2012年5月18日 星期五

盒中粒子模型 The Particle in a Box as a Model(一)

化學原理啟迪314
1.        Steven S. Zumdahl 描述薛丁格的盒中粒子模型:假設有一個質量m的粒子,自由地沿著一度空間來回移動(一度空間用x表示),這個粒子在x0x=L之間移動(我們假設1度空間的盒子長度是L公尺)。
2.        徐弘毅:盒中粒子模型原子的電子在三度立體空間中圍繞原子核公轉的運動模式,壓縮在一條直線上觀察,以一顆粒子沿著在盒中的一條直線來回移動,描述電子圍繞原子核公轉的情形。
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3.        三度空間是立體的世界,一度空間是沿著一條直線活動。原繞原子核的電子的立體波狀運動壓縮到一條直線上,一定有些部分被省略,例如公轉的環狀軌道與直線軌道是不同的,又例如公轉過程中電子的運動是「波狀」的情況,變成直線之後不見了,這些被省略的部分薛丁格將用數學公式還原其能量。

4.        Steven S. Zumdahl 描述薛丁格的盒中粒子模型:我們假設除了終點x0xL以外,粒子在它移動的任何一點上,位能V(x)都是零;在x0xL這二個位置的v(x)是無限大的。
5.        徐弘毅:盒中粒子的模型是模擬原子核所控制的電子,盒中的粒子在終點x0xL範圍內移動代表的意義是,原子核的電子在自己的能階內活動
6.        電子圍繞原子核的能量,其實包含二種:(1)電子本身質量與慣性使它往前衝的動能。(2)原子核對電子的引力所造成的位能
7.        當電子在自己的能階內往前移動,沒有打破能階,它只有動能,沒有轉換能階造成的能階落差,也就沒有能階落差帶來的位能。這是什麼樣的情況呢?我們用水庫比喻原子的電子。
8.        當閘門封閉,水庫裡所有的水不論怎麼活動,都只有動能,沒有位能,這就像原子的電子在自己的能階內活動的情形;當我們打開水庫閘門,讓水從高處往低處流才會產生位能,可以用來推動渦輪,進行水力發電,原子的電子改變能階,就像水庫的水從高處流向低處而產生位能。
9.        盒中粒子在終點x0xL之間的區域游移(不包含終點x0xL的牆壁),所象徵的就是電子在固定能階軌域中以「動能」移動的情形,在這個區域移動的任何一個點,位能V(x)都是零。
10.     但是,縱使原子的電子沒有改變能階,電子能夠圍繞原子核轉圈圈,還是存在著一種「位能」,什麼樣的位能呢?原子核對電子的引力所造成的位能
11.     當電子按照自己的慣性筆直地往前跑時,原子核的引力會把電子吸引靠向自己灣折;電子雲被原子核吸引而朝原子核方向跑的現象,跟水庫的水被地心引力而往下墜落的情形,原理是一樣的,都屬於一種「位能」
12.     電子能夠圍繞原子核公轉一圈,就是因為原子核對電子拉扯造成的位能。薛丁格把電子轉一圈過程中一點一滴小小的位能的總和,全部集中濃縮在直線的二個端點,也就是盒中粒子左右移動的終點x0xL
13.     因為薛丁格的盒中粒子模型,是把電子轉一圈的軌道拉成一直線,因此電子繞著原子核公轉一圈的總位能,也就變成粒子碰撞到盒子最左邊與最右邊的牆壁而反彈的位能,盒子最左邊與最右邊牆壁的位置,就是粒子移動路徑(一直線)端點x0xL
14.     「粒子碰到盒子最左邊的牆壁反彈,再直線前進又碰到最右邊的牆壁反彈,再往左前進……」,這個過程就等於,「圍繞原子核的電子,被原子核吸引轉到軌道的最左邊後,再被原子核的引力吸引到最右邊,再被原子核的吸引往左轉……」。
15.     Steven S. Zumdahl 描述薛丁格的盒中粒子模型:盒子的二端是會排斥粒子通過的能量門檻,門檻的排斥力無限強;粒子被鎖在一度空間的箱子裡,二側的牆是不可穿透的。
16.     徐弘毅:盒子的二端代表原子的電子軌域在不同能階之間的能量門檻,在沒有額外添加能量的情況下,電子無法自行突破這道能量門檻,所以薛丁格說「門檻的排斥力無限強」。

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