电子跃迁的本质是什么?

丘崇坛


有人认为电子跃迁会发生空间位移,那是因为他们不了解电子跃迁的本质。在两个原子态之间跃迁的电子不会跃过任何空间。电子跃迁的想法极易引起误解,并且常常被误解。让我们一起探讨电子跃迁的本质是什么。

首先,电子是量子物质。这样,它既充当波又充当粒子。当作为原子的一部分结合时,电子的作用就像波,在原子中的电子散布成云状的波形,称为“轨道”。如果仔细观察一个原子的各个轨道(例如氢原子),我们会发现它们在空间中都重叠。

因此,当电子从一个原子能级跃迁到另一能级时,它实际上不会发生空间跃迁。它只是改变波的形状。波动更大的轨道形状包含更多的能量。换句话说,当电子跃迁到较低的原子能级时,其波形会发生变化,从而使轨道扭结变少。但是电子不会“跳”到任何地方。

原子中电子的波特性与吉他弦上的经典波动非常相似。当我们拔动吉他弦时,会激发弦中的驻波,这些驻波会发出声音。某些弦只能承受某些类型的驻波,因为该弦的两端都被夹紧固定在吉他上。特定弦上允许的波类型称为“谐波”。琴弦的谐波取决于琴弦的长度、张力和密度。因此,特定的吉他弦(具有特定的长度、张力和质量)只能演奏某种类型的声音,这是其谐波的组合。

如果我们轻轻拔动琴弦,则可以在弦上产生一个波,该波主要是较低的基本谐波(扭结很少),也可以在吉他弦上创建一个较高的谐波(有很多扭结)。如果想激发一个吉他弦的高次谐波,则需要消耗更多的能量。

此外,如果我们适当地拨动琴弦,以便强烈地激发琴弦中的高次谐波,我们甚至可以诱使琴弦过渡到能量较低的谐波。当吉他琴弦从高能量状态转变为低能量状态时,吉他弦上的波动不会发生任何变化,只是波改变形状。以类似的方式,某个原子中可能存在的离散的电子轨道组实际上是原子的谐波。电子可以通过吸收能量,并使波扭结增多,从而转变为较高的谐波形状,或者通过发射能量减少波的扭结而转变为较低的谐波形状。

在这一点上我们只要记住,原子中跃迁的电子不会从空间的一个位置跃迁到空间的另一个位置。但是我们可能仍然担心电子会从一种能级跃升到另一种能级,从而绕过所有介于两者之间的能态。

尽管我们在谈论的是能级的跃迁,而不是空间的跃迁,但这种跃迁可能会让我们感到别扭。事实是,原子中的电子跃迁实际上并不是从一个能级跃迁到另一能级,而是平滑过渡。我们可能会想:“量子理论难道不告诉我们,原子中的电子只能以一定的离散能级存在吗?”实际上,没有。量子理论告诉我们,具有固定能量的电子只能存在于一定的离散能级上。

这种区别非常重要。 “静止能量”是指电子的能量在相当长的一段时间内保持恒定。特定原子的轨道并不是电子可以在原子中发生的唯一允许状态。它们是原子的唯一稳定状态,这意味着当电子在原子中沉降到特定状态时,它必须处于一种轨道状态。

当电子处于稳定状态之间的过渡过程中时,它本身是不稳定的,因此对其能量的限制较小。实际上,跃迁的电子甚至没有明确定义的能量。由于电子的跃迁,固有的量子不确定性出现在电子的能量中。电子跃迁越快,其能量就越不确定。

这种“先天的量子不确定性”不是一些形而上学的奥秘,而更好地理解为波扩散到许多值上。正如电子可以散布成在整个空间范围内延伸的波一样,它也可以散布成在沿能量尺度的范围内延伸的波。

如果计算此跃迁电子的能量分布的平均能量(“期望值”),则会发现电子的平均能量不会立即从一种能级跃升到另一种能级。相反,它在一段时间内平均从一个能级平稳过渡到另一个能级。实际上根本没有“瞬时的量子跃迁”。

电子不会在空间中跃迁,也不会在能量尺度跃迁。实际上,“量子跃迁”一词几乎被科学家们普遍回避,因为它极具误导性。如果我们想要更好地理解原子中的电子跃迁,我们脑中一定要有这样概念,在能量尺度上电子会沿着能级从一个稳定状态平稳地滑动到另一个状态。经典的原子中的电子跃迁是如此之快(通常约为纳秒),所以对于人类迟钝的感觉而言,它似乎几乎是瞬时的,但从根本上来说并非如此。


科技领航人


为了说明微观世界的或然性和不连续性,人们在量子力学中提出了势阱模型。这就好比一个具有一定能量的粒子落入井中,因为具有能量不会停留在井底,但能量又不够大从而受困于井中,无法逃脱出来。

然而,对于微观粒子来说,其具有与宏观物质不同的两个特殊的性质。

第一个特性是隧道效应,即便是低能粒子也有机会逃逸出来,就好像是在井壁上凿出了一条隧道。其原因在于,井壁只是粒子高速运动所形成的封闭性,具有概率性。这就相当于向电扇发射子弹,子弹无碍通过是具有概率的,大约等于子弹与扇叶速度的比值。

第二个特性是量子化条件,即粒子在势阱中的存在状态是不连续的。实际上,就是同时满足两个势阱壁的能量是不连续的,类似二元一次方程组的解,有两个不相等的解。

举个形象的比喻,电子在原子中的能级就像高层住宅🏠,电子只能根据其能量的大小待在不同的楼层居住,不允许待在非整数的楼层如1.5层居住。当原子中的电子受到了能量的激发(通电),如果能量合适则该电子获得能量搬入上层居住,如果能量不合适就拒绝接收能量或被能量赶出住所。

然而,获得能量的电子,在高层居住的治安环境并不好,经常发生偷盗。当电子的能量被偷之后,电子就无权住在高层了,被赶回底层居住。

这就是电子从激发态跃迁回基态的物理机制。偷走能量的是作为物理背景的空间量子,使该量子由原来的基态转变为激发态,成为能够引起我们人眼感应的光子。

所以,电子跃迁的本质,是高能电子通过激发空间量子,使之成为光子,将自身的能量转移给了量子空间,从而回归到低能的基态。


淡漠乾坤


提问者能提出这个问题还是具有一定物理基础知识的。

有高中物理知识的读者就会知道,电子从高能级的轨道跃迁至低能级的轨道会释放能量,低能级的轨道跃迁到高能级的轨道要吸收能量,这些能量就是以光子的形式吸收或者放出的。

那么怎么去理解“跃迁”这个过程呢?

如果从经典物理的角度去考虑,就会产生这样的问题,电子从高能级轨道到低能级轨道是怎么滑过去的?是以多快的速度以怎样的方式过去的?“跃迁”两字到底如何理解,低能级的电子还是原来高能级的那个电子吗?

图释:经典力学模型

电子跃迁的本质不能从经典物理学的角度去思考,要想知道电子跃迁的本质需要从量子物理的角度去思考。

在量子物理学中高能轨道低能轨道并不是我们想象中的电子运动的实际轨道,而是高能级和低能级分别对应一种概率波。轨道跃迁并不是电子真的发生了轨道变化,而是高能级和低能级对应波函数发生了演化。

图释:量子力学模型

不过更深层次的问题,波函数到底是如何演化的,目前还在研究当中,尚不明确。

今天的科普就到这里了,更多科普欢迎关注本号!


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