همانطور که شما می گویید ، تعریف حس "جهت" برای یک الکترون اتمی در مکانیک کوانتومی بسیار سخت است در حالی که الکترون مدار ندارد اما در عوض یک گوی احتمال نامعلوم است ، اما شدنی است و در واقع این یکی از سازه های اصلی در فیزیک اتمی است.
آنچه در نهایت اهمیت پیدا می کند ، حرکت زاویه ای است ، یعنی میزان حرکت الکترون در اطراف هسته. همانطور که اتفاق می افتد ، این امکان وجود دارد که یک گوی احتمال فازی برای الکترون تعریف کنیم که موقعیت مشخصی ندارد و تکانه (خطی) مشخصی ندارد ، اما دارای شتاب زاویه ای مشخص است. کمی عجیب است ، اما این همان چیزی است که هست. اکثر الکترونهای اتمی در حالتهایی مانند این هستند.
در مورد سوال گسترده تر شما - آیا همه الکترونها در یک جهت حرکت می کنند یا نه - پاسخ به سادگی "بستگی دارد" است.
برخی از اتمها ، مانند گازهای نجیب ، فلزات قلیایی زمین و لبه روی-کادمیوم-جیوه در سمت راست فلزات گذار ، دارای "پوسته های کامل" هستند که تقریباً بدین معنی است که برای هر الکترون که در جهت عقربه های ساعت در جهت یک محور معین حرکت می کند ، دیگری وجود دارد. حرکت الکترون در خلاف جهت عقربه های ساعت
برخی از اتمها ، مانند وانادیوم ، کبالت یا نیکل ، دارای الکترونهای جفت نشده زیادی هستند و از حرکت کلی زاویه ای نسبتاً بزرگی از حرکت الکترونیکی برخوردارند.الکترونها به مفهوم سیاره ای که به دور خورشید می چرخد به دور هسته نمی چرخند ، بلکه به عنوان امواج ایستاده وجود دارند. نکته ای که در مورد امواج ایستاده وجود دارد این است که آنها بی حرکت به نظر می رسند ، اما یک حرکت پنهان در حال حاضر وجود دارد و جهت مربوط به آن وجود دارد. به عنوان مثال اگر فوتونی به صورت موج ایستاده در حفره ای به دام افتاده باشد ، وقتی جعبه را باز می کنید فوتون مانند شلیک در جهتی در جهت c از شروع ایستاده خاموش است. با این حال ، آن را فوراً از 0 تا c شتاب نمی دهد ، زیرا همیشه در c حرکت می کرد ، در جهتی جلو و عقب.
شاید صحبت از جهت الکترون کاملاً صحیح نباشد. اما آیا QM نوعی راه را نشان می دهد که آیا همه الکترون ها به عنوان مثال حرکت می کنند یا خیر. "در جهت عقربه های ساعت" یا نه؟
"جهت" کاملاً صحیح نیست و همچنین "در جهت عقربه های ساعت" نیز درست نیست. برای قیاس ، یک ساعت شیشه ای را تصور کنید ، بدون هیچ گونه اعدادی در روی آن. عقربه ها در جهت عقربه های ساعت می چرخند. با این حال ، از پشت ، دستها در جهت خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخند. بنابراین اگر ساعت را مانند یک سکه بچرخانید ، بسیار دشوار است که بگویید حرکت عقربه ها در جهت عقربه های ساعت است یا در جهت عقربه های ساعت. اما می توانید ساعت را با یک دست چپ یا یک جهت دیگر با دست راست بچرخانید ، و این به شما دو چرخش متفاوت "بیس اسپینور" می دهد. تماس یکی در جهت عقربه های ساعت و دیگری در جهت عقربه های ساعت تفاوت چندانی با هم ندارد. اما حرکت زاویه ای واقعی است. اثر انیشتین دهاس را بررسی کنید ، که نشان می دهد حرکت زاویه ای چرخش در واقع همان ماهیت حرکت زاویه ای اجسام دوار است که در مکانیک کلاسیک تصور می شد.
البته QM فقط یک احتمال را در جایی که الکترون ها هستند می دهد
مراقب آن باشید. هارمونیک های کروی همه مربوط به حرکت موج است. نه احتمال یافتن یک ذره نقطه در مکانی. الکترون ذره نقطه ای نیست. ما می توانیم الکترون ها را پراکنده کنیم. الکترونها ماهیت موجی دارند.
اما آیا می توانید ظهور کنید که آیا آنها به نحوی در جهت مخالف یکدیگر حرکت می کنند؟
آره. برای الکترونهای در مدارهای اتمی حرکت "پنهان" کاملاً پنهان نیست. مثل اینکه موج ایستاده کاملا ایستاده نیست. به عنوان مثال در اتم هیدروژن گفته می شود که الکترون با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت می کند. حرکتی در حال انجام است ، و می تواند به یک طرف یا دیگری انجام شود. کمی شبیه آن ساعت چرخان است. اما از آنجا که تجسم آن دشوار است ، به جای یک حلقه حلقه فکر کنید. شما می توانید حلقه خود را به هر نحوی حلقه کنید ، و اگر واقعاً در آن مهارت داشتید ، می توانید یک حلقه را به یک طرف و حلقه دیگر را به طرف دیگر حلقه کنید. در مداری اتمی ، در پوسته های بسته ، چیزی شبیه به آن است.
به طور کلی ، تکانه زاویه ای هر پوسته الکترون بسته صفر است (یعنی الکترونهای پوسته های داخلی دارای یک الکترون خلاف جهت عقربه های ساعت برای هر الکترون عقربه های ساعت هستند) و این بیرونی ترین پوسته "ظرفیت" است که ویژگی های حرکت زاویه ای اتم را تعیین می کند.
یک الکترون با ریشه مربع توزیع احتمال توصیف می شود. ما این ریشه مربعی را تابع موج می نامیم. به منظور خوانایی ،تابع موج تک بعدی. این یک ظاهر الکترون نیست. فقط نحوه توصیف آن از نظر ریاضی است.
بر اساس نظریه کوانتومی ، الکترون را می توان در هر نقطه از هسته یافت.
در مکانیک کوانتومی ، به جای صحبت در مورد خواص یک جسم (موقعیت ، حرکت و غیره) ، می گوییم که می توانیم خود جسم را به عنوان یک شیء ریاضی توصیف کنیم ، و بعلاوه اینکه انجام برخی از عملیات ریاضی بر روی این جسم با بدست آوردن مقادیر مجاز ویژگیها مانند موقعیت و حرکت
هر خاصیت فیزیکی (موقعیت ، حرکت ، حرکت زاویه ای) با یک عملیات ریاضی بر روی تابع موج نشان داده می شود. برای رسیدن به حرکت در جهت x ، نتایج این عملیات تنها مقادیر مجاز است که ویژگی فیزیکی مربوطه می تواند دریافت کند.
نباید عملکرد موج را با تصویر الکترون اشتباه گرفت ،
ما این مهم نیست. آنچه مهم است این است که این نزدیکترین چیزی است که ما تا به حال به "دیدن" الکترون می رسیم: نه به عنوان یک شیء واقعی ، بلکه به عنوان یک توزیع احتمال.
به همین دلیل است که می گوییم الکترون دارای حرکت زاویه ای مداری است - توزیع احتمال الکترون تحت تأثیر آن قرار می گیرد ، حتی اگر الکترون به وضوح در حال حرکت نباشد!
به همین دلیل است که یک الکترون می تواند حرکت زاویه ای مداری داشته باشد ، هرچند در حال چرخش نیست: حرکت مداری بر شکل توزیع احتمال تأثیر می گذارد ، نه بر خود الکترون - بلکه به این دلیل که مکانیک کوانتومی از ما می خواهد باور کنیم که یک شی ریاضی مانند توزیع احتمال می تواند با یک الکترون مطابقت داشته باشد ، ما می گوییم که الکترون به طور موثر دارای شتاب زاویه ای مداری است
فاینمن ایده ای موج دار داشت که می گفت همه الکترون ها در واقع می توانند یک الکترون باشند و فقط بین زمان و پایان زمان به عقب و جلو می چرخند. تا آنجایی که من می دانم ، این ایده هرگز به چیزی که از نظر ریاضی پایه داشته باشد تبدیل نشد ، اما به فاینمن و دیگران انگیزه داد تا محاسبه کنند که الکترون هایی که در زمان به عقب حرکت می کنند ، به چه معنا دقیقاً از نظریه میدان کوانتومی نشأت می گیرد. چیزی که آنها به دست آوردند ذره ای بود که با خواص شناخته شده پوزیترون مطابقت داشت.
فقط برای این که بتوانید یک ذره را در زمان به عقب حرکت دهید در مفهوم فنی به شما می گویم: در نظریه میدان کوانتومی ، ذرات در حین حرکت مقداری از مقادیر مختلف حفاظت شده را با خود حمل می کنند. این مقادیر ممکن است شامل انرژی ، حرکت ، بار الکتریکی ، "طعم" و موارد دیگر باشد. با حرکت ذرات ، این مقادیر محافظت شده "جریان" تولید می کنند که بر اساس حرکت و نشانه کمیت حفظ شده جهت دارند. اگر از عملگر معکوس زمان استفاده کنید (که یک مفهوم کاملاً ریاضی است ، نه چیزی که در واقع زمان را معکوس کند) ، جهت جریان جاری را معکوس می کنید ، که معادل معکوس شدن علامت مقدار حفظ شده است ، بنابراین (به طور خلاصه) چرخش ذره به ضد ذره خود وارد می شود
به عنوان مثال ، جریان الکتریکی را در نظر بگیرید: از حرکت بار الکتریکی ناشی می شود و جهت جریان حاصل از جهت حرکت بار و علامت بار است.$\vec{I} = q\vec{v}$
بار مثبت در حال حرکت به چپ $+q\times -v$معادل بار منفی است که به سمت راست حرکت می کند$-q\times +v$ اگر جریانی از الکترون ها به سمت راست در حال حرکت است و عملگر معکوس زمان را اعمال می کنید ، سرعت راست را به سرعت به سمت چپ $-q\times -v$تبدیل می کند. اما شما می توانید الکترونها را به پوزیترون تبدیل کرده و به آنها اجازه دهید به سمت راست حرکت کنند $+q\times +v$در هر صورت ، جریان خالص بار مثبت به سمت راست حرکت می کند.
، خواندن اختیاری: در نظریه میدان کوانتومی یک قضیه بسیار اساسی (هر چند اثبات آن سخت است) وجود دارد ، قضیه TCP ، که می گوید اگر از سه عملیات معکوس زمان استفاده کنید ، پیوند شارژ (سوئیچ ذرات و ضد ذرات) ، و وارونگی برابری (فضای بازتاب) ، نتیجه باید دقیقاً معادل چیزی باشد که با آن شروع کرده اید. ما از داده های تجربی می دانیم که در شرایط عجیب و غریب خاص ، ترکیب پیوند بار و وارونگی برابری همه فرایندهای فیزیکی را بدون تغییر نمی گذارد ، به این معنی که در مورد معکوس شدن زمان نیز باید چنین باشد: فیزیک تغییر ناپذیر زمان نیست. البته ، از آنجا که ما نمی توانیم زمان را معکوس کنیم ، نمی توانیم دقیقاً آزمایش کنیم که این امر چگونه است..I hope I help you understand the question. Roham Hesami