我們很多人都知道原子是什麼，即質子和中子結合在一起形成原子核，電子繞着原子核轉。如果我們要拍一張原子的照片，這是我們會看到的嗎？還是我們弄錯了？

在過去的100年裡，我們對原子的理解發生了巨大的變化。從盧瑟福對原子核的實驗到中子的發現，我們已經發現了構成宇宙的基本元素的本質。但是，幾乎我們所有的學生都被教導原子大多是空的，隻有稠密的核和微小的電子在不同的能級上繞軌道運行。

但這幅圖是錯誤的，主要是因為電子不是點狀粒子。電子比這“模糊”得多，他們很難确定。這是由于它們的“量子波函數”，即它們作為概率場而不是單個粒子存在。這聽起來很奇怪，讓我解釋一下。

假設有一個單獨的電子，附近沒有原子或者電磁力作用于它。電子的“位置”就是它最有可能的位置，離這個點越遠，電子在那裡的指數概率就越小。概率降低的速率被稱為粒子的量子波函數。

這就意味着一個電子有非常非常小的機會在宇宙的一邊出現，然後又立即出現在另一邊。然而，這種可能性是如此之小，幾乎永遠不會發生。

你可以說電子以某種方式不斷消失和再現，這意味着它創造了這個概率場（這是對電子雲的常見解釋）。但正如雙縫實驗所顯示的那樣，這并不完全正确。

雙縫實驗使用光子或電子的原理是相同的。光子也不以點狀粒子的形式存在，而是以概率場的形式存在。該實驗将單個光子/電子通過屏幕上兩個非常緊密的狹縫，然後讓光/電子束照射到另一個屏幕上。一次一個粒子！

它們快速連續地完成這個過程，所以你會得到一股單光子/電子流通過雙縫。然後，它們在屏幕上的所有位置都被記錄下來，這樣你就可以從第二個屏幕上讀出它們的分布情況。

如果這些粒子是點狀粒子，你就會期望在屏幕後面看到一個不間斷的亮斑。這是因為粒子必須穿過一個或另一個狹縫，因此它們沒有東西可以相互作用。

但你根本看不到這個，相反，你會得到一個像下面這樣的幹涉圖案。

• 雙縫幹涉圖

這是因為粒子的量子波函數實際上穿過兩條狹縫，使其建設性地和破壞性地幹擾自身，如下面的GIF所示。

這一切聽起來又很奇怪，就像量子物理學總是看起來一樣！

讓我們從一開始解釋一下。當一個電子或光子從你身邊經過時，由于它的量子波函數，我們不會把它看作點狀粒子。相反，它通過更像一個波，因為發現它的概率逐漸增加，然後減少。這意味着這些粒子實際上起着波的作用（其波長由量子波函數決定，因此得名）。

就像波一樣，它們可以相互幹擾。所以，如果在波峰和波谷交彙的地方有兩束粒子，那麼你會看到雙強信号的相長幹涉。但如果波峰和其他波谷排列在一起，就會産生相消幹涉，信号就會完全抵消。如下圖所示。

這就是在雙縫實驗中看到的幹涉圖案的原因，即使隻有一個光子/電子。量子波函數通過兩個狹縫，作為波，而不是粒子，有效地使同一粒子産生兩種波！

這表明我們不能把電子看成點，它們占據了一個模糊的概率區域。那麼這對原子意味着什麼呢？這些單個電子的整齊軌道是錯的嗎？我們在化學課上學到的不同能級的軌道呢？這一切都錯了嗎？

讓我們把它分解，讓它變得簡單。讓我們從電子在原子周圍的樣子開始，然後是不同的能量軌道，最後是原子的樣子。

那麼，一個模糊的原子繞軌道運行的概率是怎樣的呢？還記得導緻幹涉圖案的電子波長嗎？這裡也發生了同樣的事情，它隻是纏繞在原子上。

電子仍然被電荷附着在原子核上，這部分還是一樣的。隻不過，原子扭曲了電子概率場的形狀，而不是圍繞原子核旋轉。這實際上意味着電子将它的量子波函數包裹在原子核周圍。

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

那麼所有的能級呢？他們和我們高中教的一樣嗎？對于那些已經忘記的人補充說明一下，原子有不同的能量“殼層”，電子可以圍繞它運行。如果原子有更多的能量，那麼電子就會在能量更高的外層軌道上運行。

你可能已經猜到了，這不可能是真的。如果電子沒有固定的軌道距離，那麼就不能有不同的能級。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，而是電子雲的複雜氣泡。電子雲的不同氣泡相互作用，這推動它們形成許多美麗而奇異的形狀，如下圖所示：

雖然這些都是模拟，而不是圖像，但它顯示了原子怪異的氣泡般的模糊性質。它們被複雜的電子雲所包圍，這些電子雲相互作用，形成美麗的、對稱的和奇怪的形狀。

但是這些軌道的形狀可以随着不同的能級而改變，正如上面的圖片所示。不同電子的量子波函數可以彼此協調，因為不同的電子吸收更多的能量并改變它們的量子波函數。這意味着像氫原子這樣的簡單原子可以擁有所有這些不同的電子雲模式，從而産生不同的能級并改變原子的外觀。

正是這些奇形怪狀的電子雲賦予了化學鍵形狀。每一個都是元素形成鍵的連接點。對于一個形狀像三葉草的電子雲，有四個連接。你可以建立一個直的連接，也可以建立一個彎的連接。

所以如果你能給一個原子“拍照”，你會看到什麼？

你會看到這些模糊不透明的形狀，有些更像球形，有些更複雜，就像萬花筒裡的一個原子。一些原子在形成化學鍵的時候會共享這些電子雲，就像握着手的原子一樣。但最重要的是你會看到模糊的本質，這些是美麗的，對稱的，但最終不是很整齊的物體。

所以下次有人說原子大部分是空的空間，你可以糾正他們，說它們實際上被電子雲填滿了。

現在你知道了原子是什麼樣子的了，這和我們通常對它們的理解有很大的不同。但是，這個模糊的球體給了我們一個令人難以置信的美麗的原子尺度的世界，複雜的對稱形狀看起來幾乎像花朵一樣。它顯示了美在自然界和宇宙中是多麼根深蒂固。

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