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2021/9/26 原子模型、電子自旋

• 原子模型的演進：

1. Thomson model--布丁葡萄乾模型, 正負電荷間受力均衡保持穩定。

2. Rutherford Scattering --alpha particle 撞擊 Au 箔實驗中發現alpha particle 可被散射至大角度，經由計算得知應有一原子核位於中心尺寸約10^-14m，電子應散佈在原子核外的區域。

3. Bohr model--假設電子環繞原子核做圓周運動，但電動力學揭示帶電粒子做加速度運動輻射電磁波，因此電子環繞原子核時具有向心加速度，因此會輻射電磁波，造成其總能下降，最後掉落至原子核處，但實際上原子是穩定的，也沒有一直輻射電磁波，所以Bohr排除電動力學的說法，假設電子穩定待在特定軌道上，具有一角動量 L=nh/2pi, 其中n 為正整數代表不同的軌道(n稱為主量子數)，此揭示角動量量子化。除此之外，原子光譜中所看到的光譜線，對應到電子從高能階(n較大)躍遷至低能階(n較小)時釋出能量以電磁波形式出現。

ref: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E5%B0%94%E6%A8%A1%E5%9E%8B

4. Schrodinger equation--Schrodinger提出一微分方程描述原子核外電子的運動行為(此微分方程的物理意義：電子的動能＋電子的位能=總能, 但動能項中的動量及總能項中的能量是微分算符)。經由此方程可計算出電子的波函數，此波函數具有實部及虛部，取此波函數的絕對值的平方為機率密度，即電子出現在該位置的機率。(經由計算電子的能階及能量由3個量子數決定，分別為n: 主量子數, l: 角量子數、軌道量子數, ml: 磁量子數)

ref: https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=17762

https://www.youtube.com/watch?v=qnIOL9FS28I

5. 電子雲模型--經由Schrodinger equation的計算可得出單電子原子(例如：氫原子)的電子機機率密度分布。

• Stern-Glasch experiment--將Ag原子射入一不均勻的磁場，並於後方屏幕發現Ag原子分開成兩個原子束分布，此現象無法以現前的理論解釋，必須引入一個新的電子物理量才能解釋，並稱之為自旋(spin)，並引入一個新的量子數s；意謂電子(帶負電)快速自轉產生一磁矩並與非均勻磁場產生交互作用，因此讓Ag原子分開成兩束，但實際上如果真的電子自轉，經由計算其轉速將超過光速，因此不可能發生，所以spin這個現象不是古典物理所能解釋的。至此電子的波函數由 n, l, ml, s 四個兩子數描述之。

ref: https://www.youtube.com/watch?v=rg4Fnag4V-E

https://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=2&index_id=456

• 電子雙狹縫干涉實驗--一顆一顆的電子陸續由電子槍發射出來，在一個電場分布(一根帶正電的導線)下，電子朝此一帶電導線發射而去，並被迫選擇由導線的右側或左側經過。實驗發現，屏幕上顯示出一顆一顆的小光點(電子撞擊屏幕造成)，但當累積的電子束夠多時，顯示出亮暗的條紋，條紋形式跟光學的雙狹縫干涉實驗一樣。

ref: https://www.youtube.com/watch?v=76GM8goImEA

https://www.hitachi.com/rd/research/materials/quantum/doubleslit/index.html

• 哥本哈根學派

1. 一個量子系統的量子態可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對於量子系統所知道的全部資訊。

2. 按照玻恩定則,量子系統的描述是機率性的。一個事件的機率是波函數的絕對值平方。(玻恩)

3. 不確定性原理闡明,在量子系統裏,一個粒子的位置和動量無法同時被確定。(海森堡)

4. 物質具有波粒二象性;根據互補原理,一個實驗可以展示出物質的粒子行為,或波動行為;但不能同時展示出兩種行為。(波耳)

5. 測量儀器是古典儀器,只能測古典性質,像位置,動量等等。

6. 對應原理:大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近似於古典行為。(波耳與海森堡)