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宇宙仅由不到100种自然存在的元素组成 ， 然而却可以在宇宙中找到的无数种物质上 。 为什么我们可以只使用大约100个简单的原子来处理几乎无限数量的化学物质？这是因为很少发现天然存在的单独原子 ， 它们大多通过化学键合过程与其他原子结合在一起 。 为什么原子会结合形成分子？这个重要问题的答案在于理解能量在分子形成中所起的作用 ， 而这一切的根源就在于量子力学 。
最低能量状态对我们来说一些最重要的化学物质 ， 比如我们呼吸的空气 ， 不是由单个原子组成 ， 而是由分子组成 。 例如 ， 空气中的氧不是单独的氧原子 ， 而是两个结合在一起的氧原子 。
为什么原子主要以分子的形式普遍存在？理解这一个问题的关键是能量 。 所有自然系统都倾向于采用能量最低的状态 ， 山上的石头具有很高的势能 ， 如果有机会它会自然滚动到山脚下 ， 那里的势能较低 。
那么能量如何在分子的形成中发挥作用？让我们看看最简单的原子氢 ， 它在地球上通常不是单独的氢原子 ， 而是成对的 。 通过理解量子力学在氢气分子形成中的作用 ， 我们就可以理解为什么其他原子也形成
两个氢原子系统一个氢原子仅由一个质子和一个电子组成 ， 电子在原子核周围形成了云 ， 这种云的形状由包含波函数的薛定谔方程决定 。 简单来说 ， 如果我们要测量它的性质 ， 波函数代表了可能结果的概率 。
【为什么原子会结合形成分子？量子力学知道答案】氢原子本身将处于其最低能量状态 ， 称为基态 。 但是当第二个氢原子被引入
如果它们离得足够近 ， 电子云就开始扩散到两个原子之间的空间 。 而如果原子靠得太近 ， 那么质子就会开始相互排斥推开 。 所以两个质子更喜欢处于一个甜蜜点距离 ， 这样电子就可以更快乐地被共享 ， 并且质子彼此之间也不太排斥 。
量子计算整个系统发生的事情是由系统的总能量决定的 。 要计算这两个原子系统的最低能量 ， 我们必须考虑以下因素：每个原子的动能、两个质子之间的势能、两个电子之间的势能以及每个电子与每个质子之间的势能 。 在量子力学中 ， 整个系统的动能和势能的可能结果的总和被称为哈密顿量 ， 用大写字母H表示 。 当我们进行所有计算时 ， 我们的2原子氢系统的哈密顿量如下图所示 。
需要明确的是 ， 哈密顿量是对应于系统能量的算子 ， 一旦将其代入与系统无关的薛定谔方程 ， 就可以求解以获得可能的能量值 。 然而 ， 这不是一个简单的方程 ， 但为简单期间 ， 它可以用下图表示 ， 横坐标表示距离 ， 而纵坐标表示能量 。 当系统从右到左移动时 ， 表示两个原子从远离到靠近 ， 此时能量会先下降然后再上升 。 因此 ， 两个原子找到了一个自然的甜蜜点 ， 这样它们在一起时就快乐地处于较低的能量状态 。
事实证明 ， 这两个原子系统的能量比两个单独的原子系统的能量小 ， 这就是为什么氢原子喜欢彼此靠近 。 它们会自然地结合形成一个氢分子 ， 而不是自己独自漂浮 。 这两个氢原子共享电子被称为共价键 ， 同样由其他原子形成的共价键也有类似的作用 。
