关于验电器与金属的一个问题

金属内存在的*电子和束缚电子是用来和原子核的质子进行电荷平衡用的,以此来保持金属在宏观上保持电中性.如果一块金属保持电中性,此时和验电器接触,由于二者均处于电中性,那么二者接触时,仍然处于电平衡状态,所以,...简单些说，就是金属中虽然有*运动的电子，但是会受到原子核的影响，金属整体会处于动态平衡的状态，即宏观不带电的状态。如果用不带电的金属触碰不带电的验电器，由于二者触碰后仍处于动态平衡的状态，所以，即使微观上来看有电子在*移动，但是，宏观上看不到电荷的移动。用数字做个简单的说明：当不带电的金属棒与验电器触碰后，1s内，可能有10000个*运动的电子从金属棒运动到了验电器上，但是，由于动态平衡的约束，在这1s内同时又有10000个*运动的电子从验电器运动到了金属棒上，虽然从微观上看二者进行了电子的交换，但是宏观上来看，二者交换电子与否并不影响宏观状态，所以验电器不会检测到电荷。对于第一个问题，是没有答案的。因为电子的运动不能简单地用经典的模型计算，而要利用量子力学进行描述，而用量子力学解决的话就会带来一个问题，就是粒子不可分辨，即粒子具有全同性。在现在的问题中，就是，所有的*电子都处于一个相同的势场中（金属棒和验电器产生的电场），这样，*电子处于相同的量子态，而相同的量子态在波函数重叠的区域是不可分辨的。但是，如果电子距离足够远，那么还是可分辨的。简单些理解，这些电子长得都是一样的，你分不出哪个是哪个，所以，对于这10000个电子，你说的这3种可能都存在，只是概率不一样。对于第二个问题，电平衡建立的时间是非常短的，你移开金属棒的时间与之相比，可以认为是无限长，所以，你说的情况不存在。当然，这只是我的个人观点，有可能在微观上存在你说的情况，但是由于静电力太小了，检测不到。不过我还是觉得不存在这种可能。打一个简单的比方：设想你和另一个人，你们两个开始时相距很远，这时显然你们是两个独立的个体。有一天，你们两个相遇了，这时，如果你们两个发现性格不合，那么显然你们是不会成为朋友的，所以，你们又会互相远离而去，寻找各自的新朋友。但是，也有可能你们发现你们两个很合得来，于是你们决定成为好朋友。成为好朋友之后，你们想时时刻刻都在一起，不想分开得太远，怎么办？一个最简单的办法就是你们手拉手，这样，你们就成为了一个整体。原子之间的结合与此类似，两个原子最开始相距很远，是两个独立的原子，一旦他们接近到一定程度，就可能结合在一起形成更加稳定的整体——分子，这时，外层电子就相当于是原子的“手”，两个原子各贡献一只手，拉在一起，使得两个原子不会分开。这种情况，在量子力学中称为电子的成键态。这两个原子也有可能由于形成的整体还不如各自稳定而再次分开。这种情况，在量子力学中称为电子的反键态。成键态要求两个原子贡献的电子的自旋方向相反，只有这样，分子才会呈现稳定的状态，而如果两个原子贡献的电子的自旋方向相同，这就是反键态，此时分子能量高于两个原子的能量之和，分子会再次解离成原子。简单些理解，仍用刚刚的例子，成键过程就像两个人握手，如果两个人都伸出右手，这两个人就能顺利的握手，即可以成为一个整体，对应成键态；如果一个人伸出右手，而另一个人伸出左手，则这个时候的握手是很别扭的，两个人就不能形成一个整体，对应反键态。至于说为什么用最外层电子，这个也好理解，还用之前的例子，如果你的手里握着一根接力棒的话，那么，另外的人肯定更倾向于握住接力棒的另一端，而不是握住你的手，因为接力棒比你的手更靠近他。原子也是一样，抓住另一个原子时，会挑离自己近的部分抓，而对方原子离自己最近的部分就是最外层电子。用量子力学的理论解释的话，原子之所以用最外层电子成键，是因为最外层电子的波函数能延伸到空间更远的部分，使得两个原子靠近时，最外层电子的波函数最先发生交叠而成键。这些都是量子力学给出的解释，要想理解的话，需要一定的物理和数学基础。如果从化学的共价键理论理解会稍稍直观一些，也不需要很多的基础，高中就会讲到，有兴趣的话可以看一看。刚刚的例子是我自己根据我对量子力学的理解想出来的，希望能对于你的理解有帮助。反键形成的原因不是因为原子类型不同，而是由于最外层电子的自旋方向相同。如果是你理解的原子类型不同导致的话，那么只有相同的原子才能结合成分子，这样的话世界上就没有几种分子能存在了，所有的生命都不会存在。至于为什么能量会高这个问题，理解起来会比较困难。理论上是需要解薛定谔方程，利用波函数对解进行近似展开，引入库伦积分、交叠积分和交换积分，之后利用线性方程组有解的条件——克莱姆法则，可以解出两支波函数，一支能量高，即反键态，另一支能量低，即成键态。想通俗地理解这件事有些难度。化学上有一个“分子轨道理论”，直接将量子力学的计算结果整理成了一个理论体系，可能会更好理解一些，有兴趣可以参见百度百科的“分子轨道理论”词条。