为什么原子会结合形成分子？量子力学知道答案

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。

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。

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。

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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。