實驗室


很多人會有誤區,認為電子和原子核可以類比成是太陽和圍繞太陽運動的行星的關係,其實這是完全錯誤的,宏觀世界中我們認為地球和太陽之間是真空的宇宙,宏觀世界依靠物質間的間隔來保證彼此獨立,但微觀世界遵從的是不確定的波函數關係。以前初中科學課本上老師講過原子的結構,我們都以為原子的結構是下圖中這樣的。

但實際上,這只是方便我們去理解,電子並不是在固定軌道上運動的,電子是以不確定的電子雲方式出現的,就像下圖中這樣。

而我們千萬不要從空間的角度去思考電子和原子核之間的關係,我們應該從概率的角度去思考這個問題,電子和原子核之間存在的其實還是電子。因為在微觀世界中原子核外一定範圍內任何空間都有可能存在電子,他們具體在什麼位置實際上是不確定的,出現的位置是一個概率問題,而不是已經確定的事情,所以我們可以認為電子是充滿了整個原子核外的空間的。但我想了下題主所想表達的意思也有可能是電子和原子核之間除了電子還有什麼?目前大多數科學家認為電子和原子核之間存在旋渦狀的磁場。


科學薛定諤的貓


施鬱

(復旦大學物理學系教授)

題主的思路是按照經典物理的思路,以為電子繞著原子核旋轉就類似行星繞著太陽轉。

電子與原子核要服從量子力學,電子在原子核周圍所有的位置都有一定的概率出現。在不受環境干擾的情況下,電子在原子核外有一個連續分佈的波函數,也就是說,在任何位置都有概率出現。這個波函數的模的平方就是幾率,或者說概率。

如果測量電子,它就被發現在某個位置。那麼在這個瞬間, 電子的位置是確定的,在周圍的空間是沒有電子的,什麼也沒有。但是電子的波函數立即按照這個初始條件開始演化。

波函數中有一種特殊的波函數,叫做定態。一旦落在這樣一個波函數上,那麼電子就永遠處在這個波函數上,而且能量保持不變。對應於最低可能的能量的定態叫做基態,這個波函數是球面對稱的。


物理文化與施鬱世界線


基本的回答是:還是電子。就像周星馳電影《武狀元蘇乞兒》裡的臺詞:

蘇察哈爾燦:乞丐中的霸主?那是什麼?

洪日慶:還是乞丐。

言歸正傳。你之所以覺得電子和原子核之間有巨大的空間,是因為實驗上至今都沒有發現電子有不為零的半徑(所有的這類實驗,都測不出電子半徑的下限),也就是說,對於電子的標準描述,仍然是一個半徑為零的幾何點。

一個原子的尺度在10的-10次方米的量級,一個原子核的尺度在10的-15次方米的量級,因此原子核的體積只佔原子體積的10的15次方分之一,即一千萬億分之一。在這個意義上,原子的絕大部分空間都是空著的。

原子模型

但是,如果你認為電子就像個檯球,在某個時刻必然有個確定的位置,那就錯了。這樣的想法,必然導致跟實驗矛盾的預測。

為了跟實驗一致,現在對電子的標準描述是這樣:電子的狀態由一個函數ψ(讀作“psi”)描述,這個函數稱為電子的波函數,它的自變量是空間座標xyz。對於空間每一個點(x, y, z),波函數在這點的取值的絕對值的平方,即|ψ(x, y, z)|^2,就等於電子出現在這一點的幾率。

看到這種描述的微妙之處了嗎?電子有幾率出現在任何位置。不過,在整個空間找到電子的幾率必然是100%,因為這裡描述的就是一個電子,所以|ψ(x, y, z)|^2對整個空間積分之後必然等於1。

一旦你做一個位置測量,在某個位置找到了電子,那麼你找到的就是一個電子,而不是半個電子、1/3個電子或者|ψ(x, y, z)|^2個電子。因此,電子仍然是個粒子,但它的分佈幾率是彌散在整個空間的。

回到原題。你最好不要認為電子在某個時刻是一個點,留下了原子的大片空白區域。合理的看法是,電子彌散成了“電子雲”,佔滿了整個空間(因此原子也沒有明確的界限,只是在所謂原子半徑外找到電子的幾率很小而已)。只有在你對電子測量位置的時候,才能把它的位置確定下來。


袁嵐峰


電子繞著原子核旋轉,那麼電子與原子核之間巨大的空間裡有什麼?

有一個比喻是如果原子相當於一個大禮堂的話原子核就是裡面的一個乒乓球,如此來形容原子內部的空間是非常寬敞的,但這巨大的空間內部除了電子外就什麼都沒有了嗎?

經典原子模型

動態的電子與原子核模型,周圍黃色小點代表的是電子,你會發現這些電子在原子核周圍出現的概率是隨機的,根據量子力學的不確定性原理,我們是無法測得電子的具體軌道的,只有電子的能級狀態,其從高能級跌落的時候會釋放出光子。

請忽略掉這個示意圖中的圓形電子軌道,實際上是不存在的,僅供示意,不宜較真!因此在這個區域裡,至少還存在光子的存在,其實除了光子外還有中微子和引力子(當然這個還停留在理論上未經證實)

儘管存在上述這些粒子,但這個空間內部依然是十分空曠的,所以在恆星哦白矮星以及中子星階段都將這個壓縮了,不再存在這個空間,更極端的還有黑洞,在這個天體裡,甚至都不存在任何多餘的空間,因為所有的物質都被擠入一個沒有體積的點內........


星辰大海路上的種花家


在中學階段,對於原子內部的描述,和太陽系模型有些類似,電子就如行星那樣,有著清晰的軌道,繞著原子核(太陽)在運轉。

但這只是經典力學的看法,在量子力學中,原子核周邊的電子被電子雲所代替,也可以這麼說:再被觀測到之前,電子存在於原子核周邊每個位置,只是每個位置的概率不一樣。

而原子核周邊除了電子雲的存在,還有光子、引力子等,這些都是產生基本相互作用的粒子,比如電磁相互作用、引力相互作用(雖然在原子尺度上經常忽略不計)。

雖然聽上去有些不可思議,但這就是事實,這個世界的運行法則不都像宏觀世界那般平滑連續。當然了,量子力學和相對論這兩個分別代表微觀和宏觀世界的理論,還沒能統一,但物理學家們就在努力中,力圖得到一個在同一個框架下能解釋萬物的理論。

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賽先生科普


原子由原子核及核外電子構成,原子核的體積比原子體積小得多得多,原子內原子核的體積只佔原子體積的千億分之一,乍一看,原子核外有著大量的空餘空間,實際並不是如此。

我們是無法精確描述原子的直徑的,只是通過對兩個相鄰的原子核的平均核間距進行測量而得到的。原子核外瀰漫著電子,電子是基本粒子的一種,描述它的行為不能像描述宏觀物體一樣,準確的描述它的位置與其它物理量。

它出現在原子核外“廣袤”的空間是概率性的,有的地方出現的概率大,有的地方出現的概率低,所以,採用電子雲模型來描述它,就像下圖一樣,黑點密集的區域是電子出現概率較大的地方,稀疏的區域,電子出現的概率就低。

而且電子也沒有所謂的“軌道”,只存在能級,一個電子從高能級躍遷至低能級時,則會釋放出一個光子,反之則是吸收。

所以說,這個“廣袤”的空餘空間裡有什麼?有電子,有能量,因為無論在哪個位置上,都可能會有電子出現,所以可以理解為被電子充斥著,這就跟上面說的原子沒有準確的直徑一樣,就像上面的那個電子雲模型的圖,沒有一個精確的最外面,只是把電子出現概率極低極低的區域模糊的定義為邊界。


一枚遊戲科幻迷


答:電子和原子核之間,並不是完全空的,而是存在電子、光子、中微子、甚至引力子和其他更基本粒子。


如果只看以上回答,部分人肯定有點懵,我們需要整理一下量子力學的觀點,拋棄一些經典力學的看法。



在經典力學中,電子繞著原子核做週期性運動,電子有固定軌道,在不同軌道間躍遷釋放光子。

但實際上並不是這樣的,這個模型旨在於方便大多數人的理解而已,我們需要用量子力學的視角,來重新審視這個模型。


量子力學觀點:

(1)電子不再擁有固定的軌道,因為不確定原理,電子將以電子雲的方式,充滿原子核的周圍,在當前能級的周圍出現的概率最大,所以電子軌道和原子核間,也是可能發現電子的;



(2)電子和原子核中的質子,存在電磁相互作用,而電磁相互作用的載體是光子,或者說電磁場,所以電子和原子核間,時時刻刻都在發生光子的交換;

(3)量子力學中,引力子描述為傳遞引力的介子,雖然目前還未證實,但基於量子力學,電子和原子核間存在引力作用,自然也有引力子的交換;

(4)其他基本粒子,比如中微子等等,在一些特殊情況下,這些粒子也會經過電子和原子核間的空間;




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艾伯史密斯


很多人把原子內部的結構比作太陽系的結構,認為原子核就像是太陽,而外部的電子就像是行星!

但事實上這種理解方式並不準確。微觀世界裡的電子並不是像行星那樣以一個固定的軌道圍繞原子核運轉,以為微觀世界一切都是不確定的,都需要用概率描述!

簡單來說,原子核外面的電子沒有固定的軌道,不確定性註定了電子的位置是不確定的,我們只能用概率去描述電子的概率!

這種不確定性不是因為我們的測量水平不夠無法測量準確,而是真的不確定,並有相關公式加以描述!

這就意味著,我們觀看原子內部的電子時,它會以“電子雲”的形式呈現,也可以理解為可以同時出現在各個地方!

同時除了電子之外,還會有中微子,此時此刻就有成千上萬箇中微子穿過你我身體,當然更會有希格斯場,它是質量產生的根源!


宇宙探索


原子核和電子的半徑約10^-15米,原子半徑約10^-10米。這樣算下來整個原子空間是電子的約1百萬億倍之多。打個比方,如果把原子核和電子比作玻璃彈珠,那麼整個原子就是500個標準足球場大小的場地。目前元素週期表中電子數最多的元素是112號元素,有112個電子,那麼就相當於一個500個足球場大小的空間裡面放上112個玻璃彈珠,幾乎就看不見有東西,可想而知,原子可以被認為基本上是空的。



雖然原子絕大部分空間是空無一物,沒有任何東西。但是原子內的電子卻只能夠存在於特定的軌道上,這些電子不能夠隨便出現在這些空間內。描述電子軌道的模型有類似的行星模型和電子雲波函數模型,都是說明電子運動不是隨意的,有些地方電子可以出現,有些地方它永遠去不了。就好像空間是被分割的一樣,電子只能夠跳躍式的躍遷,而不能夠連續的運動。



如果按照真空的定義,那原子內部巨大的空間就是真空,沒有任何物質存在。當然,中微子等小粒子可以隨意穿越。不過,如果按照狄拉克的說法,真空就是充滿了負能態的電子海,這些電子能級是負的,和正能級能量差別太大,故而無法躍遷無法顯現。不過當有足夠大的能量時,這些負能級的電子就會憑空而生。


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