電子的軌道像行星？原子裡面空蕩蕩？別再誤讀原子了

你可能聽說過這樣的說法：如果把

一顆原子

比作一個足球體育場，原子核的體積就像足球那麼大，但是它的質量卻佔了整個體育場的

99。999%

，電子就在這個空蕩蕩的體育場裡面遊蕩，電子的軌道是固定的，就像太陽系的

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大行星繞中心的太陽的運轉一樣。這是錯誤的。

在一百多年前，當物理學家們第一次開始研究原子結構的時候，玻爾模型很流行，這個模型如果用數學來解釋，需要很大的篇幅，但是可以簡單概括為

“行星模型”。雖然玻爾提出了原子模型的量子化條件和電子能量躍遷的概念，但他把電子視為行星，把原子核視為太陽，電子在一個固定的線性軌道上繞核執行。

在物理學家們對原子模型理解還不夠深入之前，這樣的模型對氫原子是有效的（但沒法解釋其他原子）。但後來，當物理學家們提出一些問題時，這個模型對氫原子也不適用了，比如，氫原子中唯一的電子的軌道離原子核的距離是多少？這根本沒法測量。再比如，物理學家們假設，如果

強迫電子進入彎曲的路徑，它們會發射輻射

，電子就會損失能量，最終會墜入原子核，就像強行變更地球的軌道，地球會墜入太陽一樣，但失去能量的電子並沒有墜入原子核

……

忘了你聽說過行星模型

，

這是錯誤的。

雖然這個模型在描述氫原子的很多方面是適用的，但我們仍然有量子躍遷和自旋等術語去解釋這一切。

電子

會

在原子核周圍形成軌道

，但不是固定的圓形或橢圓形軌道，而是波形軌道，如下所示：

電子

軌道本身有很多圖解說明

，

這裡有一個嘗試

的模型

來展示它們在原子中的樣子

。圖上的是

氬

原子，它

有一個只有兩個電子的內軌道，

軌道是球形的而不是圓形的。而第二層軌道上，也有兩個電子在球形軌道上，這層軌道還有

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個特定的區域，每個區域有兩個電子。最外層軌道重複第二層的結構，最終，

氬

原子有

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個電子在三層軌道上。

氬原子結構的二維示意圖

這些電子的運動軌跡是不確定的，它們非常

“不安分”，到處跑。更重要的是，它們在任何時刻，是無處不在的，在量子世界，你沒法描述一個粒子在某個時刻的位置，電子可以在一個時刻同時存在軌道上的任何地方。舉個形象的例子，

22

點

18

分

20

秒，你同時存在教室、食堂、宿舍、圖書館……這聽起來不可思議，但這就是微觀世界的執行規則。

想象一個音樂廳

，

小提琴音符在哪裡？大廳裡到處都是

。

小號音符在哪裡？大廳裡到處都是。笛子音符在哪裡？大廳裡到處都是。

而在微觀世界裡，只能用

“雲”來描述電子在原子核外空間某處出現的機率大小，而那一片用來描述一個電子的“雲”，大概就是電子的軌道位置，因為電子的運動與宏觀物體不同，它們沒有確定的方向和軌跡。

所以原子

內並不是空蕩蕩的，而是被塞滿了“電子雲”。

此外，還有一種

叫作

泡利排斥的東西，如果粒子具有相同的量子性質，它可以阻止粒子佔據相同的空間。試著讓一個

電

子透過另一個

電

子，泡利排斥不會讓兩個相同的軌道重疊。舉個形象的例子，在

22

點

18

分

20

秒，你可以同時存在教室、食堂、宿舍、圖書館，但其他任何同學不會在同一時刻與你存在同一個地方。

為什麼？就目前而言，

科學家們只能描述這一切，但還沒有人能夠解釋為什麼

。

你可以理解為

“

泡利排斥是上帝阻止一切在同一個地方發生的方式

，

”當然，科學家們不會滿足這樣的理論，在將來他們肯定會揭開這些謎團。

有人認為電子是波，

也有人認為電子

是粒子。

電子可以既是波也是粒子，還可以都不是波也不是粒子，

“波”和“粒子”只是科學家當前在描述它們的行為的工具而已。當你在宏觀層面觀察它的時候，

將電子視為粒子非常有效

，但當你用顯微裝置觀察它的時候，用波來描述更準確。

當你在處理軌道或使用量子力學設計微電子時，唯一的選擇就是仔細研究數學

模型

。

以上，我們用了儘可能簡單的文字來介紹電子在原子內部的形態，但可能仍然難以理解，總而言之，原子模型並不是行星模型，電子的個數雖然是確定，但它們

“在同一時刻無處不在”，把原子的空間塞得滿滿當當的。

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