化学中的量子理论

波函数(wavefunction)

在日常物理里,要描述一个球,你给出它的位置和速度。一个量子粒子却没有单一的位置可给——它是弥散开的。于是我们改用一个数学对象来描述它,通常写作 ψ(希腊字母 psi),它在空间每一点都取一个值。可以把 ψ 想成一团弥漫在空间里的雾,雾的浓淡间接地告诉你粒子大概会在哪里出现。这个对象就是波函数。

更准确地说,波函数是一个量子系统状态的完整数学描述:原则上,凡是可以被知道的一切,都能从它算出来——在任意区域内找到粒子的概率、它可能的能量、它的动量。波函数本身并不是你能直接看到或测量的东西;可测量的是它大小的平方,那给出在该处找到粒子的概率。波函数是通过求解薛定谔方程得到的。

诚实的微妙之处在于:波函数不是粒子本身,也不是通常意义上的物理波——它可以取负值,甚至取复数(虚数)值,而真正的一团物质做不到这一点。当两个波函数交叠时,它的正负号极其要紧,因为它们可以相加增强,也可以相消抵消;这正是化学键能否形成的根本原因。所以最好把 ψ 看作一种威力非凡的「记账工具」,而不是一个字面意义上的实物。

氢原子最低的波函数,也就是 1s,在原子核处最大,并向四面八方平滑地衰减。把它平方,就得到我们常画成一团模糊球的概率云——中心附近最浓密,越往外越稀薄。这一个平滑的函数,装着关于电子大概在哪里的全部信息。

把波函数平方,就得到轨道的概率云。

一个常见的混淆:ψ 和概率不是一回事。概率密度是 ψ 大小的平方,永远是正的。波函数本身的正负号单独看没有概率意义,但当波函数相互组合形成化学键时,这个正负号至关重要。

又称
波函数 ψ波函數 ψpsi