我們很多人都知道原子是什么，即質(zhì)子和中子結(jié)合形成原子核，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。如果我們想拍原子照片，這是我們能看到的嗎？還是我們錯(cuò)了？

在過(guò)去的100年里，我們對(duì)原子的理解發(fā)生了巨大的變化。從盧瑟福的原子核試驗(yàn)到中子的發(fā)現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成宇宙的基本元素的本質(zhì)。但是幾乎所有的學(xué)生都被教導(dǎo)說(shuō)原子大部分是空的，只有稠密的核和小電子在不同的能級(jí)上繞軌道運(yùn)行。(莎士比亞，原子，原子，原子，原子，原子。

但是這幅畫是錯(cuò)誤的。主要是因?yàn)殡娮硬皇屈c(diǎn)狀粒子。電子比這個(gè)模糊得多，他們很難確定。這是因?yàn)椤傲孔硬ê瘮?shù)”作為概率場(chǎng)而不是單個(gè)粒子存在。聽起來(lái)很奇怪。讓我解釋一下。

假設(shè)附近有沒有原子或電磁力的單獨(dú)電子。電子的“位置”是最有可能的位置，離這一點(diǎn)越遠(yuǎn)，電子的指數(shù)概率就越低。降低概率的速度稱為粒子的量子波函數(shù)。

也就是說(shuō)，電子有很小的機(jī)會(huì)出現(xiàn)在宇宙的一側(cè)，然后就出現(xiàn)在另一側(cè)。(約翰f肯尼迪，電子名言)但是，這種可能性太小，幾乎永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。

可以說(shuō)電子以某種方式消失和再現(xiàn)。這意味著創(chuàng)造了這個(gè)概率場(chǎng)(電子云的一般描述)。但是從雙縫實(shí)驗(yàn)中可以看出，這并不完全正確。

雙縫實(shí)驗(yàn)中使用光子或電子的原理是相同的。光子也不是作為點(diǎn)粒子存在的，而是作為概率場(chǎng)存在的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將一個(gè)光子/電子通過(guò)屏幕上非常緊密的兩個(gè)狹窄縫隙，然后將光/電子束照射到另一個(gè)屏幕上。一次一粒！

他們快速連續(xù)地完成這個(gè)過(guò)程，所以你會(huì)得到單光子/電子類，通過(guò)雙縫隙。然后，它被記錄在屏幕上的任何位置，以便在第二個(gè)屏幕上讀取分布。

如果這些粒子是點(diǎn)狀粒子，你會(huì)在屏幕后面看到不斷的亮點(diǎn)。這是因?yàn)榱Ｗ颖仨毻ㄟ^(guò)一個(gè)或另一個(gè)狹縫，所以沒有什么可以交互的。

但是你根本看不到這個(gè)。相反，您可以獲得以下干涉模式。

雙縫干涉圖這是因?yàn)榱Ｗ拥牧孔硬ê瘮?shù)實(shí)際上通過(guò)了兩個(gè)縫，產(chǎn)生了建設(shè)性和破壞性的干涉，如下面的GIF。

這一切聽起來(lái)很奇怪，就像量子物理學(xué)總是看到的一樣！

從頭開始解釋吧。當(dāng)電子或光子從你身邊經(jīng)過(guò)時(shí)，由于其量子波函數(shù)，我們不會(huì)把它看作點(diǎn)粒子。相反，它通過(guò)更多的波動(dòng)。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)它的概率逐漸增加和減少。也就是說(shuō)，這些粒子實(shí)際上起到了波的作用(波長(zhǎng)是由量子波函數(shù)決定的，因此得名)。

像海浪一樣，它們可以互相干涉。因此，如果波峰和波谷交匯處有兩個(gè)粒子，則可以看到雙強(qiáng)信號(hào)的相位長(zhǎng)度干擾。但是，如果峰值與其他山谷排列在一起，則會(huì)發(fā)生相互干擾，信號(hào)會(huì)完全抵消。約翰肯尼迪(約翰肯尼迪)如下圖所示。

這就是即使只有一個(gè)光子/電子，也能在雙間隙實(shí)驗(yàn)中看到的干涉模式。量子波函數(shù)不是粒子，而是波，通過(guò)兩個(gè)狹窄的縫隙，在同一個(gè)粒子上產(chǎn)生兩個(gè)波！

這說(shuō)明我們不能把電子看作圓點(diǎn)。它們占據(jù)了模糊的概率領(lǐng)域。那么這對(duì)原子意味著什么呢？這些是

單個(gè)電子的整齊軌道是錯(cuò)的嗎？我們?cè)诨瘜W(xué)課上學(xué)到的不同能級(jí)的軌道呢？這一切都錯(cuò)了嗎？

讓我們把它分解，讓它變得簡(jiǎn)單。讓我們從電子在原子周圍的樣子開始，然后是不同的能量軌道，最后是原子的樣子。

那么，一個(gè)模糊的原子繞軌道運(yùn)行的概率是怎樣的呢？還記得導(dǎo)致干涉圖案的電子波長(zhǎng)嗎？這里也發(fā)生了同樣的事情，它只是纏繞在原子上。

電子仍然被電荷附著在原子核上，這部分還是一樣的。只不過(guò)，原子扭曲了電子概率場(chǎng)的形狀，而不是圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這實(shí)際上意味著電子將它的量子波函數(shù)包裹在原子核周圍。

電子和原子核之間的距離可以是非常近的，也可以是非常遠(yuǎn)的，或者介于兩者之間的任何地方，而不是一個(gè)非常整齊的軌道。在原子周圍有一團(tuán)模糊的電子概率云，這就是電子云。

那么所有的能級(jí)呢？他們和我們高中教的一樣嗎？對(duì)于那些已經(jīng)忘記的人補(bǔ)充說(shuō)明一下，原子有不同的能量“殼層”，電子可以圍繞它運(yùn)行。如果原子有更多的能量，那么電子就會(huì)在能量更高的外層軌道上運(yùn)行。

你可能已經(jīng)猜到了，這不可能是真的。如果電子沒有固定的軌道距離，那么就不能有不同的能級(jí)。能量殼的真相比我們想象的任何東西都要美麗得多。

這些殼層不是同心殼層，而是電子云的復(fù)雜氣泡。電子云的不同氣泡相互作用，這推動(dòng)它們形成許多美麗而奇異的形狀，如下圖所示：

雖然這些都是模擬，而不是圖像，但它顯示了原子怪異的氣泡般的模糊性質(zhì)。它們被復(fù)雜的電子云所包圍，這些電子云相互作用，形成美麗的、對(duì)稱的和奇怪的形狀。

但是這些軌道的形狀可以隨著不同的能級(jí)而改變，正如上面的圖片所示。不同電子的量子波函數(shù)可以彼此協(xié)調(diào)，因?yàn)椴煌碾娮游崭嗟哪芰坎⒏淖兯鼈兊牧孔硬ê瘮?shù)。這意味著像氫原子這樣的簡(jiǎn)單原子可以擁有所有這些不同的電子云模式，從而產(chǎn)生不同的能級(jí)并改變?cè)拥耐庥^。

正是這些奇形怪狀的電子云賦予了化學(xué)鍵形狀。每一個(gè)都是元素形成鍵的連接點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)形狀像三葉草的電子云，有四個(gè)連接。你可以建立一個(gè)直的連接，也可以建立一個(gè)彎的連接。

所以如果你能給一個(gè)原子“拍照”，你會(huì)看到什么？

你會(huì)看到這些模糊不透明的形狀，有些更像球形，有些更復(fù)雜，就像萬(wàn)花筒里的一個(gè)原子。一些原子在形成化學(xué)鍵的時(shí)候會(huì)共享這些電子云，就像握著手的原子一樣。但最重要的是你會(huì)看到模糊的本質(zhì)，這些是美麗的，對(duì)稱的，但最終不是很整齊的物體。

所以下次有人說(shuō)原子大部分是空的空間，你可以糾正他們，說(shuō)它們實(shí)際上被電子云填滿了。

現(xiàn)在你知道了原子是什么樣子的了，這和我們通常對(duì)它們的理解有很大的不同。但是，這個(gè)模糊的球體給了我們一個(gè)令人難以置信的美麗的原子尺度的世界，復(fù)雜的對(duì)稱形狀看起來(lái)幾乎像花朵一樣。它顯示了美在自然界和宇宙中是多么根深蒂固。