普通化学/量子模型

不确定性

维尔纳·海森堡 (1927)

事实证明，光子不是唯一像波和粒子一样的东西。电子也具有这种特性，被称为波粒二象性。电子可以被认为是具有特定波长的波，因此它们只能在原子核周围以特定距离形成圆圈，这些距离是波长的倍数。当然，这带来一个问题：电子是特定位置的粒子，还是一般区域的波？维尔纳·海森堡试图用光子来定位电子。当然，当光子到达电子时，电子会改变速度，并移动到激发态。因此，不可能同时精确测量电子的速度和位置。这被称为观察者效应。这经常与海森堡不确定性原理混淆，海森堡不确定性原理更进一步，指出粒子的位置和动量可以知道的程度是有限制的。这是因为电子在被观察到与其周围环境相互作用时，无法同时表现出其波和粒子性质。电子的动量与其速度成正比，但基于其波性质；其位置基于其在空间中的粒子位置。海森堡不确定性原理是一种科学困境：你对某物的速度了解得越多，你就越少了解其位置；你对某物的定位了解得越多，你就越少了解其速度。这种不确定性的意义在于，你永远无法准确地知道原子电子的位置，只能知道它们最有可能在哪里。

形成圆圈的波

在原子的微小尺度上，电子的粒子模型不能准确地描述其性质。电子往往更像水波而不是台球。在任何一个时刻，台球都在某个确定的位置；它还在某个确定的方向上以某个确定的速度运动。这对波或电子来说肯定不是真的。海森堡不确定性原理指出，无法同时确定电子的确切位置和动量。这是因为电子在同一时间根本没有确定的位置和运动方向！

尝试理解这一点的一种方法是将电子想象成波而不是粒子。想象一下把一块石头扔进池塘里。波纹开始从那个点散开。我们可以回答“波在哪里？”这个问题。“它就在你扔石头的地方”。但我们无法回答“波向哪个方向移动？”这个问题，因为它向所有方向移动。它正在扩散。现在想象一下海边的浪潮。我们知道运动方向。它是直接朝海滩的方向。但波在哪里？我们无法确定确切的位置。它沿着水面。

波函数

将波函数想象成洒水器——你无法预测特定水滴的确切路径，但你知道（基于洒水器的范围和形状）它最有可能去哪里。

如果我们永远无法准确地知道电子的位置，那么我们如何了解它们在原子中运行的方式？埃尔温·薛定谔发展了量子力学模型，它描述了电子在给定系统中的行为。它可以用来计算电子在给定位置被发现的概率。你不知道电子确切在哪里，但你知道它最有可能和最不可能在哪里被发现。在原子中，波函数可以用来模拟一种形状，叫做轨道，它包含电子几乎肯定在其中被发现的区域。

轨道

在接下来的部分中，我们将学习有关电子所在的壳层、亚层和轨道。尽量不要感到困惑；这可能很困难。理解这些信息将帮助你学习关于键合的内容，这非常重要。

每个在原子中运行的电子都有一组四个数字来描述它。这四个数字，称为量子数，描述了电子围绕原子核的运行轨道。原子中的每个电子都有一组独特的数字，并且如果电子的轨道改变，这些数字也会改变。例如，如果发生键合，或电子被激发到更高的能量轨道。在下一章中，我们将学习这四个值的含义。