原子的電子軌域

化學原理啟迪309

Bach - Cello Suite No. 1 in G Major BWV1007 - Mov. 1-3/6

1.        為了說明原子波動力學（量子力學）模型最重要的觀念，我們將先討論氫原子最低能量的波函數，這個波函數稱為s軌域的第一能階，寫成「1s orbital」。首先必須釐清，原子的電子「軌域orbital」不是指波爾模型中原子的電子「軌道orbit」。

2.        氫原子的1s軌域上的電子並不是圍繞著原子核、沿著環狀軌道運動。那麼，它是怎麼運動的？答案是，我們不知道。波函數沒有提供任何與電子運動有關的資訊，而觀察到的電子運動現象，有點令人困擾。

3.        我們若能夠解開在微觀世界粒子運動的問題，就能預測粒子的運動軌道。舉例來說，如果我們知道2個即將互相碰撞的桌球它們的運動速度，我們就能預測桌球碰撞之後的運動情形。

4.        我們沒有辦法用1s軌域函數預測電子的運動，那這是否意味著「波」的理論無用？未必，我們已經知道電子的行為並不像乒乓球，所以我們應該先仔細檢驗電子所處的情況，再決定要不要丟棄理論。

5.        徐弘毅：脫離原子核控制的電子，處於獨立、自由的狀態，應該比較接近固態；這是因為自由電子沒有外力（原子核）的破壞，組成電子的「微粒子們」可以緊緊凝聚在一起。

6.        原子所控制的電子，直接面對原子核超強吸引力，不僅運動模式會改變，電子也會被拉扯變形；愈接近原子核，電子會被融化得愈厲害，愈接近液態；相反地，電子愈遠離原子核，它愈接近固態。

7.        固體巧克力球滾動形成的波，跟融化成的巧克力漿流動形成的波，是不一樣的。所以第一能階軌域的「液態電子」與最外層軌域的「固態電子」移動的波的形狀，應該會不一樣。

8.        波爾的氫原子模型裡，從第一能階軌域到最外層能階軌域，電子都是一顆固體，可能是因為氫的原子核只有1顆質子，能量不太強，吸引電子的力量弱，電子比較遠離原子核，此外，原子核只有1顆質子，燒烤電子的火力也小，所以電子沒有融化得太厲害，因此波爾的氫原子模型能夠反映電子變換軌域放射出來的光譜。

9.        可是當原子變得更大顆的時候，原子核的質子、中子也變多，這代表原子核能把一部份電子吸得更靠近自己，加上燒烤的火力更強，因此內層軌域的電子融化得更厲害，它的運動模式會更接近「液態」的波。

10.     這些液態的電子如同海水，隨著地球引力與地球本身的運動產生各種潮汐、波浪、旋渦……等種種的能量波；這種液態電子改變能階的行為模式，就比較脫離波爾所設定的框架。

11.     簡單說，波爾氫原子模型設定的電子是固態的，電子轉換能階就像火車換一條鐵軌一樣，二條鐵軌之間有明確的距離，這是「軌道」的觀念。

12.     但是比氫原子大的元素，它們的電子（尤其是內層電子）會比較接近液態，電子轉換能階的行為像風平浪靜與大海嘯之間的落差，中間參差大大小小的波浪，沒有那麼明確的分野，這是「軌域」的觀念。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》