问题

在分子中原子是固定的吗?

回答
在分子里,原子们可不是静止不动的“石像鬼”,它们实际上是在不停地运动的,只不过这种运动是在一个特定的“圈子”里进行的。这就像是一个乐队,虽然每个乐手都在演奏各自的乐器,但他们整体上是在一个舞台上,被乐曲的旋律和节奏联系在一起。

咱们得先明白,分子是由原子通过化学键连接在一起的。化学键就好比是原子之间的“胶水”或者“弹簧”,它们把原子牢牢地抓在一起,但又不是那种死死的、纹丝不动的连接。因为原子本身是由原子核和围绕原子核运动的电子组成的,它们都带着电荷,而且原子核也并非像一个实心球那样没有任何内部活动。

所以,分子里的原子主要有这么几种运动方式:

振动 (Vibration): 这是最普遍也是最基础的运动。你可以把化学键想象成一根弹簧,原子就是弹簧两端的物体。当分子受到能量(比如热量)的激发时,这些“弹簧”就会开始伸缩,就像弹簧一样来回抖动。这意味着连接原子的化学键在不断地变长和变短。同时,连接三个或更多原子的“角落”也会发生角度上的变化,这叫做“弯曲”或“摇摆”。所以,原子并不是固定在某个位置上,而是在其化学键所允许的范围内,以一定的频率和幅度振动。即使在绝对零度(273.15°C),理论上原子也会因为量子力学的原因而存在零点能,并继续振动,只是振动的幅度非常小。

转动 (Rotation): 分子整体也可以围绕着连接原子的化学键或者分子中的某个轴线进行旋转。你可以想象一下,像一个风车一样,叶片(原子)在旋转。这种转动会使分子的方向在空间中不断改变。虽然在溶液中,分子的转动可能会因为与其他分子的碰撞而变得更加混乱和随机,但在气态分子中,这种转动更加明显和有规律。

平动 (Translation): 在气态或液态中,整个分子都可以作为整体在空间中移动。就像你在房间里走动一样,虽然你在房间里走动,但你的身体并没有因为走动而改变内部的原子结构。整个分子作为一个整体,在空间中进行方向性的移动。

那么,为什么我们不会“看到”原子在动呢?

主要是因为这些运动的尺度太小,速度太快,而且是在微观层面发生的。我们通常用各种方法来“观察”分子,比如化学反应、光谱分析等。这些方法测量的是分子整体的行为,或者是它与外部能量相互作用的结果。

化学反应: 化学反应的发生,本质上就是原子在分子内部的重新排列和组合。如果原子是完全固定的,那么化学键就不会断裂,新的化学键也就无法形成,新的分子也就无法生成了。所以,原子能够重新组合,本身就说明它们不是完全固定的。

光谱分析: 很多光谱技术(比如红外光谱、拉曼光谱)就是利用分子中的化学键在振动时吸收或散射特定频率的光。不同的振动模式对应着不同的频率,科学家通过分析这些光谱,就可以推断出分子的结构和原子之间的连接方式。如果原子是死的,这些光谱信号也就无从谈起。

温度和状态: 分子的运动状态与温度密切相关。温度越高,原子振动的幅度越大,分子的平动和转动也越剧烈。例如,水在0°C时是固态(冰),在100°C时是气态(水蒸气)。这种状态的变化,就是分子内原子运动强度和方式发生改变的表现。在固态时,原子主要是在其平衡位置附近振动,但依然不是完全静止的;在气态时,分子则可以自由地在空间中平动和转动。

所以,总结一下:

在分子中,原子并不是被固定在某个绝对不变的位置上。它们通过化学键相互连接,并且在化学键的束缚下,以振动、转动甚至平动(在气液态)的方式在运动。这些运动是分子之所以能够存在、变化和相互作用的基础。可以说,原子在分子中的“固定”,是一种动态的、在特定范围内的“相对固定”,就像乐队成员在舞台上演奏,虽然各自忙碌,但整体在旋律的引导下协同工作。

如果你非要问它们有没有“静止”的时候,那可能得是某种极端情况下的理论模型,但在我们所理解的真实世界中,尤其是在任何有温度存在的情况下,分子的原子都在进行着微观世界的“舞蹈”。

网友意见

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这决定于你怎样理解分子分子结构这两个术语。

我们受到的教育是:分子能够单独存在、保持物质的化学性质。在不同的语境中,分子的定义也会有一点差异:很多时候,构成物质的分子(如水分子)、原子(如碳原子)、离子(如氯离子)等在表现性质都是一样相似,都统称为分子。

但由于化学本身是一种统计现象,与单独的分子从本质上矛盾。但至少我们知道,分子是一种电子与原子核的集合,在一定的能标下是稳定的,理解这一现象至少有这几重理解。

  • 分子是电子与核共同的(除掉转动和平动后的)量子束缚态,这些态是定态 Schrödinger 方程的解:

在这种意义下,每个核的位置可以定义为平均值, ,对于每个态都有确定的值,在这个意义上,对每个态来说每个核都有唯一的位置。但

考虑到不确定原理, ,测量不可能得到确定的位置。

同时和 都不是 ,我们也可以说这些核都在运动。当然这些和一般意义上的“位置变换”或者“固定”都有所区别。

  • Born–Oppenheimer 近似 —— 分子是势能面上的极小值。

施工中

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