論原子核振動原理

摘要：電子在高速運動的過程中，電子與原子中心之間的距離是如何改變的，本文試著從原子核振動的角度進行分析，通過闡述原子核振動的概論，同時對電子云密度的原因進行分析，并揭示了隨著溫度的降低，金屬導體的電導率逐漸升高的規律，進而豐富了原子核振動理論。

關鍵詞：原子核 振動

1 概述

我們知道，在原子中原子核外的電子是高速運動，有電子云密度。原子中，原子核帶正電，電子帶負電。依據庫侖定律，正負電荷相吸引，電子被束縛在原子核外特定能量的軌道內。假若原子核是靜止的（相對運動）或只存在自身的旋轉（由核磁共振得知），則核外的電子靜止或作勻速圓周運動。但事實并非如此，核外的電子的位置及同原子中心的距離時刻改變著。因此，才會有電子云密度，電子云密度由軌道的內殼層到外殼層逐漸減小。是什么力或能量使電子在高速運動的同時會改變電子同原子中心的距離？

2 原子核振動的概論

2.1 在原子中，原子核同核外的電子一樣都具有吸收能量的能力，電子吸收能量后，將會引起自身能級的躍遷，由低能級躍遷到高能級，即電子遵守E= hv定律，而原子核吸收能量后，將會引起自身振動的改變。

2.2 原子中，原子核在原子中的位置不是固定的處于原子中心，原子核除自身的旋轉外還以原子中心為平衡位置做永不停息的一種特殊的振動。原子核的運動是一種特殊的振動，有些類似于簡弦運動，它以原子中心為平衡位置，以最小軌道半徑為極限振幅。其振動路徑偏離圖如圖所示：

o：原子中心

A：原子核最大振幅

As子核極限振幅

Q：復路徑同偏離路徑夾角

vn+1vn vn：原子第n次偏離原子中心

原子核振動路徑偏離圖

2.3 原子核由于其振動的特殊性（外加高速運動），原子核的振動會像電子云一樣是密麻麻的點，以振幅為半徑形成一個振動密度球體，最外層為原子核的球面，其中球心的密度最大，從求心到球面密度逐漸減小。密度大小代表了原子核在原子中心以外的空間出現的概率。

3 電子云密度的原因

在原子在中，原子核與電子間存在相互吸引的靜電引力，即是F=kQq/r，在原子核振動理論中，kQq是定值。假設F是不變的，則r也將不變。然而正是由于原子核的振動的影響，當原子核偏離原子中心時，為保持F的不變，電子將會由軌道內殼向外殼移動使原子核與電子間的距離r保持不變。當原子核振動到最大振幅A時，原子核在A處自旋跨越一定弧度后又回復到平衡位置即原子中心，為保持F的不變，電子又由軌道外殼運動到軌道內殼。所以，電子云現象應是由原子核振動而引起的。

原子核的振動是由于原子核本身吸收能量引起的，原子核吸收能量后又將會引起自身振動的改變，且將原子核單位時間吸收能量的大小稱為吸能速率（J/s）。

現在，我們可以用原子核振動理論來解釋一些現象了。

對于任意的兩原子，我們知道它們之間存在如下的勢能關系，如圖：

原子核振動理論中，可將ro看做兩原子的原子核振動球體的球面與球面間的距離。當向兩原子提供能量時，原子核的吸能速率會增加，致使原子核的振動加劇，振幅增大，ro將短暫減小。因此，原子間的勢能會短暫的增大，增大的勢能又將使得原子間的間距由r1增大至r2，使兩原子所組成的體系的能量恢復到穩定。當r2達到一定值時，原子間的鍵斷裂，解離為自由基或離子。所以，提供的能量增大了原子核的振幅和原子間的間距。

體系中，當體系獲得或失去能量后體系所表現出的熱脹冷縮現象，用原子核振動的理論來解釋則是原子核因吸能速率的改變所表現出的振動膨脹或振動收縮的原因。原子核獲得能量速率增加則將增大原子間的排斥力使得原子間距增大，體系宏觀表現出膨脹。

金屬導體的低溫超導性。金屬導體有隨溫度的升高電阻率增大，溫度降低電導率升高的特性。為解釋這一現象，我們將分子軌道理論和金屬價鍵理論引入金屬，將金屬看做是一個由許多金屬原子組合成的金屬大分子，且在金屬大分子中存在能級密集的由原子軌道組合成的分子軌道，且在此引入費米能級圖同原子核振動理論加以解釋，如圖：

從圖示可以看出，受熱后的金屬導體中可以移動導電的電子數目與較低能量能級的軌道數目均減少，使得軌道間的能量差增大，電子不易被激發，因此電導率降低。而影響圖中電子數目減少與軌道能量差增大的根本原因其實是原子核振動的改變而引起的。

4 結論

受熱時，金屬中金屬原子的原子核吸能速率增大，使得原子核的振幅增加，金屬原子間原子核振動密度球體的球面與球面的距離ro減小，原子間排斥力增大，最終的結果是使得ro增大。當原子核由于吸能速率的增加而增大原子間的中心間距，使得在內層的排布有價電子的原子軌道，更是無法重疊，可移動導電的電子數目很少，所以高溫時金屬導體的電導率降低。低溫時，原子核的吸能速率小，原子間中心間距小，使得可以重疊成分子軌道的價軌道數目多，組合成的能帶中分子軌道間的能量差小、電子容易激發。隨溫度的逐漸降低，原子核的吸能速率會越來越小，原子核的振幅也越來越小，原子間距減小，可以重疊的原子價軌道與可移動導電的價電子逐漸增多。所以，金屬導體的電導率隨溫度的降低而升高。

參考文獻：

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