【屏幕亮斑怎么形成的】原子的本质是什么？我们总是错的

我们很多人都知道原子是什么，即质子和中子结合形成原子核，电子围绕原子核旋转。如果我们想拍原子照片，这是我们能看到的吗？还是我们错了？

在过去的100年里，我们对原子的理解发生了巨大的变化。从卢瑟福的原子核试验到中子的发现，我们发现了构成宇宙的基本元素的本质。但是几乎所有的学生都被教导说原子大部分是空的，只有稠密的核和小电子在不同的能级上绕轨道运行。(莎士比亚，原子，原子，原子，原子，原子。

但是这幅画是错误的。主要是因为电子不是点状粒子。电子比这个模糊得多，他们很难确定。这是因为“量子波函数”作为概率场而不是单个粒子存在。听起来很奇怪。让我解释一下。

假设附近有没有原子或电磁力的单独电子。电子的“位置”是最有可能的位置，离这一点越远，电子的指数概率就越低。降低概率的速度称为粒子的量子波函数。

也就是说，电子有很小的机会出现在宇宙的一侧，然后就出现在另一侧。(约翰f肯尼迪，电子名言)但是，这种可能性太小，几乎永远不会发生。

可以说电子以某种方式消失和再现。这意味着创造了这个概率场(电子云的一般描述)。但是从双缝实验中可以看出，这并不完全正确。

双缝实验中使用光子或电子的原理是相同的。光子也不是作为点粒子存在的，而是作为概率场存在的。这个实验将一个光子/电子通过屏幕上非常紧密的两个狭窄缝隙，然后将光/电子束照射到另一个屏幕上。一次一粒！

他们快速连续地完成这个过程，所以你会得到单光子/电子类，通过双缝隙。然后，它被记录在屏幕上的任何位置，以便在第二个屏幕上读取分布。

如果这些粒子是点状粒子，你会在屏幕后面看到不断的亮点。这是因为粒子必须通过一个或另一个狭缝，所以没有什么可以交互的。

但是你根本看不到这个。相反，您可以获得以下干涉模式。

双缝干涉图这是因为粒子的量子波函数实际上通过了两个缝，产生了建设性和破坏性的干涉，如下面的GIF。

这一切听起来很奇怪，就像量子物理学总是看到的一样！

从头开始解释吧。当电子或光子从你身边经过时，由于其量子波函数，我们不会把它看作点粒子。相反，它通过更多的波动。因为发现它的概率逐渐增加和减少。也就是说，这些粒子实际上起到了波的作用(波长是由量子波函数决定的，因此得名)。

像海浪一样，它们可以互相干涉。因此，如果波峰和波谷交汇处有两个粒子，则可以看到双强信号的相位长度干扰。但是，如果峰值与其他山谷排列在一起，则会发生相互干扰，信号会完全抵消。约翰肯尼迪(约翰肯尼迪)如下图所示。

这就是即使只有一个光子/电子，也能在双间隙实验中看到的干涉模式。量子波函数不是粒子，而是波，通过两个狭窄的缝隙，在同一个粒子上产生两个波！

这说明我们不能把电子看作圆点。它们占据了模糊的概率领域。那么这对原子意味着什么呢？这些是

单个电子的整齐轨道是错的吗？我们在化学课上学到的不同能级的轨道呢？这一切都错了吗？

让我们把它分解，让它变得简单。让我们从电子在原子周围的样子开始，然后是不同的能量轨道，最后是原子的样子。

那么，一个模糊的原子绕轨道运行的概率是怎样的呢？还记得导致干涉图案的电子波长吗？这里也发生了同样的事情，它只是缠绕在原子上。

电子仍然被电荷附着在原子核上，这部分还是一样的。只不过，原子扭曲了电子概率场的形状，而不是围绕原子核旋转。这实际上意味着电子将它的量子波函数包裹在原子核周围。

电子和原子核之间的距离可以是非常近的，也可以是非常远的，或者介于两者之间的任何地方，而不是一个非常整齐的轨道。在原子周围有一团模糊的电子概率云，这就是电子云。

那么所有的能级呢？他们和我们高中教的一样吗？对于那些已经忘记的人补充说明一下，原子有不同的能量“壳层”，电子可以围绕它运行。如果原子有更多的能量，那么电子就会在能量更高的外层轨道上运行。

你可能已经猜到了，这不可能是真的。如果电子没有固定的轨道距离，那么就不能有不同的能级。能量壳的真相比我们想象的任何东西都要美丽得多。

这些壳层不是同心壳层，而是电子云的复杂气泡。电子云的不同气泡相互作用，这推动它们形成许多美丽而奇异的形状，如下图所示：

虽然这些都是模拟，而不是图像，但它显示了原子怪异的气泡般的模糊性质。它们被复杂的电子云所包围，这些电子云相互作用，形成美丽的、对称的和奇怪的形状。

但是这些轨道的形状可以随着不同的能级而改变，正如上面的图片所示。不同电子的量子波函数可以彼此协调，因为不同的电子吸收更多的能量并改变它们的量子波函数。这意味着像氢原子这样的简单原子可以拥有所有这些不同的电子云模式，从而产生不同的能级并改变原子的外观。

正是这些奇形怪状的电子云赋予了化学键形状。每一个都是元素形成键的连接点。对于一个形状像三叶草的电子云，有四个连接。你可以建立一个直的连接，也可以建立一个弯的连接。

所以如果你能给一个原子“拍照”，你会看到什么？

你会看到这些模糊不透明的形状，有些更像球形，有些更复杂，就像万花筒里的一个原子。一些原子在形成化学键的时候会共享这些电子云，就像握着手的原子一样。但最重要的是你会看到模糊的本质，这些是美丽的，对称的，但最终不是很整齐的物体。

所以下次有人说原子大部分是空的空间，你可以纠正他们，说它们实际上被电子云填满了。

现在你知道了原子是什么样子的了，这和我们通常对它们的理解有很大的不同。但是，这个模糊的球体给了我们一个令人难以置信的美丽的原子尺度的世界，复杂的对称形状看起来几乎像花朵一样。它显示了美在自然界和宇宙中是多么根深蒂固。