電子躍遷的本質是什麼?

丘崇壇


有人認為電子躍遷會發生空間位移,那是因為他們不瞭解電子躍遷的本質。在兩個原子態之間躍遷的電子不會躍過任何空間。電子躍遷的想法極易引起誤解,並且常常被誤解。讓我們一起探討電子躍遷的本質是什麼。

首先,電子是量子物質。這樣,它既充當波又充當粒子。當作為原子的一部分結合時,電子的作用就像波,在原子中的電子散佈成雲狀的波形,稱為“軌道”。如果仔細觀察一個原子的各個軌道(例如氫原子),我們會發現它們在空間中都重疊。

因此,當電子從一個原子能級躍遷到另一能級時,它實際上不會發生空間躍遷。它只是改變波的形狀。波動更大的軌道形狀包含更多的能量。換句話說,當電子躍遷到較低的原子能級時,其波形會發生變化,從而使軌道扭結變少。但是電子不會“跳”到任何地方。

原子中電子的波特性與吉他弦上的經典波動非常相似。當我們拔動吉他弦時,會激發弦中的駐波,這些駐波會發出聲音。某些弦只能承受某些類型的駐波,因為該弦的兩端都被夾緊固定在吉他上。特定弦上允許的波類型稱為“諧波”。琴絃的諧波取決於琴絃的長度、張力和密度。因此,特定的吉他弦(具有特定的長度、張力和質量)只能演奏某種類型的聲音,這是其諧波的組合。

如果我們輕輕拔動琴絃,則可以在弦上產生一個波,該波主要是較低的基本諧波(扭結很少),也可以在吉他弦上創建一個較高的諧波(有很多扭結)。如果想激發一個吉他弦的高次諧波,則需要消耗更多的能量。

此外,如果我們適當地撥動琴絃,以便強烈地激發琴絃中的高次諧波,我們甚至可以誘使琴絃過渡到能量較低的諧波。當吉他琴絃從高能量狀態轉變為低能量狀態時,吉他弦上的波動不會發生任何變化,只是波改變形狀。以類似的方式,某個原子中可能存在的離散的電子軌道組實際上是原子的諧波。電子可以通過吸收能量,並使波扭結增多,從而轉變為較高的諧波形狀,或者通過發射能量減少波的扭結而轉變為較低的諧波形狀。

在這一點上我們只要記住,原子中躍遷的電子不會從空間的一個位置躍遷到空間的另一個位置。但是我們可能仍然擔心電子會從一種能級躍升到另一種能級,從而繞過所有介於兩者之間的能態。

儘管我們在談論的是能級的躍遷,而不是空間的躍遷,但這種躍遷可能會讓我們感到彆扭。事實是,原子中的電子躍遷實際上並不是從一個能級躍遷到另一能級,而是平滑過渡。我們可能會想:“量子理論難道不告訴我們,原子中的電子只能以一定的離散能級存在嗎?”實際上,沒有。量子理論告訴我們,具有固定能量的電子只能存在於一定的離散能級上。

這種區別非常重要。 “靜止能量”是指電子的能量在相當長的一段時間內保持恆定。特定原子的軌道並不是電子可以在原子中發生的唯一允許狀態。它們是原子的唯一穩定狀態,這意味著當電子在原子中沉降到特定狀態時,它必須處於一種軌道狀態。

當電子處於穩定狀態之間的過渡過程中時,它本身是不穩定的,因此對其能量的限制較小。實際上,躍遷的電子甚至沒有明確定義的能量。由於電子的躍遷,固有的量子不確定性出現在電子的能量中。電子躍遷越快,其能量就越不確定。

這種“先天的量子不確定性”不是一些形而上學的奧秘,而更好地理解為波擴散到許多值上。正如電子可以散佈成在整個空間範圍內延伸的波一樣,它也可以散佈成在沿能量尺度的範圍內延伸的波。

如果計算此躍遷電子的能量分佈的平均能量(“期望值”),則會發現電子的平均能量不會立即從一種能級躍升到另一種能級。相反,它在一段時間內平均從一個能級平穩過渡到另一個能級。實際上根本沒有“瞬時的量子躍遷”。

電子不會在空間中躍遷,也不會在能量尺度躍遷。實際上,“量子躍遷”一詞幾乎被科學家們普遍迴避,因為它極具誤導性。如果我們想要更好地理解原子中的電子躍遷,我們腦中一定要有這樣概念,在能量尺度上電子會沿著能級從一個穩定狀態平穩地滑動到另一個狀態。經典的原子中的電子躍遷是如此之快(通常約為納秒),所以對於人類遲鈍的感覺而言,它似乎幾乎是瞬時的,但從根本上來說並非如此。


科技領航人


為了說明微觀世界的或然性和不連續性,人們在量子力學中提出了勢阱模型。這就好比一個具有一定能量的粒子落入井中,因為具有能量不會停留在井底,但能量又不夠大從而受困於井中,無法逃脫出來。

然而,對於微觀粒子來說,其具有與宏觀物質不同的兩個特殊的性質。

第一個特性是隧道效應,即便是低能粒子也有機會逃逸出來,就好像是在井壁上鑿出了一條隧道。其原因在於,井壁只是粒子高速運動所形成的封閉性,具有概率性。這就相當於向電扇發射子彈,子彈無礙通過是具有概率的,大約等於子彈與扇葉速度的比值。

第二個特性是量子化條件,即粒子在勢阱中的存在狀態是不連續的。實際上,就是同時滿足兩個勢阱壁的能量是不連續的,類似二元一次方程組的解,有兩個不相等的解。

舉個形象的比喻,電子在原子中的能級就像高層住宅🏠,電子只能根據其能量的大小待在不同的樓層居住,不允許待在非整數的樓層如1.5層居住。當原子中的電子受到了能量的激發(通電),如果能量合適則該電子獲得能量搬入上層居住,如果能量不合適就拒絕接收能量或被能量趕出住所。

然而,獲得能量的電子,在高層居住的治安環境並不好,經常發生偷盜。當電子的能量被偷之後,電子就無權住在高層了,被趕回底層居住。

這就是電子從激發態躍遷回基態的物理機制。偷走能量的是作為物理背景的空間量子,使該量子由原來的基態轉變為激發態,成為能夠引起我們人眼感應的光子。

所以,電子躍遷的本質,是高能電子通過激發空間量子,使之成為光子,將自身的能量轉移給了量子空間,從而回歸到低能的基態。


淡漠乾坤


提問者能提出這個問題還是具有一定物理基礎知識的。

有高中物理知識的讀者就會知道,電子從高能級的軌道躍遷至低能級的軌道會釋放能量,低能級的軌道躍遷到高能級的軌道要吸收能量,這些能量就是以光子的形式吸收或者放出的。

那麼怎麼去理解“躍遷”這個過程呢?

如果從經典物理的角度去考慮,就會產生這樣的問題,電子從高能級軌道到低能級軌道是怎麼滑過去的?是以多快的速度以怎樣的方式過去的?“躍遷”兩字到底如何理解,低能級的電子還是原來高能級的那個電子嗎?

圖釋:經典力學模型

電子躍遷的本質不能從經典物理學的角度去思考,要想知道電子躍遷的本質需要從量子物理的角度去思考。

在量子物理學中高能軌道低能軌道並不是我們想象中的電子運動的實際軌道,而是高能級和低能級分別對應一種概率波。軌道躍遷並不是電子真的發生了軌道變化,而是高能級和低能級對應波函數發生了演化。

圖釋:量子力學模型

不過更深層次的問題,波函數到底是如何演化的,目前還在研究當中,尚不明確。

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