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氫原子
氫元素的原子
歷史
簡(jiǎn)介
氫原子是氫元素的原子。電中性的原子含有一個(gè)正價(jià)的質(zhì)子與一個(gè)負(fù)價(jià)的電子，被庫(kù)侖定律束縛于原子核內(nèi)。在大自然中，氫原子是豐度最高的同位素，稱為氫，氫-1，或氕。氫原子不含任何中子，別的氫同位素含有一個(gè)或多個(gè)中子。這條目主要描述氫-1 。
氫原子擁有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，是一個(gè)的簡(jiǎn)單的二體系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的作用力只跟二體之間的距離有關(guān)，是反平方有心力，不需要將這反平方有心力二體系統(tǒng)再加理想化，簡(jiǎn)單化。描述這系統(tǒng)的（非相對(duì)論性的）薛定諤方程有解析解，也就是說(shuō)，解答能以有限數(shù)量的常見(jiàn)函數(shù)來(lái)表達(dá)。滿足這薛定諤方程的波函數(shù)可以完全地描述電子的量子行為。因此可以這樣說(shuō)，在量子力學(xué)里，沒(méi)有比氫原子問(wèn)題更簡(jiǎn)單，更實(shí)用，而又有解析解的問(wèn)題了。所推演出來(lái)的基本物理理論，又可以用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)核對(duì)。所以，氫原子問(wèn)題是個(gè)很重要的問(wèn)題。
另外，理論上薛定諤方程也可用于求解更復(fù)雜的原子與分子。但在大多數(shù)的案例中，皆無(wú)法獲得解析解，而必須藉用電腦(計(jì)算機(jī))來(lái)進(jìn)行計(jì)算與模擬，或者做一些簡(jiǎn)化的假設(shè)，方能求得問(wèn)題的解析解。
電子軌道圖
右圖顯示出能量最低的幾個(gè)氫原子軌道（能量本征函數(shù)）。橫向展示不同的角量子數(shù) (l) ,豎向展示不同的能級(jí) (n)。
氫原子
基態(tài)是最低能級(jí)的量子態(tài)，也是電子最常找到的量子態(tài)，標(biāo)記為1s態(tài)，
, 。
特別注意，在每一個(gè)軌道的圖片內(nèi)，黑線出現(xiàn)的次數(shù)。這些二維空間黑線，在三維空間里，是節(jié)面(nodal plane) 。節(jié)面的數(shù)量等于
，是徑向節(jié)數(shù)
與角節(jié)數(shù)
的總和。
穩(wěn)定性
思考?xì)湓臃€(wěn)定性問(wèn)題，應(yīng)用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)來(lái)分析，則由于庫(kù)侖力作用，束縛電子會(huì)被原子核吸引，呈螺線運(yùn)動(dòng)掉入原子核，同時(shí)輻射出無(wú)窮大能量，因此原子不具有穩(wěn)定性。但是，在大自然里這虛擬現(xiàn)象實(shí)際并不會(huì)發(fā)生。那么，為什么氫原子的束縛電子不會(huì)掉入原子核里？應(yīng)用量子力學(xué)，可以計(jì)算出氫原子系統(tǒng)的基態(tài)能量大于某有限值，稱這結(jié)果為滿足“第一種穩(wěn)定性條件”，即氫原子的基態(tài)能量
大于某有限值：
更詳細(xì)分析起見(jiàn)，只考慮類氫原子系統(tǒng)，給定原子的原子序Z ，原子的能量 E為
表格比較
相鄰較輕同位素: (沒(méi)有, 最輕的) | 氫原子是 氫的同位素 | 相鄰較重同位素: 氫-2 |
母同位素： 自由中子 氦-2 | 氫原子的 | 衰變產(chǎn)物為 （穩(wěn)定） |
參閱
- 氘
- 氚
- 21公分線
- 量子化學(xué)
- 類氫原子
- 球?qū)ΨQ位勢(shì)
氫原子相關(guān)的文章
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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