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氫原子
鎖定
氫原子歷史
1913 年,尼爾斯·玻耳在做了一些簡化的假設後,計算出氫原子的光譜頻率。這些假想,玻爾模型的基石,並不是完全的正確,但是可以得到正確的能量答案。
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1925/26 年,埃爾文·薛定諤應用他發明的薛定諤方程,以嚴謹的量子力學分析,清楚地解釋了玻爾答案正確的原因。氫原子的薛定諤方程的解答是一個解析解,也可以計算氫原子的能級與光譜譜線的頻率。薛定諤方程的解答比玻爾模型更為精確,能夠得到許多電子量子態的波函數(軌道),也能夠解釋化學鍵的各向異性。
氫原子簡介
氫原子是氫元素的原子。電中性的原子含有一個正價的質子與一個負價的電子,被庫侖定律束縛於原子核內。在大自然中,氫原子是丰度最高的同位素,稱為氫,氫-1,或氕。氫原子不含任何中子,別的氫同位素含有一個或多箇中子。這條目主要描述氫-1 。
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氫原子擁有一個質子和一個電子,是一個的簡單的二體系統。系統內的作用力只跟二體之間的距離有關,是反平方有心力,不需要將這反平方有心力二體系統再加理想化,簡單化。描述這系統的(非相對論性的)薛定諤方程有解析解,也就是説,解答能以有限數量的常見函數來表達。滿足這薛定諤方程的波函數可以完全地描述電子的量子行為。因此可以這樣説,在量子力學裏,沒有比氫原子問題更簡單,更實用,而又有解析解的問題了。所推演出來的基本物理理論,又可以用簡單的實驗來核對。所以,氫原子問題是個很重要的問題。
氫原子電子軌道圖
概述圖顯示出能量最低的幾個氫原子軌道(能量本徵函數)。橫向展示不同的角量子數 (l) ,豎向展示不同的能級 (n) 。
這些是概率密度的截面的繪圖。圖內各種顏色的亮度代表不同的概率密度(黑色:0 概率密度,白色:最高概率密度)。角量子數 l ,以通常的光譜學代碼規則,標記在每一個縱排的最上端。s 意指l=0,p 意指 l=1 ,d意指 l=2。主量子數
標記在每一個橫排的最右端。磁量子數m被設定為 0 。截面是 xz-平面( z-軸是縱軸)。將繪圖繞着 z-軸旋轉,則可得到三維空間的概率密度。
基態是最低能級的量子態,也是電子最常找到的量子態,標記為1s態,n=1, l=0}。
特別注意,在每一個軌道的圖片內,黑線出現的次數。這些二維空間黑線,在三維空間裏,是節面(nodal plane) 。節面的數量等於 n-1},是徑向節數( n-l-1 )與角節數( l )的總和。
氫原子穩定性
思考氫原子穩定性問題,應用經典電動力學來分析,則由於庫侖力作用,束縛電子會被原子核吸引,呈螺線運動掉入原子核,同時輻射出無窮大能量,因此原子不具有穩定性。但是,在大自然裏這虛擬現象實際並不會發生。那麼,為什麼氫原子的束縛電子不會掉入原子核裏?應用量子力學,可以計算出氫原子系統的基態能量大於某有限值,稱這結果為滿足“第一種穩定性條件”,即氫原子的基態能量E0大於某有限值:
更詳細分析起見,只考慮類氫原子系統,給定原子的原子序Z ,原子的能量 E為
總結,類氫原子滿足第一種穩定性條件這結果。
氫原子表格比較
相鄰較輕同位素: (沒有, 最輕的) | 氫原子是 | 相鄰較重同位素: 氫-2 |
母同位素: 自由中子 | 氫原子的 | 衰變產物為 (穩定) |
氫原子科學研究
2022年10月,中國科學院國家天文台利用中國天眼FAST進行成像觀測,在緻密星系羣——“斯蒂芬五重星系”及周圍天區,發現了1個尺度大約為兩百萬光年的巨大原子氣體系統,也就是大量彌散的氫原子氣體。
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氫原子參閲
- 參考資料
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- 1. D.J.Griffith.Introduction to Quantum Mechanics (Second Edition).United States of America:Pearson Prentice Hall,2005:145-153
- 2. 徐恆均.材料科學基礎.北京:北京工業大學出版社,2009年第一版:9
- 3. 中國天眼新發現 .北京日報.2022-10-20