原创2022-06-28 11:08·
万象经验宇宙仅由不到100种自然存在的元素组成，然而却可以在宇宙中找到的无数种物质上。为什么我们可以只使用大约100个简单的原子来处理几乎无限数量的化学物质？这是因为很少发现天然存在的单独原子，它们大多通过化学键合过程与其他原子结合在一起。为什么原子会结合形成分子？这个重要问题的答案在于理解能量在分子形成中所起的作用，而这一切的根源就在于量子力学。
最低能量状态
对我们来说一些最重要的化学物质，比如我们呼吸的空气，不是由单个原子组成，而是由分子组成。例如，空气中的氧不是单独的氧原子，而是两个结合在一起的氧原子。
为什么原子主要以分子的形式普遍存在？理解这一个问题的关键是能量。所有自然系统都倾向于采用能量最低的状态，山上的石头具有很高的势能，如果有机会它会自然滚动到山脚下，那里的势能较低。
那么能量如何在分子的形成中发挥作用？让我们看看最简单的原子氢，它在地球上通常不是单独的氢原子，而是成对的。通过理解量子力学在氢气分子形成中的作用，我们就可以理解为什么其他原子也形成分子以采用较低的能量状态。
两个氢原子系统
一个氢原子仅由一个质子和一个电子组成，电子在原子核周围形成了云，这种云的形状由包含波函数的薛定谔方程决定。简单来说，如果我们要测量它的性质，波函数代表了可能结果的概率。
氢原子本身将处于其最低能量状态，称为基态。但是当第二个氢原子被引入系统，一些有趣的事情开始发生。如果两个原子相距很远，两个原子都处于各自的基态。但当它们彼此靠近时，会同时发生一些事情。首先是电子，它们都带负电相互排斥。但氢原子1的电子也开始受到氢原子2中质子正电荷的影响。同样，氢原子的电子也开始被氢原子1的质子吸引。所以，两个原子中的每一个电子往往会被稍微拉到另一个原子的质子上。
如果它们离得足够近，电子云就开始扩散到两个原子之间的空间。而如果原子靠得太近，那么质子就会开始相互排斥推开。所以两个质子更喜欢处于一个甜蜜点距离，这样电子就可以更快乐地被共享，并且质子彼此之间也不太排斥。
量子计算
整个系统发生的事情是由系统的总能量决定的。要计算这两个原子系统的最低能量，我们必须考虑以下因素：每个原子的动能、两个质子之间的势能、两个电子之间的势能以及每个电子与每个质子之间的势能。在量子力学中，整个系统的动能和势能的可能结果的总和被称为哈密顿量，用大写字母H表示。当我们进行所有计算时，我们的2原子氢系统的哈密顿量如下图所示。
需要明确的是，哈密顿量是对应于系统能量的算子，一旦将其代入与系统无关的薛定谔方程，就可以求解以获得可能的能量值。然而，这不是一个简单的方程，但为简单期间，它可以用下图表示，横坐标表示距离，而纵坐标表示能量。当系统从右到左移动时，表示两个原子从远离到靠近，此时能量会先下降然后再上升。因此，两个原子找到了一个自然的甜蜜点，这样它们在一起时就快乐地处于较低的能量状态。
事实证明，这两个原子系统的能量比两个单独的原子系统的能量小，这就是为什么氢原子喜欢彼此靠近。它们会自然地结合形成一个氢分子，而不是自己独自漂浮。这两个氢原子共享电子被称为共价键，同样由其他原子形成的共价键也有类似的作用。
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评论 4
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大鹏博士教授电工电子赞
量子力学伪科学
·22小时前
灵感而发赞
希望未来这个方向能出诺贝尔奖
·昨天06:05
路桥与文史赞
转发了
·前天12:53
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