原子新模型

原子结构的新可视化

介绍

大多数原子结构模型都很难理解，尤其是在入门阶段。本工具将尝试说明一种更直观的原子模型，以便更深入地理解自然界在最基本层面上是如何运作的。这使得人们能够更好地理解化学键和分子形成，同时最大限度地避免违反量子力学理论（这超出了本文的范围）。

物质的轻盈本质

首先，我们必须了解原子的巨大空旷。想象一下飞机机翼上的螺旋桨（或风扇的叶片）。假设这个螺旋桨有两个桨叶（或风扇叶片），相隔180度，直径为1米。面对旋转的螺旋桨，我们看到一个360度的圆圈。重要的是要注意，这个圆圈是半透明的，所以我们可以在螺旋桨后面的视线中看到物体。根据螺旋桨旋转速度和子弹速度，我们可以向螺旋桨后面的目标发射子弹，有时会击中螺旋桨（或风扇叶片），有时会击中目标。

将这个半透明螺旋桨铭记于心，想象一下我们拥有一个神奇的BB弹，其大小类似于气动BB弹枪中使用的BB弹。为了说明问题，我们赋予这个虚构的BB弹两个属性：1）它必须保持在一个沙滩球的体积内（例如直径1米），2）它必须始终以接近光速的速度运动（如现代亚原子理论所预测）。试想一下我们会看到什么……一个几乎看不见的直径1米的球体，但由于BB弹的速度极快，很难用棍子刺穿这个球体。将手放在这个球体上（忽略摩擦造成的潜在问题），我们会感觉到一个坚硬的表面（最外层的电子“壳层”）。两个这样的球体相互抛掷（或碰撞）会相互弹开。但此外，它们还具有相互电子排斥力，这种力足以阻止它们真正接触（除非施加足够的压力/热量来导致键合，如后文所述）。可以将一个体育场装满这样的虚构球体，像杂货店老板堆放橘子一样，一层叠一层，永远不会侵犯彼此的空间（永远不会接触），而体育场仍然看起来几乎是空的。这个几乎空的球体非常类似于氢原子的电子“云”在如此宏观尺度上的外观，只是实际上它会更加空旷，因为如果氢质子与这个电子BB弹的大小相同，那么原子直径将达到公里级。实际上，我们经常使用的术语“云”是不正确的。云意味着“许多”，就像雾气一样，有无数的气溶胶。一个更好的术语是“包络”或“轨道”，因为在一个包络的边界内恰好有一个电子。我们同意将这个虚构的电子粒子称为“iEp”，其包络称为“iEn”，其速度称为“iEv”。

作为参考，我们称这个神奇的球体为“iH”，代表虚构的氢原子。它在图1A中得到了近似。请注意原子的轻盈本质，以及它“透视”的特性。所以，将电子可视化为电子包络比将它们可视化为粒子更加准确。一个现实世界的视觉类比是一种叫做气凝胶®（图1B；另见：气凝胶）的物质，它99%都是空旷空间！请注意，这不像气体或空气。它是一种物质状态，其属性会随着质子、电子和中子数量的变化而变化。要“刺穿”电子包络“壳层”内的另一个电子包络，需要特定的条件。这些条件随每个元素和当前条件（如热量和压力）而异。此外，将iEn描绘成球体是一种简化。更准确的做法是将iEn描绘成本征态轨道。图1C显示了iH的本征态，其中电子位置和速度的概率与图的亮度成正比。实际上，轨道在原子核周围不断“旋转”。图1A中的球体表示这些轨道旋转的边界。

现在，想象一下iH构成了地球的整个大气层，而太阳向下倾泻着可见的iL，或光粒子（见下文）。你的脑海中应该能够想象出一层厚厚的、几乎空旷的iH毯子，无数的iL穿过它。当数十亿个iL穿过数十亿个iH时，每隔一段时间，iL就会“恰好”击中iH，在这个虚构的大气层中散射一些虚构的光线。这是理解不同电磁能量如何穿过不同材料的一种方式。最容易散射的频率的iL会赋予这个虚构的大气层一种虚构的颜色，这取决于有多少iL穿透了iH电子或质子而没有被击中。如果你难以“看到”这一点，那就放慢速度，并记住，如果这些图是按比例绘制的，那么轨道和每个粒子之间的空间将比本页上显示的空间大数百（甚至数千）倍。假设iEp以每分钟1米的速度移动，这样它大约需要1分钟才能从包络的一侧穿过到另一侧。接下来，想象一下iL以每分钟1米的速度传播。当iL穿过我们虚构大气层中的所有这些几乎空旷的iH时，它必须在恰好合适的时间和位置才能击中电子或原子核。

光波粒二象性的概念类比

接下来，我们需要虚构的电磁光线。没有数学，很难理解光的波粒二象性。然而，我们可以做一个类比，让你“想象”光子（或电子）如何能够同时是波和点粒子，这取决于观察方式。此外，这个类比将使你能够理解光子如何能够具有两种类型的自旋。让我们的虚构光子类似于所示的BB弹，只是它们被压扁成圆盘状，具有以下属性；

1）它们以光速沿直线运动（不考虑万有引力效应），

2）它们沿其长轴旋转，频率与可见光的频率成正比，

3）它们沿其短轴旋转。

现在我们拥有一个更易理解的工具来想象光的二象性。从侧面观察，这些运动的粒子将呈现正弦波形（类似于图 2 中的“扩展 iEp”），而从正面观察，它们则表现为粒子。拿起一支铅笔，将笔尖指向远离自己的方向，闭上一只眼睛，用另一只眼睛“正面”观察橡皮擦。想象一下，这是一个高速旋转的圆盘朝你飞来。你应该会看到一个圆形（看起来像一个粒子），没有任何迹象表明它后面拖着铅笔。现在，将铅笔侧向放置，想象它代表旋转圆盘的路径，你应该能够想象它就像一个正弦波的传递。因此，沿着直线运动的旋转圆盘可以同时呈现为粒子或波。

我们用“iL”来代表这种假想的光粒子。iL 的概念使我们更容易理解光的行为方式，它如何具有二象性，以及如何通过滤光片进行偏振。假设大量的 iL 朝向（照射）一个栅格，栅格的间隙小于 iL 的主要直径（Amajor），但大于 iL 的最小厚度（Aminor）。只有那些平行于栅格的 iL 才能通过。想象一下，一个飞盘绕着两个轴旋转，朝一个篱笆飞去，篱笆的栅栏间隙小于飞盘的直径，但大于飞盘的厚度。平行于地面的飞盘撞击栅格将无法通过间隙，但那些垂直于地面的飞盘在靠近栅格时将能够穿过间隙。通过的 iL 现在将“同步”或偏振。

偏振器类比的缺陷：金属丝栅偏振器实际上传输的是垂直于栅格线的偏振光。换句话说，能够通过的飞盘实际上是“撞击”篱笆的那一个。如果将光的电场和磁场视为振荡波，金属丝中的电子将与电场同步响应。沿着金属丝轴线自由移动的电子将很容易响应，光将在材料晶格内有效地被吸收和重新辐射，大部分以焦耳热的形式损失掉。然而，电子垂直于金属丝的移动自由度很小，具有垂直偏振的入射电波将大部分不受影响地通过。 事实上，这就是观察到的现象——垂直于金属丝偏振的光会被透射。

机械双缝实验

利用我们假想的运动飞盘模型来描述光，我们可以用机械术语解释著名的双缝实验。在这个实验中，一束光通过两个非常狭窄的缝隙照射到一个墙上。如果光是一种圆形的粒子，那么我们预期它应该在墙上显示为两个点；但实际上，它在墙上呈现出主要集中在三个区域的扩散模式！这是怎么回事呢？如果我们假设光是一种旋转的飞盘，我们就可以解释为当飞盘穿过双缝时，它将处于不同的旋转角度或相位。相位将决定飞盘穿过哪个缝隙，如果我们想象它在穿过缝隙时接触到缝隙的一侧或另一侧，它将产生不同的偏转。当飞盘粒子穿过缝隙时，它们可能会出现在墙上的任何位置，但当考虑所有因素（结果的可能性）时，绝大多数飞盘Template:Fix/category 将会撞击到墙上的三个位置。这些因素包括：双缝到墙的距离、缝隙的宽度、缝隙之间的距离、每个缝隙的深度以及光粒子/波的相位。

氦

假想的氦 (iHe) 可能是什么样子？iH 的质量等于一个电子和一个质子的质量，而氦的质量等于两个电子、两个质子和两个中子的质量，是 iH 的四倍。但 iHe 的形状更像哑铃，而不是球形。图 2 显示了两个质子和两个中子位于两个相对的电子包络的中心。由于同性相斥，每个电子都难以违反另一个电子的包络，并且由于它们必须保持接近光速，因此它们似乎同时存在于自己的包络中的各个位置。必须想象这些包络是三维的，从纸面上延伸出来，以及下方，更像是被吃掉到核心的苹果！

经典模型与新模型

图 3A 显示了典型的初中碳原子渲染图。这种视图是不准确的，使得核电动力学更难理解。假想的碳 (iC，图 3B) 和假想的氧 (iO，图 3C) 更现实，并且将导致对化学键合（虚线仅用于视觉参考）的更直观的理解。通过“思想实验”想象电磁力对这些各种粒子的推拉，可以“看到”这些亚原子成分是如何结合在一起的。图 3C 中最内层壳层的两个电子被迫“坠落”向原子核，相互排斥，并保持接近光速。外层壳层的四个电子也处于类似的困境，快速组织成同步平衡。这种平衡定义了物质并产生了它们的结晶特性和化学性质。请注意，图 3B 中的碳模型是一个等边四面体（三维三角形）。三角形是最强的几何形状之一，等边三角形是最强的三角形。等边四面体是最强的三维形状，非常适合将柔软的碳或石墨转化为最坚硬的天然物质... 钻石！人们对自然了解得越多，就越能欣赏从代数到动物学的联系。自然可以是奇妙的逻辑！

氧的化学键合

图 4 示意性地显示了两个 iO 如何键合，要注意，所有 iO 组件之间的空间都远大于本页所能显示的。假设出于某种原因，电子 iO2e2 已经进入 iO1e1 和 iO1e2 的影响范围，如图所示。我们说它们正在共享它们的壳层。由于电子之间存在电磁排斥，因此原子 iO1 和原子 iO2 现在通过标记为 FR 的力耦合在一起。额外的键合力 (FA) 由 iO1e1 和 iO1e2 的位移提供，它们被吸引到 iO2 的原子核。这很像将你的指关节连接在一起并试图将你的双手拉开。但如果电子相互排斥，它们怎么可能一开始就进入这样的配置呢？可以通过压力和热量、催化剂或电磁方式。如果压力和热量足够，电子包络会变形，使外层壳层能够相互滑动。这就是太阳和地球深处将碳转化为钻石的方式。如果催化剂具有正确的性质，它可以将电子包络拉开，为另一个包络滑动进入创造一个“空洞”，释放催化剂以进行另一个反应。这就是催化转换器将汽车尾气转化为毒性较小的物质的方式。电磁地，电子包络可以被拉开，为耦合创建一个“空洞”。这就是“富勒烯”在电弧中形成的方式。

原子晶体矩阵

这种原子结构的新示意图非常适合显示原子如何形成晶体结构。图 5 示意性地显示了这样一个矩阵（为了清晰起见，去除了内层壳层）。同样，这是一个 2D 模拟的 3D 结构，因此必须想象一些电子包络进入页面下方，而另一些则延伸到页面上方（灰色圆圈仅用于视觉边界参考）。

该模型还解释了水的凝聚力和氢在氧气存在下燃烧时释放的能量。图 6A 显示了一个氧原子和两个氢原子彼此靠近（氢原子用其单个电子表示为四个本征态轨道）。如果添加足够的能量，电子包络（或轨道）可以跳到一个“更高壳层”，为氢轨道“滑入”之间创造空间，使得氢的电子包络“低于”或位于氧的电子包络内（图 6B）。

氢和氧的燃烧

燃烧成水

当氧气释放先前获得的能量时，它的电子包络会回落到“更低壳层”，但现在，所有三个原子的相互排斥的电子力“挤压”氢包络，释放更多能量（图 6C）。请注意，自由 iH 的 iEn 体积大大减少。这种减少是巨大的能量损失。考虑一下：如果将 2 体积的 iH 与 1 体积的 iO 混合并点燃，会释放大量的能量，而所得水的体积远小于最初的 3 体积单位！

能量的释放

进一步注意图 7 中，2 个 iH 连接到一个 iO 如何暴露裸露的质子。可以很容易地识别出，这种暴露的质子会自动附着在任何暴露电子的表面上。现在，我们可以直观地了解为什么 H2O 会附着在玻璃上，以及为什么它是一种如此优良的溶剂和反应物。有了这种原子模型，化学现在可以更合乎逻辑地进行可视化！疏水性物质在其表面上会有被困的氢，使其具有防水性。想想油。它们通常是碳氢化合物链，C+H2，其中氢暴露，因此油和水不相容！

电子：壳层、本征态和轨道

图 8 展示了一个由计算机生成的拥有多个电子的元素图像。注意“壳层”被清晰地描绘出来。每个壳层之间的能量差是一个量子单位，从一个壳层跃迁到另一个壳层的过程被称为量子跃迁。为了使电子从内层跃迁到外层，它必须吸收一个量子单位的能量。类似地，为了从外层跃迁到内层，它必须释放一个量子单位的能量，通常以光子的形式释放。请注意，这些亚原子粒子之间的距离远远大于纸张上所能表示的距离，因此原子实际上比看起来要“空”得多。例如，如果原子核中的质子和中子的大小相当于弹珠（4.33 毫米），那么最内层壳层的直径大约为 200 米；第二层壳层的直径为 800 米，第三层壳层的直径为 1900 米。因此，如果以弹珠的大小为尺度，则需要一张 2 平方公里的纸才能以真实比例显示图 8！再次强调原子是多么“空”。令人惊讶的是，从百分比来看，原子核甚至更加“空”…… 但这是另一个论文的内容了！

图 8：参见 **Dauger Research** 的优秀网站 **原子盒**：http://daugerresearch.com/orbitals/index.shtml.