原子新模型

原子結構的新視覺化

介紹

大多數原子結構模型都很難理解，尤其是在入門階段。本工具將嘗試說明一種更直觀的原子模型，以便更深入地理解自然界在最基本層面上是如何運作的。這使得人們能夠更好地理解化學鍵和分子形成，同時最大限度地避免違反量子力學理論（這超出了本文的範圍）。

物質的輕盈本質

首先，我們必須瞭解原子的巨大空曠。想象一下飛機機翼上的螺旋槳（或風扇的葉片）。假設這個螺旋槳有兩個槳葉（或風扇葉片），相隔180度，直徑為1米。面對旋轉的螺旋槳，我們看到一個360度的圓圈。重要的是要注意，這個圓圈是半透明的，所以我們可以在螺旋槳後面的視線中看到物體。根據螺旋槳旋轉速度和子彈速度，我們可以向螺旋槳後面的目標發射子彈，有時會擊中螺旋槳（或風扇葉片），有時會擊中目標。

將這個半透明螺旋槳銘記於心，想象一下我們擁有一個神奇的BB彈，其大小類似於氣動BB彈槍中使用的BB彈。為了說明問題，我們賦予這個虛構的BB彈兩個屬性：1）它必須保持在一個沙灘球的體積內（例如直徑1米），2）它必須始終以接近光速的速度運動（如現代亞原子理論所預測）。試想一下我們會看到什麼……一個幾乎看不見的直徑1米的球體，但由於BB彈的速度極快，很難用棍子刺穿這個球體。將手放在這個球體上（忽略摩擦造成的潛在問題），我們會感覺到一個堅硬的表面（最外層的電子“殼層”）。兩個這樣的球體相互拋擲（或碰撞）會相互彈開。但此外，它們還具有相互電子排斥力，這種力足以阻止它們真正接觸（除非施加足夠的壓力/熱量來導致鍵合，如後文所述）。可以將一個體育場裝滿這樣的虛構球體，像雜貨店老闆堆放橘子一樣，一層疊一層，永遠不會侵犯彼此的空間（永遠不會接觸），而體育場仍然看起來幾乎是空的。這個幾乎空的球體非常類似於氫原子的電子“雲”在如此宏觀尺度上的外觀，只是實際上它會更加空曠，因為如果氫質子與這個電子BB彈的大小相同，那麼原子直徑將達到公里級。實際上，我們經常使用的術語“雲”是不正確的。雲意味著“許多”，就像霧氣一樣，有無數的氣溶膠。一個更好的術語是“包絡”或“軌道”，因為在一個包絡的邊界內恰好有一個電子。我們同意將這個虛構的電子粒子稱為“iEp”，其包絡稱為“iEn”，其速度稱為“iEv”。

作為參考，我們稱這個神奇的球體為“iH”，代表虛構的氫原子。它在圖1A中得到了近似。請注意原子的輕盈本質，以及它“透視”的特性。所以，將電子視覺化為電子包絡比將它們視覺化為粒子更加準確。一個現實世界的視覺類比是一種叫做氣凝膠®（圖1B；另見：氣凝膠）的物質，它99%都是空曠空間！請注意，這不像氣體或空氣。它是一種物質狀態，其屬性會隨著質子、電子和中子數量的變化而變化。要“刺穿”電子包絡“殼層”內的另一個電子包絡，需要特定的條件。這些條件隨每個元素和當前條件（如熱量和壓力）而異。此外，將iEn描繪成球體是一種簡化。更準確的做法是將iEn描繪成本徵態軌道。圖1C顯示了iH的本徵態，其中電子位置和速度的機率與圖的亮度成正比。實際上，軌道在原子核周圍不斷“旋轉”。圖1A中的球體表示這些軌道旋轉的邊界。

現在，想象一下iH構成了地球的整個大氣層，而太陽向下傾瀉著可見的iL，或光粒子（見下文）。你的腦海中應該能夠想象出一層厚厚的、幾乎空曠的iH毯子，無數的iL穿過它。當數十億個iL穿過數十億個iH時，每隔一段時間，iL就會“恰好”擊中iH，在這個虛構的大氣層中散射一些虛構的光線。這是理解不同電磁能量如何穿過不同材料的一種方式。最容易散射的頻率的iL會賦予這個虛構的大氣層一種虛構的顏色，這取決於有多少iL穿透了iH電子或質子而沒有被擊中。如果你難以“看到”這一點，那就放慢速度，並記住，如果這些圖是按比例繪製的，那麼軌道和每個粒子之間的空間將比本頁上顯示的空間大數百（甚至數千）倍。假設iEp以每分鐘1米的速度移動，這樣它大約需要1分鐘才能從包絡的一側穿過到另一側。接下來，想象一下iL以每分鐘1米的速度傳播。當iL穿過我們虛構大氣層中的所有這些幾乎空曠的iH時，它必須在恰好合適的時間和位置才能擊中電子或原子核。

光波粒二象性的概念類比

接下來，我們需要虛構的電磁光線。沒有數學，很難理解光的波粒二象性。然而，我們可以做一個類比，讓你“想象”光子（或電子）如何能夠同時是波和點粒子，這取決於觀察方式。此外，這個類比將使你能夠理解光子如何能夠具有兩種型別的自旋。讓我們的虛構光子類似於所示的BB彈，只是它們被壓扁成圓盤狀，具有以下屬性；

1）它們以光速沿直線運動（不考慮萬有引力效應），

2）它們沿其長軸旋轉，頻率與可見光的頻率成正比，

3）它們沿其短軸旋轉。

現在我們擁有一個更易理解的工具來想象光的二象性。從側面觀察，這些運動的粒子將呈現正弦波形（類似於圖 2 中的“擴充套件 iEp”），而從正面觀察，它們則表現為粒子。拿起一支鉛筆，將筆尖指向遠離自己的方向，閉上一隻眼睛，用另一隻眼睛“正面”觀察橡皮擦。想象一下，這是一個高速旋轉的圓盤朝你飛來。你應該會看到一個圓形（看起來像一個粒子），沒有任何跡象表明它後面拖著鉛筆。現在，將鉛筆側向放置，想象它代表旋轉圓盤的路徑，你應該能夠想象它就像一個正弦波的傳遞。因此，沿著直線運動的旋轉圓盤可以同時呈現為粒子或波。

我們用“iL”來代表這種假想的光粒子。iL 的概念使我們更容易理解光的行為方式，它如何具有二象性，以及如何透過濾光片進行偏振。假設大量的 iL 朝向（照射）一個柵格，柵格的間隙小於 iL 的主要直徑（Amajor），但大於 iL 的最小厚度（Aminor）。只有那些平行於柵格的 iL 才能透過。想象一下，一個飛盤繞著兩個軸旋轉，朝一個籬笆飛去，籬笆的柵欄間隙小於飛盤的直徑，但大於飛盤的厚度。平行於地面的飛盤撞擊柵格將無法透過間隙，但那些垂直於地面的飛盤在靠近柵格時將能夠穿過間隙。透過的 iL 現在將“同步”或偏振。

偏振器類比的缺陷：金屬絲柵偏振器實際上傳輸的是垂直於柵格線的偏振光。換句話說，能夠透過的飛盤實際上是“撞擊”籬笆的那一個。如果將光的電場和磁場視為振盪波，金屬絲中的電子將與電場同步響應。沿著金屬絲軸線自由移動的電子將很容易響應，光將在材料晶格內有效地被吸收和重新輻射，大部分以焦耳熱的形式損失掉。然而，電子垂直於金屬絲的移動自由度很小，具有垂直偏振的入射電波將大部分不受影響地透過。 事實上，這就是觀察到的現象——垂直於金屬絲偏振的光會被透射。

機械雙縫實驗

利用我們假想的運動飛盤模型來描述光，我們可以用機械術語解釋著名的雙縫實驗。在這個實驗中，一束光透過兩個非常狹窄的縫隙照射到一個牆上。如果光是一種圓形的粒子，那麼我們預期它應該在牆上顯示為兩個點；但實際上，它在牆上呈現出主要集中在三個區域的擴散模式！這是怎麼回事呢？如果我們假設光是一種旋轉的飛盤，我們就可以解釋為當飛盤穿過雙縫時，它將處於不同的旋轉角度或相位。相位將決定飛盤穿過哪個縫隙，如果我們想象它在穿過縫隙時接觸到縫隙的一側或另一側，它將產生不同的偏轉。當飛盤粒子穿過縫隙時，它們可能會出現在牆上的任何位置，但當考慮所有因素（結果的可能性）時，絕大多數飛盤Template:Fix/category 將會撞擊到牆上的三個位置。這些因素包括：雙縫到牆的距離、縫隙的寬度、縫隙之間的距離、每個縫隙的深度以及光粒子/波的相位。

氦

假想的氦 (iHe) 可能是什麼樣子？iH 的質量等於一個電子和一個質子的質量，而氦的質量等於兩個電子、兩個質子和兩個中子的質量，是 iH 的四倍。但 iHe 的形狀更像啞鈴，而不是球形。圖 2 顯示了兩個質子和兩個中子位於兩個相對的電子包絡的中心。由於同性相斥，每個電子都難以違反另一個電子的包絡，並且由於它們必須保持接近光速，因此它們似乎同時存在於自己的包絡中的各個位置。必須想象這些包絡是三維的，從紙面上延伸出來，以及下方，更像是被吃掉到核心的蘋果！

經典模型與新模型

圖 3A 顯示了典型的初中碳原子渲染圖。這種檢視是不準確的，使得核電動力學更難理解。假想的碳 (iC，圖 3B) 和假想的氧 (iO，圖 3C) 更現實，並且將導致對化學鍵合（虛線僅用於視覺參考）的更直觀的理解。透過“思想實驗”想象電磁力對這些各種粒子的推拉，可以“看到”這些亞原子成分是如何結合在一起的。圖 3C 中最內層殼層的兩個電子被迫“墜落”向原子核，相互排斥，並保持接近光速。外層殼層的四個電子也處於類似的困境，快速組織成同步平衡。這種平衡定義了物質併產生了它們的結晶特性和化學性質。請注意，圖 3B 中的碳模型是一個等邊四面體（三維三角形）。三角形是最強的幾何形狀之一，等邊三角形是最強的三角形。等邊四面體是最強的三維形狀，非常適合將柔軟的碳或石墨轉化為最堅硬的天然物質... 鑽石！人們對自然瞭解得越多，就越能欣賞從代數到動物學的聯絡。自然可以是奇妙的邏輯！

氧的化學鍵合

圖 4 示意性地顯示了兩個 iO 如何鍵合，要注意，所有 iO 元件之間的空間都遠大於本頁所能顯示的。假設出於某種原因，電子 iO2e2 已經進入 iO1e1 和 iO1e2 的影響範圍，如圖所示。我們說它們正在共享它們的殼層。由於電子之間存在電磁排斥，因此原子 iO1 和原子 iO2 現在透過標記為 FR 的力耦合在一起。額外的鍵合力 (FA) 由 iO1e1 和 iO1e2 的位移提供，它們被吸引到 iO2 的原子核。這很像將你的指關節連線在一起並試圖將你的雙手拉開。但如果電子相互排斥，它們怎麼可能一開始就進入這樣的配置呢？可以透過壓力和熱量、催化劑或電磁方式。如果壓力和熱量足夠，電子包絡會變形，使外層殼層能夠相互滑動。這就是太陽和地球深處將碳轉化為鑽石的方式。如果催化劑具有正確的性質，它可以將電子包絡拉開，為另一個包絡滑動進入創造一個“空洞”，釋放催化劑以進行另一個反應。這就是催化轉換器將汽車尾氣轉化為毒性較小的物質的方式。電磁地，電子包絡可以被拉開，為耦合建立一個“空洞”。這就是“富勒烯”在電弧中形成的方式。

原子晶體矩陣

這種原子結構的新示意圖非常適合顯示原子如何形成晶體結構。圖 5 示意性地顯示了這樣一個矩陣（為了清晰起見，去除了內層殼層）。同樣，這是一個 2D 模擬的 3D 結構，因此必須想象一些電子包絡進入頁面下方，而另一些則延伸到頁面上方（灰色圓圈僅用於視覺邊界參考）。

該模型還解釋了水的凝聚力和氫在氧氣存在下燃燒時釋放的能量。圖 6A 顯示了一個氧原子和兩個氫原子彼此靠近（氫原子用其單個電子表示為四個本徵態軌道）。如果新增足夠的能量，電子包絡（或軌道）可以跳到一個“更高殼層”，為氫軌道“滑入”之間創造空間，使得氫的電子包絡“低於”或位於氧的電子包絡內（圖 6B）。

氫和氧的燃燒

燃燒成水

當氧氣釋放先前獲得的能量時，它的電子包絡會回落到“更低殼層”，但現在，所有三個原子的相互排斥的電子力“擠壓”氫包絡，釋放更多能量（圖 6C）。請注意，自由 iH 的 iEn 體積大大減少。這種減少是巨大的能量損失。考慮一下：如果將 2 體積的 iH 與 1 體積的 iO 混合並點燃，會釋放大量的能量，而所得水的體積遠小於最初的 3 體積單位！

能量的釋放

進一步注意圖 7 中，2 個 iH 連線到一個 iO 如何暴露裸露的質子。可以很容易地識別出，這種暴露的質子會自動附著在任何暴露電子的表面上。現在，我們可以直觀地瞭解為什麼 H2O 會附著在玻璃上，以及為什麼它是一種如此優良的溶劑和反應物。有了這種原子模型，化學現在可以更合乎邏輯地進行視覺化！疏水性物質在其表面上會有被困的氫，使其具有防水性。想想油。它們通常是碳氫化合物鏈，C+H2，其中氫暴露，因此油和水不相容！

電子：殼層、本徵態和軌道

圖 8 展示了一個由計算機生成的擁有多個電子的元素影像。注意“殼層”被清晰地描繪出來。每個殼層之間的能量差是一個量子單位，從一個殼層躍遷到另一個殼層的過程被稱為量子躍遷。為了使電子從內層躍遷到外層，它必須吸收一個量子單位的能量。類似地，為了從外層躍遷到內層，它必須釋放一個量子單位的能量，通常以光子的形式釋放。請注意，這些亞原子粒子之間的距離遠遠大於紙張上所能表示的距離，因此原子實際上比看起來要“空”得多。例如，如果原子核中的質子和中子的大小相當於彈珠（4.33 毫米），那麼最內層殼層的直徑大約為 200 米；第二層殼層的直徑為 800 米，第三層殼層的直徑為 1900 米。因此，如果以彈珠的大小為尺度，則需要一張 2 平方公里的紙才能以真實比例顯示圖 8！再次強調原子是多麼“空”。令人驚訝的是，從百分比來看，原子核甚至更加“空”…… 但這是另一個論文的內容了！

圖 8：參見 **Dauger Research** 的優秀網站 **原子盒**：http://daugerresearch.com/orbitals/index.shtml.