互动科普

根据量子论就能知道“为什么不同元素的性质各异”

玻尔提出的分立原子轨道的模型，实际上这个模型还是不严格的。之后根据量子力学的基本方程“薛定谔方程”导出的结果，与更加正确的模型相比还有很多的不同之处。但是，“轨道是分立的”这一点本质上是正确的。

只要不去观测电子，就不能说“电子在这里”。电子如同有分身术一般，在空间中弥散地存在着。这时电子的图像就像云一样。

一般地，氢原子最低能量状态（基态能级）的“1s轨道”呈球对称的云状。当电子吸收了从外部打来的光子后，同时吸收了光子的能量，将会向能量更高的轨道跃迁（激发态）。

对于除氢元素之外的其他元素，也可以使用薛定谔方程来求解其电子轨道。比起氢原子来说，其他元素的原子的原子核的电荷数更大，而且会受到周围电子的电磁力的影响，但是其轨道的特征并没有被改变，所以它们的轨道也可以和氢原子一样用1s、2s、2p等来称呼。

元素性质的差异与其“配备”的电子相关

在电子轨道上，也有“定员”的限制。一条轨道上只能存在两个电子（泡利不相容原理）。

比如说，原子序数为2（与电子的数目一致）的氦原子（He）在1s轨道上有两个电子，原子序数为6的碳原子在1s轨道上有2个电子，2s轨道上有2个电子，然后在2p轨道上有2个电子。电子从低能轨道到高能轨道顺次“排布”。

就像这样，不同的元素之间的差别是与电子如何配置相关的。电子配置的方式不同决定了各种元素的化学反应的性质也不同（容易形成什么样的离子，容易与什么样的元素发生化学反应等等）。也就是说，化学的根本原理是由量子论在支配着。对于“为什么不同的元素之间的性质不同”这个谜题，量子论给出了圆满的答案。

氢、氧、氮等元素的原子结成分子，其机制可以用量子论来理解

通常，两个氢、氧、氮等元素的原子可以相互结合形成“分子”。但是对于电中性的原子来说，它们之间似乎并不存在电磁吸引，那为什么还会结成稳定的分子呢？

试想一下两个氢原子从分离的状态慢慢接近的情况。每个氢原子中的电子的轨道（1s）都会受到另一个的影响而发生变形。

基于量子论的计算得知，两个1s的轨道会形成两种新的“分子轨道”(成键轨道和反键轨道）。另外，计算可知这两个轨道之间存在能量差。

一个轨道上可以放置两个电子，所以这两个电子可以同时放置在能量比较低的轨道上（成键轨道）。

从分子轨道就能够预言什么样的反应可以发生

通过计算求得，在低能的分子轨道上两个原子核之间的“电子云”的密度非常高（电子被发现的概率很高）。由于原子核带正电，电子带负电，原子核和电子云稠密的地方会产生吸引力。

结果是电子作为媒介把原子核结合在一起。这就是从氢原子生成氢分子的原因。

就这样，基于量子论来研究电子轨道的方法发展成为“量子化学”。各种原子、分子的性质，以及在量子化学之前无法理解的化学反应的模式等,通过量子化学为基础的计算机模拟渐渐为人们所掌握。

现在化学工业和医药开发等领域中，量子化学是不可或缺的，期待着会有更进一步的发展。

看了氢分子中的“电子云”就能明白其结合的方式

试想两个氢原子（如左页，各有一个电子）相互靠近的过程。如此一来，电子云（轨道）开始发生变化，最终形成了与原来的原子轨道不同的“分子轨道”。分子轨道分为稳定的“成键轨道”和不稳定的“反键轨道”。在一个分子轨道上可以放入两个电子，所以一般来说两个电子会落入成键轨道中。

成键轨道的中央附近，两个原子核（正电荷）之间的地方，电子云（负电荷）的密度非常高，因此才拉住了原子核。这就是把氢原子结合成氢分子的力的本质。

运用量子论可以知道“金属”、“绝缘体”和“半导体”的性质

铜、银和铁等“金属（导体）”中可以有电流（电子的流）流过。而一般来说诸如陶瓷制品等“绝缘体”中，除非施以非常高的电压，否则不会有电子流过。同样都是固体，为什么会有如此极端不同的性质呢？

实际上，对于不同物质的电磁性质的差异也可以用量子论来说明。与 “根据原子轨道求解分子轨道”类似，认为固体是多个原子、分子的聚集，就可以知道其中的电子的行为是怎样的了。

 “凝聚态物理”是现代社会的支柱

把宏观物体（眼睛可见的尺度上的物质）看做是大量原子组成的集团，依据量子论，研究其性质的物理学就称为“凝聚态物理”。量子论的“适用范围”不止于微观世界。

“半导体”是一种导电性比金属弱，而又比绝缘体强的物质，比如硅（Si)、锗（Ge）等。半导体的性质也可以通过凝聚态物理来研究。

从技术的观点看，半导体可不止是介于金属和绝缘体之间的一种物质。通过混合不同类型的半导体，把它们组合起来，就能得到各种各样的元件。比如说，“二极管”、“三极管”等就是由不同的半导体组合而成的。很多这样的东西高度集成起来，就是计算机的核心部分集成电路（IC）。集成电路不只使用在个人电脑、手机之中，现在的各种家用电器中也要使用它。可以说，这些都是凝聚态物理学，也就是量子论带来的好处。

（本文发表于《科学世界》2013年第9期）