化學中的量子理論

波函數(wavefunction)

在日常物理裡,要描述一個球,你給出它的位置和速度。一個量子粒子卻沒有單一的位置可給——它是瀰散開的。於是我們改用一個數學對象來描述它,通常寫作 ψ(希臘字母 psi),它在空間每一點都取一個值。可以把 ψ 想成一團瀰漫在空間裡的霧,霧的濃淡間接地告訴你粒子大概會在哪裡出現。這個對象就是波函數。

更準確地說,波函數是一個量子系統狀態的完整數學描述:原則上,凡是可以被知道的一切,都能從它算出來——在任意區域內找到粒子的概率、它可能的能量、它的動量。波函數本身並不是你能直接看到或測量的東西;可測量的是它大小的平方,那給出在該處找到粒子的概率。波函數是通過求解薛丁格方程得到的。

誠實的微妙之處在於:波函數不是粒子本身,也不是通常意義上的物理波——它可以取負值,甚至取複數(虛數)值,而真正的一團物質做不到這一點。當兩個波函數交疊時,它的正負號極其要緊,因為它們可以相加增強,也可以相消抵消;這正是化學鍵能否形成的根本原因。所以最好把 ψ 看作一種威力非凡的「記帳工具」,而不是一個字面意義上的實物。

氫原子最低的波函數,也就是 1s,在原子核處最大,並向四面八方平滑地衰減。把它平方,就得到我們常畫成一團模糊球的概率雲——中心附近最濃密,越往外越稀薄。這一個平滑的函數,裝著關於電子大概在哪裡的全部信息。

把波函數平方,就得到軌道的概率雲。

一個常見的混淆:ψ 和概率不是一回事。概率密度是 ψ 大小的平方,永遠是正的。波函數本身的正負號單獨看沒有概率意義,但當波函數相互組合形成化學鍵時,這個正負號至關重要。

又稱
波函数 ψ波函數 ψpsi