电子的排布

2.电子的排布

随着对原子核的研究不断深入，人们发现，同种元素的原子核中，质子数一定相同，但中子的数目却会存在差异。化学上把原子核内质子数相同而中子数不同的原子叫做同位素。

汤川发现质子

氢原子一共有三种同位素：第一种是氢，原子核里只有1个质子，没有中子，叫做氕；第二种是重氢，原子核里有1个质子和1个中子，叫做氘；第三种是超重氢，原子核里有1个质子和2个中子，叫做氚。

氕、氘、氚的原子质量各不相同，但是它们的化学性质是没有区别的。人们将这3种原子质量的平均值作为氢的原子量。

许多数元素都有两种或两种以上的同位素，因此绝大多数原子的原子量都是它们同位素的原子质量的平均值。

在自然界中，大部分元素的质子数与原子量成正比，质子数大的，原子量也大，质子数小的，原子量也小。因此，在元素周期表中，大多数元素的原子量都会随着质子数的增大而增大。但是，也有些元素的质子数与原子量并非成正相关关系。这是因为有的元素虽然质子数较小，但其同位素中较重的同位素占有较大比例，那么几种同位素原子质量的平均值（这种元素的原子量）相应的就会大些。而有的元素的质子数虽然较大，但是较重的同位素占有的比例较小，那么这种元素的原子量也会相应小一些。

例如，氩的质子数为18，小于钾的质子数19。但是在自然界中，氩的重同位素氩40占的比例很大，氩40的原子质量为39.96，占99.60%；氩38的原子质量为37.96，占0.06%；氩36的原子量为35.97，占0.34%。氩的3种同位素原子质量的平均值为39.95。

与氩的情况相反，钾的质子数虽然较大，但是它的重同位素占的比例小。钾41的原子质量为40.96，占6.88%；钾40的原子质量为39.96，占0.01%；钾39的原子质量为38.96，占93.08%。钾的3种同位素的原子质量平均值为39.10。

原子核的质子、中子结构以及同位素的发现，使元素周期表中的氩和钾、碲和碘、钴和镍、钍和镤等，排列前后顺序之谜终于被彻底解开了。

人们对电子进行了研究，发现电子分布在原子核外不同的层次里，围绕着原子核做高速运动，这些层次叫做能级或电子层。如果一个原子里有多个电子，那么电子的能量也是不同的。能量低的，在离核近的轨道上运动；能量高的，在离核远的轨道上运动。

现在我们已知的电子层共有7层。按照离原子核由近到远的顺序分别为：第1层，又叫K层，能量最低；接下来依次为第2（L）层、第3（M）层、第4（N）层、第5（O）层、第6（P）层、第7（Q）层。电子在核外的运动是分层进行的，我们将核外电子的分层运动，又叫做核外电子的分层排布。

人们发现，电子总是尽量先排在能量最低的层里，当前一层排满之后，再由里往外，依次排布在高能量电子层里。核外电子的分层排布是存在一定规律的，可将其总结为两点：第一，各电子层最多可容纳2n²（n是电子层数）个电子。由此可知，第1层最多为2个电子，第2层为8个电子，第3层为18个电子，第4层为32个电子。第二，最外层电子数目不能超过8个，次外层电子数目不能超过18个，倒数第3层电子数目不能超过32个。

人们还发现，元素周期表与各元素核外电子的分层排布也是存在内在联系的。

先从横行———周期来看：第1周期中只有氢和氦两种元素，氢原子的核外只有1个电子，氦原子的核外有2个电子，都在第1层上。而第1层最多只能容纳2个电子，因此，到氦为止，第1能层已被填满，而第1周期也只有这两个元素。

第2周期共有8个元素，从锂到氖，核外电子数从3逐个增加到10。电子排布的情况是：第1层上都排满了2个电子，在第2层，从锂到氖依次排了1至8个电子。第2周期结束。

……

再从竖列———族来看：第1主族有7个元素，氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫。这7个元素之间存在一个共同点，最外层上都只有一个电子，尽管它们的核外电子数和电子分布的层数是不同的。氢的核外只有一层，锂有2层，钠有3层……钫有7层，但无论如何，它们的最外层上都只有1个电子。

在化学反应中，一般只是最外层电子在起变化。而位于同一族的元素，最外层电子数是相同的，因此，同族元素的化学性质也很相似。

其他主族也是如此。第2主族各元素的最外层上都有2个电子，第3主族各元素的最外层有3个电子……

关于这一点，我们还可以从惰性气体元素、金属元素和非金属元素这三类来分析：惰性气体元素都很稳定，一般不与其他元素化合，这与它们的电子结构是有关的。惰性气体原子的最外层电子轨道都已经达到饱和（8个电子，氦是2个）。这种电子结构决定了元素的化学性质相当稳定。而钠、钾、镁、铝等金属元素，它们的最外层电子数一般都不足4个，在化学反应中，容易失去最外层电子而使次外层变成最外层，从而达到8个电子的稳定结构。非金属元素如氟、氯、硫、磷，原子的最外层电子数一般都多于4个，它们在化学反应中与金属元素相反，最外电子层比较容易获得电子而达到8个电子的稳定结构。

原子核外的电子排布规律可以帮助人们从理论上对元素周期律做出解释。核外电子数会随着核电荷数的增加而相应的增加；而核外电子数的增加，实际上就是核外电子排布过程的层层重复。这就是为什么随着原子序数的增加，元素的性质会呈现周期性变化了。

超铀元素的人工合成实际上是对元素周期表的延伸。一种元素经过放射性变化会转变成其他元素，科学家由此发现了原子能的利用诀窍，那就是位于元素周期表后面的重元素能够发生核分裂，而位于元素周期表前面的轻元素能够发生核聚变。

科学家们还预言，会继续有人造元素被发现和合成出来，元素周期表很有可能会进入第8周期（超锕系和新超锕系元素）。位于这一新周期中的元素还会有新的电子层次。