量子跃迁与钠氯原子的“食盐社区”
上一篇咱们聊到了玻尔,提到了玻尔模型,我们继续来聊聊量子跃迁。
这也是玻尔提出来的。我们中学学物理的时候,知道了原子是绕着原子核转圈圈,而且从化学里知道了不同的元素有不同的原子数,比如氢原子只有1个电子,钠原子有11个电子。实际上,这些电子并不是围着原子核一圈均匀分布的,而是有不同的圈层,比如钠原子,内圈有2个电子,最外圈有1个电子,中间层有8个电子。玻尔规定:当电子处在某个定态的时候,它就是稳定的,不会放射出任何形式的辐射而失去能量。这样,就不会出现崩溃问题了。所以我们看到的各种元素周期表中的元素就能够稳定地箍住电子。在《上帝掷骰子吗?:量子物理史话》一书中结合量子跃迁提到:
如果电子从E2跃迁到E1,这并不表示,电子在这一过程中经历了E2和E1两个能量之间的任何状态。如果你还是觉得困惑,那表示连续性的幽灵还在你的脑海中盘旋。事实上,量子像一个高超的魔术师,它在舞台的一端微笑着挥舞着帽子登场,转眼间便出现在舞台的另一边。而在任何时候,它也没有经过舞台的中央部分!
是的,玻尔已经在玻尔模型中证明了量子是一份一份的这种模式。电子要换轨道,就像瞬移一样,不会出现中间状态。
一个原子的化学性质主要取决于它最外层的电子数量,并由此表现出有规律的周期性来,这就为周期表的存在提供了最好的理论依据。
像我们上文提到的钠原子,在其最外层只有一个电子。这一性质使得钠在化学反应中容易失去这一个电子形成+1价的离子(Na+),从而表现出强烈的还原性,并且在自然界中通常以化合物的形式存在。书中对这一现象做了一个形象的比喻,每种元素的原子,一共有多少电子,可以分为几个轨道,都是一个定数,就像一个宿舍楼一样。比如钠原子,一楼就只有两个房间,每个房间容纳一个电子,二楼有8个房间,不过能够来这个房间住的电子要求的能量更高,就像我们爬上楼要消耗更多能量一样。书中提到:
我们设想一座“钠大厦”,在它的三楼,只有一位孤零零的房客住在3001房。而在相邻的“氯大厦”的三楼,则正好只有一间空房没人入住(3122)。出于电子对热闹的向往,钠大厦的那位孤独者顺理成章地决定搬迁到氯大厦中去填满那个空白的房间,而其也受到了那里房客们的热烈欢迎。这一举动也促成了两座大厦的联谊,形成了一个“食盐社区”。
除了第一层之外,往上都是8个电子形成稳定态,钠原子最外层的电子蠢蠢欲动,正好碰到了17个电子的氯原子,按照底层2电子,中间8电子,外层7电子分布,相当于有一个空的房间,可以多容纳一个电子就稳定了,正好钠原子的电子像换房间,自己一个人住在一层太孤单,去氯原子宿舍多热闹,于是就形成了我们饮食上不可或缺的食盐了。当然,一个电子轨道能装下多少个电子数目的定数,也不是我瞎说的,而且有科学家的解释:
年轻的泡利在1925年做出了解答:他发现,没有两个电子能够享有同样的状态,而一层轨道所能够包容的不同状态,其数目是有限的,也就是说,一个轨道有着一定的容量。当电子填满了一个轨道后,其他电子便无法再加入到这个轨道中。
通过量子跃迁,我们不仅看到了元素的稳定性,还明白了它们是如何相互反应的。钠和氯的住宿故事让我们感受到微观世界的有趣与神奇。这就是原子之间的默契,展现了自然界的奇妙之处。
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