量子论科学的基石(四).ppt

第三部份: 量子論的應用-原子 根據量子論就能知道“為什麼不同元素的性質和異” ? 在前面介紹了玻爾提出的分立原子軌道的模型, 實際上這個模型還是不嚴格的。之後根據量子力學的基本方程“薜定諤方程”導出的結果, 與更加正確的模型相比還有很多的不同之處。但是,“軌道是分立的”這一點本質上是正確的。 正如在第二部分中仔細討論過的那樣, 只要不去觀測電子, 就不能說“電子在這裏”。電子如同有分身術一般, 在空間中彌散地存在着。 ? 一般地, 氫原子最低能量狀態 (基態能級) 的“1s軌道”呈球對稱的雲狀。當電子吸收了從外部打來的光子後, 同時吸收了光子的能量, 將會向能量更高的軌道躍遷 (激發態)。 對於除氫元素之外的其他元素, 也可以使用薜定諤方程來解其電子軌道。比起氫原子來說, 其他元素的原子的原子核的電荷數更大, 而且會受到周圍電子的電磁力的影響, 但是其軌道的特徵並沒有被改變, 所以它們的軌道也可以和氫原子一樣用 1s, 2s, 2p等來稱呼。 元素性質的差異與其“配備”的電子相關 在電子軌道上, 也有“定員”的限製。一條軌道上只能存在兩個電子 (泡利不相容原理)。 ? 比如說, 原子序數為2 (與電子的數目一致)的氦原子 (He) 在1s軌道上有兩個電子, 原子序數為6的碳原子在1s軌道上有2個電子, 2s軌道上有2個電子, 然後在2p軌道上有2個電子。電子從低能軌道到高能軌道順次“排布”。 就像這樣, 不同的元素之間的差別是與電子如何配置相關的。電子配置的方式不同決定了各種元素的化學反應的性質也不同 (容易形成什麼樣的離子, 容易與什麼樣的元素發生化學反應等等)。也就是說, 化學的根本原理是由量子論在支配着。對於“為什麼不同的元素之間的性質不同”這個謎題, 量子論給出了圓滿的答案。 量子論的應用 – 分子間的結合力 氫、氧、氮等元素的原子可以兩兩結成分子。 其機製可以用量子論來理解 ? 通常,兩個氫、氧、氮等元素的原子可以相互結合形成“分子”。但是對於電子中性的原子來說,它們之間似乎並不存在電磁吸引, 那為什麼還會結成穩定的分子呢? 試想一下兩個氫原子從分離的狀態慢慢接近的情況。每個氫原子中的電子的軌道 (1s)都會受到另一個的影響而發生變形。 ? 基於量子論的計算得知, 兩個1s的軌道會形成兩種新的“分子軌道”(成鍵軌道和反鍵軌道)。另外, 計算可知這兩個軌道之間存在能量差。 一個軌道上可以放置兩個電子, 所以這兩個電子可以同時放置在能量比較低的軌道上 (成鍵軌道)。 從分子軌道就能夠預言什麼樣的反應可以發生 通過計算求得, 在低能的分子軌道上兩個原子核之間的“電子雲”的密度非常高 (電子被發現的概率很高)。由於原子核帶正電, 電子帶負電, 原子核和電子雲稠密的地方會產生吸引力。 結果是電子作為媒介把原子核結合在一起。這就是從氫原子生成氫分子的原因。 就這樣, 基於量子論來研究電子軌道的方法發展成為“量子化學”。各種原子、分子的性質, 以及在量子化學之前無法理解的化學反應的模式等, 通過量子化學為基礎的計算機模擬漸漸為人們所掌握。 現在化學工業和醫葯開發等領域中, 量子化學是不可或缺的, 期待着會有更進一步的發展。 量子論的應用 – 宏觀物質 運用量子論可以知道“金屬”、“絶緣體”和“半導體”的性質 ? 銅、銀和鐵等“金屬 (導體)”中可以有電流 (電子的流) 流過。而一般來說諸如陶瓷製品等“絶緣體”中,除非施以非常高的電壓, 否則不會有電子流過。同樣都是固體, 為什麼會有如此極端不同的性質呢? 實際上, 對於不同物質的電磁性質的差異也可以用量子論來說明, 認為固體是多個原子、分子的聚集, 就可以知道其中的電子的行為是怎樣的了。 “凝聚態物理”是現代社會的支柱 把宏觀物體 (眼睛可見的尺度上的物質) 看做是大量原子組成的集團, 依據量子論, 研究其性質的物理學就稱為“凝聚態物理”。量子論的“適用範圍”不止於微觀世界。 “半導體”是一種導電性比金屬弱, 而又比絶緣體强的物質, 比如硅(Si)、鍺(Ge)等。半導體的性質也可以通過凝聚態物理來研究。 從技術的觀點看, 半導體可以不止是介於金屬和絶緣體之間的一種物質。通過混合不同類型的半導體, 把它們組合起來, 就能得到各種各樣的元件。比如說,“二极管”、三极管”等就是由不同的半導體組合而成的。很多這樣的東西高度集成起來, 就是計算機的核心部分集成電路 (1C)。集成電路不只使用在個人電腦、手機之中, 現在的各種家用電器中也要使用它。可以說, 這些都是凝聚物理學, 也就是量子論帶來的好處。 量子論的未來 – 量子引力和量子計算機 量子論誕生百年, 今天還在繼續發展 ? 在第三部分, 多個原子可以結合成分子, 更多的原子集合成金屬、絶緣體、半導體等, 量