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这层电子膜可以缠绕原子核,并以特定的频率振动。
对于给定的输入值,比如质量或原子核的牵引力,薛定谔方程能准确地预测原子中的电子以三维方式振动的形状,他称之为“波函数”
。
波函数是一种方程,你可以用它来生成电子在特定空间或特定时间的一系列属性:波高、波长、波速等。
薛定谔方程对波函数(波函数是薛定谔方程中的一个方程)进行计算,并预测了电子的性质和行为如何随时间变化。
不仅如此,它最终解释了为什么只存在特定的能量壳层。
我们要去的地方不需要粒子
由于原子中的每个电子都被原子核所俘获,所以电子的行为受到限制。
例如,一个波只能以完整的波形出现,如下两图所示。
左图表示单波,右图表示双波。
你找不到四分之三波,因为它不适合出现在直线上。
直线上只允许出现特定的形状。
允许出现的波叫作“谐波”
。
这个听起来很有音乐感的名称并非巧合。
上图的形状相当于你演奏的弦乐器的音符,在空气中每个波形都产生不同的声音。
当你拨动吉他弦或班卓琴弦,它会以一种特定的能量振动。
不同的音符代表不同的谐波(允许出现的波)。
薛定谔方程表明,与原子核结合的电子具有相同的音乐感。
当然,我们必须进入更高的维度,因为原子并不是直线。
但如果能计算出三维振动的谐波,你就可以得到电子波的形状。
很难想象该如何计算(这超出了薛定谔的才能),但幸运的是,不久后,其他数学家给出了答案。
第一个电子谐波呈球形(如下图左);第二个电子谐波看起来像两个相互挤压的气球,一前一后(如下图右)。
这些球形和哑铃形告诉我们要去哪里寻找电子波。
电子并不是像小球一样绕着原子核的,我们应该把电子想象成以原子核为中心的球状振动面。
随着能量增加,其形状变得越发复杂(太难了,我画不出来……凭我的艺术修养画不出这些草图,但如果你感兴趣,可以在网页上搜索“s形”
“p形”
“d形”
“f形”
)(1)。
原子核周围电子振动的区域不再被认为是“轨道”
,所以我们称之为“原子轨道”
。
当然,“薛定谔轨道”
听起来更好。
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