电子绕着原子核旋转,那么电子与原子核之间巨大的空间里有什么?

禅者zen


卢瑟福的核式模型

人们最熟悉的原子模型,就是我们在中学学到的卢瑟福核式或者行星模型,他认为电子绕着原子核旋转,就像行星绕着太阳按轨道运行一样,使我们首先明白了原子核的概念。

但这个早期的行星模型具有重大的缺陷,它无法解释原子的稳定性,也就是为什么电子绕核运行,但没有失去能量而掉到原子核上,这和电磁学理论是矛盾的。

玻尔的量子化原子模型

1911年,玻尔提出了原子内能量的量子化,在稳定轨道上运行的电子不辐射能量,在不同能级之间跃迁的能量也必须是量子化的。这就构成了玻尔的原子模型,我们了解到电子轨道的半径和能量都是量子化的。

量子力学模型:从固定轨道到电子云

1926年,薛定谔利用德布罗意物质波的概念创建了波动力学,同时海森堡提出了不确定性原理,也就是电子的位置和动量是不可同时测定的,所以电子轨道和星系轨道有很大的差别。

现在的量子模型,只能预测电子在某一区域出现的概率。电子在特定区域出现的概率可以计算,这些出现概率高的区域被称为电子云。

所以,原子内部还是非常空旷的,在中子星这样密度和引力巨大的星球上,原子结构就会坍缩,电子才会被压的和质子结合,转化为中子。

欢迎评论,关注量子实验室。


量子实验室


很多人会有误区,认为电子和原子核可以类比成是太阳和围绕太阳运动的行星的关系,其实这是完全错误的,宏观世界中我们认为地球和太阳之间是真空的宇宙,宏观世界依靠物质间的间隔来保证彼此独立,但微观世界遵从的是不确定的波函数关系。以前初中科学课本上老师讲过原子的结构,我们都以为原子的结构是下图中这样的。

但实际上,这只是方便我们去理解,电子并不是在固定轨道上运动的,电子是以不确定的电子云方式出现的,就像下图中这样。

而我们千万不要从空间的角度去思考电子和原子核之间的关系,我们应该从概率的角度去思考这个问题,电子和原子核之间存在的其实还是电子。因为在微观世界中原子核外一定范围内任何空间都有可能存在电子,他们具体在什么位置实际上是不确定的,出现的位置是一个概率问题,而不是已经确定的事情,所以我们可以认为电子是充满了整个原子核外的空间的。但我想了下题主所想表达的意思也有可能是电子和原子核之间除了电子还有什么?目前大多数科学家认为电子和原子核之间存在旋涡状的磁场。


科学薛定谔的猫


施郁

(复旦大学物理学系教授)

题主的思路是按照经典物理的思路,以为电子绕着原子核旋转就类似行星绕着太阳转。

电子与原子核要服从量子力学,电子在原子核周围所有的位置都有一定的概率出现。在不受环境干扰的情况下,电子在原子核外有一个连续分布的波函数,也就是说,在任何位置都有概率出现。这个波函数的模的平方就是几率,或者说概率。

如果测量电子,它就被发现在某个位置。那么在这个瞬间, 电子的位置是确定的,在周围的空间是没有电子的,什么也没有。但是电子的波函数立即按照这个初始条件开始演化。

波函数中有一种特殊的波函数,叫做定态。一旦落在这样一个波函数上,那么电子就永远处在这个波函数上,而且能量保持不变。对应于最低可能的能量的定态叫做基态,这个波函数是球面对称的。


物理文化与施郁世界线


基本的回答是:还是电子。就像周星驰电影《武状元苏乞儿》里的台词:

苏察哈尔灿:乞丐中的霸主?那是什么?

洪日庆:还是乞丐。

言归正传。你之所以觉得电子和原子核之间有巨大的空间,是因为实验上至今都没有发现电子有不为零的半径(所有的这类实验,都测不出电子半径的下限),也就是说,对于电子的标准描述,仍然是一个半径为零的几何点。

一个原子的尺度在10的-10次方米的量级,一个原子核的尺度在10的-15次方米的量级,因此原子核的体积只占原子体积的10的15次方分之一,即一千万亿分之一。在这个意义上,原子的绝大部分空间都是空着的。

原子模型

但是,如果你认为电子就像个台球,在某个时刻必然有个确定的位置,那就错了。这样的想法,必然导致跟实验矛盾的预测。

为了跟实验一致,现在对电子的标准描述是这样:电子的状态由一个函数ψ(读作“psi”)描述,这个函数称为电子的波函数,它的自变量是空间坐标xyz。对于空间每一个点(x, y, z),波函数在这点的取值的绝对值的平方,即|ψ(x, y, z)|^2,就等于电子出现在这一点的几率。

看到这种描述的微妙之处了吗?电子有几率出现在任何位置。不过,在整个空间找到电子的几率必然是100%,因为这里描述的就是一个电子,所以|ψ(x, y, z)|^2对整个空间积分之后必然等于1。

一旦你做一个位置测量,在某个位置找到了电子,那么你找到的就是一个电子,而不是半个电子、1/3个电子或者|ψ(x, y, z)|^2个电子。因此,电子仍然是个粒子,但它的分布几率是弥散在整个空间的。

回到原题。你最好不要认为电子在某个时刻是一个点,留下了原子的大片空白区域。合理的看法是,电子弥散成了“电子云”,占满了整个空间(因此原子也没有明确的界限,只是在所谓原子半径外找到电子的几率很小而已)。只有在你对电子测量位置的时候,才能把它的位置确定下来。


袁岚峰


电子绕着原子核旋转,那么电子与原子核之间巨大的空间里有什么?

有一个比喻是如果原子相当于一个大礼堂的话原子核就是里面的一个乒乓球,如此来形容原子内部的空间是非常宽敞的,但这巨大的空间内部除了电子外就什么都没有了吗?

经典原子模型

动态的电子与原子核模型,周围黄色小点代表的是电子,你会发现这些电子在原子核周围出现的概率是随机的,根据量子力学的不确定性原理,我们是无法测得电子的具体轨道的,只有电子的能级状态,其从高能级跌落的时候会释放出光子。

请忽略掉这个示意图中的圆形电子轨道,实际上是不存在的,仅供示意,不宜较真!因此在这个区域里,至少还存在光子的存在,其实除了光子外还有中微子和引力子(当然这个还停留在理论上未经证实)

尽管存在上述这些粒子,但这个空间内部依然是十分空旷的,所以在恒星哦白矮星以及中子星阶段都将这个压缩了,不再存在这个空间,更极端的还有黑洞,在这个天体里,甚至都不存在任何多余的空间,因为所有的物质都被挤入一个没有体积的点内........


星辰大海路上的种花家


在中学阶段,对于原子内部的描述,和太阳系模型有些类似,电子就如行星那样,有着清晰的轨道,绕着原子核(太阳)在运转。

但这只是经典力学的看法,在量子力学中,原子核周边的电子被电子云所代替,也可以这么说:再被观测到之前,电子存在于原子核周边每个位置,只是每个位置的概率不一样。

而原子核周边除了电子云的存在,还有光子、引力子等,这些都是产生基本相互作用的粒子,比如电磁相互作用、引力相互作用(虽然在原子尺度上经常忽略不计)。

虽然听上去有些不可思议,但这就是事实,这个世界的运行法则不都像宏观世界那般平滑连续。当然了,量子力学和相对论这两个分别代表微观和宏观世界的理论,还没能统一,但物理学家们就在努力中,力图得到一个在同一个框架下能解释万物的理论。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


原子由原子核及核外电子构成,原子核的体积比原子体积小得多得多,原子内原子核的体积只占原子体积的千亿分之一,乍一看,原子核外有着大量的空余空间,实际并不是如此。

我们是无法精确描述原子的直径的,只是通过对两个相邻的原子核的平均核间距进行测量而得到的。原子核外弥漫着电子,电子是基本粒子的一种,描述它的行为不能像描述宏观物体一样,准确的描述它的位置与其它物理量。

它出现在原子核外“广袤”的空间是概率性的,有的地方出现的概率大,有的地方出现的概率低,所以,采用电子云模型来描述它,就像下图一样,黑点密集的区域是电子出现概率较大的地方,稀疏的区域,电子出现的概率就低。

而且电子也没有所谓的“轨道”,只存在能级,一个电子从高能级跃迁至低能级时,则会释放出一个光子,反之则是吸收。

所以说,这个“广袤”的空余空间里有什么?有电子,有能量,因为无论在哪个位置上,都可能会有电子出现,所以可以理解为被电子充斥着,这就跟上面说的原子没有准确的直径一样,就像上面的那个电子云模型的图,没有一个精确的最外面,只是把电子出现概率极低极低的区域模糊的定义为边界。


一枚游戏科幻迷


答:电子和原子核之间,并不是完全空的,而是存在电子、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,部分人肯定有点懵,我们需要整理一下量子力学的观点,抛弃一些经典力学的看法。



在经典力学中,电子绕着原子核做周期性运动,电子有固定轨道,在不同轨道间跃迁释放光子。

但实际上并不是这样的,这个模型旨在于方便大多数人的理解而已,我们需要用量子力学的视角,来重新审视这个模型。


量子力学观点:

(1)电子不再拥有固定的轨道,因为不确定原理,电子将以电子云的方式,充满原子核的周围,在当前能级的周围出现的概率最大,所以电子轨道和原子核间,也是可能发现电子的;



(2)电子和原子核中的质子,存在电磁相互作用,而电磁相互作用的载体是光子,或者说电磁场,所以电子和原子核间,时时刻刻都在发生光子的交换;

(3)量子力学中,引力子描述为传递引力的介子,虽然目前还未证实,但基于量子力学,电子和原子核间存在引力作用,自然也有引力子的交换;

(4)其他基本粒子,比如中微子等等,在一些特殊情况下,这些粒子也会经过电子和原子核间的空间;




好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


很多人把原子内部的结构比作太阳系的结构,认为原子核就像是太阳,而外部的电子就像是行星!

但事实上这种理解方式并不准确。微观世界里的电子并不是像行星那样以一个固定的轨道围绕原子核运转,以为微观世界一切都是不确定的,都需要用概率描述!

简单来说,原子核外面的电子没有固定的轨道,不确定性注定了电子的位置是不确定的,我们只能用概率去描述电子的概率!

这种不确定性不是因为我们的测量水平不够无法测量准确,而是真的不确定,并有相关公式加以描述!

这就意味着,我们观看原子内部的电子时,它会以“电子云”的形式呈现,也可以理解为可以同时出现在各个地方!

同时除了电子之外,还会有中微子,此时此刻就有成千上万个中微子穿过你我身体,当然更会有希格斯场,它是质量产生的根源!


宇宙探索


原子核和电子的半径约10^-15米,原子半径约10^-10米。这样算下来整个原子空间是电子的约1百万亿倍之多。打个比方,如果把原子核和电子比作玻璃弹珠,那么整个原子就是500个标准足球场大小的场地。目前元素周期表中电子数最多的元素是112号元素,有112个电子,那么就相当于一个500个足球场大小的空间里面放上112个玻璃弹珠,几乎就看不见有东西,可想而知,原子可以被认为基本上是空的。



虽然原子绝大部分空间是空无一物,没有任何东西。但是原子内的电子却只能够存在于特定的轨道上,这些电子不能够随便出现在这些空间内。描述电子轨道的模型有类似的行星模型和电子云波函数模型,都是说明电子运动不是随意的,有些地方电子可以出现,有些地方它永远去不了。就好像空间是被分割的一样,电子只能够跳跃式的跃迁,而不能够连续的运动。



如果按照真空的定义,那原子内部巨大的空间就是真空,没有任何物质存在。当然,中微子等小粒子可以随意穿越。不过,如果按照狄拉克的说法,真空就是充满了负能态的电子海,这些电子能级是负的,和正能级能量差别太大,故而无法跃迁无法显现。不过当有足够大的能量时,这些负能级的电子就会凭空而生。


分享到:


相關文章: