奇妙的微观世界:原子

赵泰安

我们生活的世界叫宏观世界，它是由各种物体组成的，物体有无限多种。 设想用某种方法把物体粉碎，直到最小的并且保留原来物体性质的小“颗粒”，我们给它起个名叫分子，分子也有无限多种。 如果某物体只有一种分子组成，则称为纯净物；如果由两种以上分子组成，则称为混合物。 继续往下分，发现分子是由更小的“颗粒”组成的，我们把组成分子的这个更小的“颗粒” 叫原子，原子只有100多种。 相同原子组成的分子称为单质；不同原子组成的分子称为化合物。 下面进入本文的主题原子。为了便于理解，下面的叙述是按以牛顿力学为基础的经典物理理论来说明的，比如用“电子轨道”，而不用更科学的量子力学的“电子云”来说明。 　　原子是由原子核和核外电子组成的。原子半径数量级为10⁻¹⁰米，原子核半径数量级为10⁻¹⁵米。 原子核是由质子和中子组成的，质子带1个单位正电，中子不带电。对于中性原子来说，核外电子数等于质子数。 质子数相同的一类原子称为元素，质子数相同中子数不同的原子称为同位素。 元素共有118种，核内质子数从1个一直到118个。把这些元素排成一个表，这个表叫做元素周期表。 　　核外电子是按“层”分布的。核外只有一层电子的原子，排在周期表的第一周期，核外有两层电子的原子，排在周期表的第二周期，以此类推。第一层用大写字母K表示，第二层用大写字母L表示，三、四、五、六、七层分别用大写字母M、N、O、P、Q表示。 K层电子只有1个轨道，用小写字母s表示，最多能容纳2个电子； L层可以分成2个小层，分别用小写字母s、p表示，s层有1个轨道，p层有3个轨道，每个轨道可以容纳2个电子，L层一共可以容纳8个电子； M层可以分成3个小层，分别用小写字母s、p、d表示，s层有1个轨道，p层有3个轨道，d层有5个轨道，每个轨道可以容纳2个电子，M层一共可以容纳18个电子； N层可以分成4个小层，分别用小写字母s、p、d、f表示，s层有1个轨道，p层有3个轨道，d层有5个轨道，f层有7个轨道每个轨道可以容纳2个电子，M层一共可以容纳32个电子。 核外电子每层最多可容纳电子数可以用2n²表示，其中n代表第几层。 在多电子原子中，电子填充轨道的顺序是按照能量从低到高的原则进行的。 当最外层的s和p轨道充满后，多余的电子不会填充到d轨道，而是会形成新的电子层，填充到(n+1)s轨道。因此，最外层只有s和p轨道，电子数最多只能有8个电子。 当次外层的f轨道出现前，必须先填充比次外层多两层的s轨道，这样又增加了一个新的电子层，原来的次外层就变成了倒数第三层。因此，次外层只有s、p和d轨道，电子数最多18个。 　　各层电子能量从低到高的顺序 　　下面是第一、第二、第三周期元素原子的核外电子排布情况，字母前的数字代表第几个电子层，字母右上角的数字代表该小层的电子数。第一周期: H 氢‌：1s¹ ‌ He氦‌：1s²第二周期: ‌ Li 锂‌：1s² 2s¹‌ Be铍‌：1s² 2s²‌ B 硼‌：1s² 2s² 2p¹ ‌ C 碳‌：1s² 2s² 2p²‌ N 氮‌：1s² 2s² 2p³‌ O 氧‌：1s² 2s² 2p⁴‌ F 氟‌：1s² 2s² 2p⁵‌ Ne氖‌: 1s² 2s² 2p⁶第三周期:‌ Na钠‌：1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ‌ Mg镁‌: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²‌ Al 铝‌：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹‌ Si 硅‌：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²‌ P 磷‌： 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³‌ S 硫‌： 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴‌ Cl 氯‌：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵‌ Ar 氩‌：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 　　第一周期元素原子最外层是K层，只有1s小层，因此只有2个元素。 第二周期元素原子最外层是L层，有 2s、2p小层，有8个元素。 第三周期元素原子最外层是M层，有 3s、3p小层，有8个元素。 　　第四周期元素原子最外层是N层，有 4s、4p小层，主族有8个元素；M层变成次外层了，增加了3d的10个元素，排在4s和4p之间，形成了副族的10个元素；第四周期共18个元素。 　　第五周期元素原子最外层是O层，有 5s、5p小层，主族有8个元素；N层变成次外层了，增加了4d的10个元素，排在5s和5p之间，形成了副族的10个元素；第五周期共18个元素。 37铷 Rb [Kr] 5s1 2.8.18.8.138锶 Sr [Kr] 5s2 2.8.18.8.2 　　第六周期元素原子最外层是P层，有 6s、6p小层，主族有8个元素；O层变成次外层了，增加了5d的10个元素，排在6s和6p之间，形成了副族的10个元素；这时的N层是倒数第三层，可以有4f小层14个元素，放在了副族开始的57号镧元素同一格，称为镧系；第六周期共32个元素。 79金 Au [Xe] 6s1 4f14 5d10 2.8.18.32.17.280汞 Hg [Xe] 6s2 4f14 5d10 2.8.18.32.18.281铊 TI [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p1 2.8.18.32.18.382铅 Pb [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p2 2.8.18.32.18.483铋 Bi [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p3 2.8.18.32.18.584钋 Po [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p4 2.8.18.32.18.685砹 At [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p5 2.8.18.32.18.786氡 Rn [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p6 2.8.18.32.18.8 第七周期元素原子最外层是Q层，有 7s、7p小层，主族有8个元素；P层变成次外层了，增加了6d的10个元素，排在7s和 7p之间，形成了副族的10个元素；这时的O层是倒数第三层，可以有5f小层14个元素，放在了副族开始的89号錒元素同一格，称为錒系；第七周期共32个元素。 P Q 6s 6p 6d 7s 7p110 𫟼 Ds 2 6 8 2111 𬬭 Rg 2 6 9 2112 鎶 Cn 2 6 10 2113 鉨 Nn 2 6 10 2 1114 鈇 Fl 2 6 10 2 2115 镆 Mc 2 6 10 2 3116 鉝 Lv 2 6 10 2 4117 鿬 Ts 2 6 10 2 5118 鿫 Og 2 6 10 2 6