原子结构和元素周期系

1．1．1　原子结构

自然界存在的物质种类繁多，性质各异，组成了五彩缤纷的繁华物质世界。无论是有生命的有机体还是无生命的无机体，包括宏观的天体和微观的分子、原子，其实都是由100多种元素组成的。20世纪40年代，人们已发现了自然界存在的92种化学元素，经过许多科学家的不断探索，加上用粒子加速器人工制造的化学元素，到20世纪末，人类已经发现的元素总数已达112种。不同的物质由不同种类的原子以不同的数目、不同的结合方式组成。物质的微观结构决定了物质的性质。掌握物质结构基本知识，能够深入了解物质的性质。

物质由分子组成，分子由原子组成，原子是否还能继续分割？电子、X射线、放射性现象的发现，证明了原子是可以进一步分割的。

1911年卢瑟福（Rutherford E）通过α粒子的散射实验提出了含核原子模型（称卢瑟福模型）：原子是由原子中心一个带正电荷的原子核以及一群环绕在核周围的带负电荷的电子组成的。原子核非常之小，直径在10－5 nm左右，但却几乎占有原子的全部质量。原子核也具有复杂的结构，它由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。电子、质子、中子等称为基本粒子。原子很小，基本粒子更小，但是它们都有确定的质量与电荷。

原子是电中性的，即原子核内的质子数等于其核外的电子总数。质量数是将原子内所有质子和中子的相对质量取近似整数值相加而得到的数值。由于一个质子和一个中子相对质量取近似整数值时均为1，所以质量数（A）＝质子数（Z）＋中子数（N）。

在通常情况下，原子核并不参与物质的化学变化，在化学变化中实际上只是核外电子的运动状态发生了改变，因此，研究核外电子运动的规律就成为化学中的重要问题。

我们把质量和体积都很小的电子、质子、中子、原子等组成物质的结构微粒，称为微观粒子；而汽车、火车、轮船、飞机、人造卫星及日常生活中的一些物体，其质量和体积都比较大，运动速度比光速小得多，我们称之为宏观物体。微观粒子及其运动与宏观物体及其运动在本质上有很大的差别。与宏观物体相比，微观粒子的运动规律有其自身特有的运动特征和规律，即波粒二象性，体现在量子化及统计性。

1）核外电子运动状态

电子是带负电荷的质量（9．109 5×10－31 kg）很小的微粒，它在原子的空间（直径大约10－10 m）内运动，速度很快（约为106 m/s），接近光速（3×108 m/s）。电子的运动和宏观物体的运动不同，没有确定的轨道，不能用经典力学来描述，而要用量子力学来描述。我们可以用统计的方法，以电子在核外出现的概率密度、概率分布来描述电子运动的规律。如以原子核为坐标原点，电子在核外定态轨道上运动，虽然无法确定某一时刻电子会在哪一处出现，但是电子在核外某处出现的概率大小却不随时间改变而变化。可以对一个电子多次的行为或对许多电子的一次行为进行总的研究，统计出电子在核外空间某区域出现机会的多少，这个机会在数学上称为几率。

（1）电子云

电子云就是电子在核外空间分布方式的形象描述。习惯上用小黑点分布的疏密来表示空间电子出现的几率密度的相对大小。

图1．1为氢原子处于能量最低状态时的电子云，图中黑点的疏密程度表示概率密度的相对大小。小黑点较密的地方，表示几率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。由图中可以看出：在氢原子中，电子的几率密度随离核距离的增大而减小，也就是离核越近，概率密度越大；离核越远，概率密度越小。电子云是没有确切边界的，在离核较远的地方，电子仍有出现的可能。

图1．1　氢原子基态电子云图

电子云就是形象地用来描述电子出现概率的一种图示方法。为了形象化地表示核外电子运动的概率密度，习惯上用小黑点分布的疏密来表示空间电子出现的概率密度的相对大小。小黑点较密的地方，表示概率密度较大，单位体积内电子出现的机会多。人们将描述电子在核外出现的概率密度分布所得的空间图像称为电子云。图1．1是通常状况下氢原子的电子云示意图。

从图1．1中可以看出，在氢原子中，电子的概率密度随离核距离的增大而减小，也就是电子在单位体积出现的概率以接近原子核处为最大。电子云是没有确切边界的，在离核较远的地方，电子仍有出现的可能。

（2）核外电子运动状态描述

电子在原子中不仅围绕原子核运动，而且还有自旋运动。电子的运动状态，需要从4个方面来描述，即电子层、电子亚层和电子云的形状、电子云的伸展方向、电子的自旋。这样才能比较全面地反映电子在核外空间的运动情形。这4个方面对应于量子力学中描述核外电子运动状态的4个量子数。

①主量子数（n）与电子层。在含有多个电子的原子里，电子的能量高低不同，能量低的，通常在离核较近的区域运动（处于较低的能级）；能量高的，通常在离核较远的区域运动（处于较高的能级）。根据电子的能量差异和运动区域离核的远近不同，通常将核外电子分成不同的电子层，并按照它们的能量由低到高（即由里向外）的顺序，把电子层的序数依次用1，2，3，…数字表示，相应地也可用K，L，M，N，O，P等符号表示。见表1．1。

主量子数n（Principal Quantum Number）可取的数为1，2，3，4，…，n越大，电子离核越远，能量越高。由于n只能取正整数，所以电子的能量是分立的、不连续的，或者说能量是量子化的。在同一原子内，具有相同主量子数的电子几乎在离核距离相同的空间内运动，可看作构成一个核外电子“层”。根据n＝1，2，3，4，…，相应称为K，L，M，N，O，P，Q层。主量子数n是决定原子中电子能量的主要因素，n值越大，电子能量越高。

主量子数（n）　　1　　2　　3　　4　　5　　6　　…

电子层　　　　　 K　　L　　M　　N　　O　　P　　…

表1．1　电子层及其符号

②电子云的形状（轨道角量子数l）和电子亚层。科学研究发现，电子在同一电子层中运动，电子云的形状也不相同，能量也稍有差别。根据这个差别，又可以把一个电子层分成一个或几个亚层，对应于轨道角量子数l。轨道角动量量子数l（Orbital Angular Momentum Quantum Number）的取值受主量子数n的限制，l可取的数为0，1，2，3，…（n－1），共可取n个数值。l的每个值代表一个亚层。在光谱学中分别用符号s，p，d，f等表示，即l＝0用s表示，l＝1用p表示等，相应为s亚层，p亚层，d亚层和f亚层，而处于这些亚层的电子即为s电子，p电子，d电子和f电子。例如：当n＝1时，l只可取0；当n＝4时，l分别可取0，1，2，3。K层只有1个亚层，即s亚层；L层有2个亚层，即s亚层和p亚层；M层有3个亚层，即s，p，d亚层；N层有4个亚层，即s，p，d，f亚层。l反映电子在核外出现的概率密度（电子云）分布随角度（θ）变化的情况，即决定电子云的形状。当l＝0时，s电子云与角度（θ）无关，所以呈球状对称。角量子数l确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。在多电子原子中，当n相同时，不同的l（即不同的电子云形状）也影响电子的能量大小。

不同亚层的电子云形状不同，s亚层的电子云呈球形对称，p亚层的电子云呈哑铃形，d亚层的电子云呈花瓣形，f亚层的电子云形状比较复杂，这里不再介绍。

角量子数（l）　　　0　　1　　2　　3　　4　　5　…

亚层符号　　　　　 s　　p　　d　　f　　g　　h　…

为了清楚地表示出某个电子处于核外哪个电子层和亚层，可将电子层的序数n标在亚层符号的前面。如处于K层的s亚层的电子标为1s；处于L层的s和p亚层的电子标为2s和2p；处于M层的d亚层的电子标为3d；处于N层的f亚层的电子标为4f。

角量子数l的取值见表1．2。

表1．2　角量子数l的取值