原子結(jié)構(gòu)和核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
銅臭 / 2022-07-18
原子的中心有一個(gè)帶正電荷的原子核，核的周圍有高速運(yùn)動(dòng)著的電子。
原子是很微小的，它的直徑只有1~ 2Å(Å=10??)若將一億個(gè)原子排成一行，其總長(zhǎng)度也不過(guò)一厘來(lái)左右，至于原子核和電子那就更小了。原子核的直徑約為10??-10??Å,電子的直徑約為10??Å。原子核是由帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子構(gòu)成，它們的質(zhì)量和電荷如表3-1所示。
表3-1 質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量和電荷
| 名稱 |
質(zhì)量（克） |
電荷 |
| 氫原子 |
1.673×10?²? |
電中性 |
| 質(zhì)子 |
1.6729×10?²? |
一個(gè)正電荷
（+1.602×10?¹?庫(kù)倉(cāng)）
|
| 中子 |
1.6746×10?²? |
不帶電 |
| 電子 |
9.108×10?²? |
一個(gè)負(fù)電荷
（-1.602×10?¹?庫(kù)倉(cāng)）
|
從表3-1的數(shù)據(jù)可以看出，質(zhì)子和中子的質(zhì)量幾乎一樣，約等于1個(gè)碳單位，而電子的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/1837，也是質(zhì)子質(zhì)量的1/1837。因此，原子的質(zhì)量可以認(rèn)為幾乎全部集中在它的原子核上。我們已知質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，中子不帶電，所以原子核帶的正電荷數(shù)(即核電荷數(shù))是由質(zhì)子數(shù)來(lái)決定的。由于整個(gè)原子是電中性的，每個(gè)電子帶-一個(gè)負(fù)電荷，因此核外電子數(shù)與原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)是相等的。原子中的電子繞核作高速運(yùn)動(dòng)，存在著脫離原子核的力，而原子核對(duì)電子又有吸引力，故在一定條件下，兩種力互相平衡，原子核和電子處在相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)。
各元素原子的核電荷數(shù)決定了核外電子數(shù)。各元素的化學(xué)性質(zhì)，在很大程度上取決于該元素原子的核外電子數(shù)和它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此先要對(duì)核外電子的運(yùn)動(dòng)有所了解。
一、 電子云的概念
我們知道，電子的體積和質(zhì)量都很小，而它的運(yùn)動(dòng)速度又非常大，如在正常情況下氫原子的電子以2200公里/秒的速度繞核運(yùn)動(dòng)，而人造地球衛(wèi)星的最后發(fā)射速度只有8~11.2公里/秒。電子的這些特點(diǎn)，決定了電子運(yùn)動(dòng)的特殊形式。它與我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)的火車在軌道上行駛不同，也不象環(huán)繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星那樣有固定的軌道，在確定的時(shí)間可以觀察到它的確定位置。這是因?yàn)槲矬w由大(宏觀物體)到微小(微觀物體)時(shí)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了質(zhì)的變化。由于電子繞核運(yùn)動(dòng)的速度是這樣大，又沒(méi)有固定的軌道，在現(xiàn)代科學(xué)水平上，人們還不能在確定的時(shí)間測(cè)得核外電子所在的位置，只能用電子在原子核外某一區(qū)域出現(xiàn)機(jī)會(huì)的多少(數(shù)學(xué)上稱為幾率)來(lái)描述它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電子在原子核周圍空間不同處出現(xiàn)機(jī)會(huì)的多少是很不相同的，但總的來(lái)說(shuō)，有一個(gè)出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域，如果用小黑點(diǎn)的密度大小表示電子出現(xiàn)的幾率大小，小黑點(diǎn)密度大的地方即幾率大。所以可把電子的繞核運(yùn)動(dòng)，形象地看成是籠罩在核外的帶負(fù)電荷的云，稱為“電子云”。猶如正在快速轉(zhuǎn)動(dòng)的電扇葉片一樣，不能明晰地看出每一片葉片，只能看到整個(gè)一片，但不同的是電扇葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)是有固 定軌道的，而電子在空間出現(xiàn)的幾率卻是不同的;當(dāng)然兩者 運(yùn)動(dòng)速度的差異也有天淵之別。圖3-1是在正常狀態(tài)下氫原子核外電子最常出現(xiàn)的區(qū)域。對(duì)于正常狀態(tài)下的氫原子來(lái)說(shuō)，在離核 0.53Å處電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)最多，猶如一個(gè)球殼;而在0.53Å球殼以內(nèi)及以外的空間，電子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)則較少。
圖3-1所示的狀態(tài)，只是氫原子中電子的許多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的一種。處于上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子稱為基態(tài)，它的能量最低，也最穩(wěn)定，這與物體的重心越低越穩(wěn)定的道理相似。當(dāng)氫原子從外界吸收能量(如加熱或光照等)時(shí)，其電子也吸收了能量，由于電子能量增高，就能較大地反抗原子核的吸引力，跳到離核較遠(yuǎn)的軌道上去，在離核較遠(yuǎn)的空間運(yùn)動(dòng)，即電子出現(xiàn)幾率最大處離核的距離比基態(tài)的遠(yuǎn)，離核的平均半徑r增大。但這種增大并不是 連續(xù)的，而是跳躍的，r從0.53Å跳躍到2.13Å、4.77Å.....。r愈大，離核愈遠(yuǎn)，能量愈高。這種較基態(tài)能量高的電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。電子具有不同能量時(shí)，所處能級(jí)也不同。由于激發(fā)態(tài)電子處在較高的能級(jí),因而不穩(wěn)定,總是力圖回到較低的能級(jí)上去。當(dāng)電子從能量不同的各高能級(jí)跳回到某一低能級(jí)時(shí)，就將一部分多余的能量以光的形式輻射出來(lái)，形成不同波長(zhǎng)的發(fā)射光譜線。圖3-2表示氫原子在可見(jiàn)光區(qū)的光譜。這些光譜線是不連續(xù)的(或叫線狀光譜)，譜線之間有暗區(qū)存在。
不同元素的原子，都有其特有的、各不相同的發(fā)射光譜線組，因此可用其作元素光譜定性分析的基礎(chǔ)。
如果電子吸收的能量較大，它就可以脫離原子，而使原子成為離子。如給氫原子的能量大到足夠使電子克服原子核對(duì)它吸引的程度，則其僅有的一個(gè)電子可以脫離原子，氯原子就變成了帶 正電荷的氫離子( H?即質(zhì)子)。
二、核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
隨著原子核電街?jǐn)?shù)的增多，核外電子的數(shù)目也增多。多電子原子中的電予運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要比氫原子申單電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜得多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論證明，核外電子的遙動(dòng)狀態(tài)由以下四個(gè)方面來(lái)描述:
1.電子層。根據(jù)近代物理學(xué)的研究，電子在原子核外的排布是按電子出現(xiàn)幾奉最大的區(qū)域離核的遠(yuǎn)近，劃分為不同的電子 層。依高核由近到遠(yuǎn)的次序，將電子層(n),分為1、2、3、4、5、6和7層，也可以用K、L、M、N、O、P和Q字母來(lái)表示。一般來(lái)說(shuō)，n值越大，該層的電子離核越遠(yuǎn)，所具有的能量越高。
2.電子云的形狀。實(shí)驗(yàn)證明，在同一電子層上電子的能量還稍有差別。按照能量差別，又可把同一電子層劃分為一個(gè)或幾個(gè)電子亞層，常用s、P、d和f符號(hào)來(lái)表示。每一個(gè)電子層所含 的亞層數(shù)不完全相同:第一電子層( K層)只有一個(gè)電子亞層，叫s亞層第二電子層(L層)有二個(gè)電子亞層，即s和P亞層，第三電子層(M層)有三個(gè)電子亞層即s、P和d亞層，第四、五和六(N、O和P層)電子層各有四個(gè)電子亞層即s、P、d和f亞層。同一電子層中亞層能量次序按s、P、d、f遞增。由 此可知，每一電子層都有其s亞層，2、3、4...電子層都有其P亞層，3、4、5...電子層都有d亞層。為了區(qū)別不同電.子層的電子亞層，可以把它們所屬電子層的號(hào)數(shù)標(biāo)在亞層符號(hào)的前面，例如1s和2s分別表示第一和第二電子層中的s亞層的電子;又如3d表示第三電子層中的d亞層等。
所謂電子亞層，實(shí)際上是指不同的電子云形狀，例如s亞層的電子云呈球形;而P亞層的電子云，則近似啞鈴形(其剖面呈 “∞”形); d 亞層和f亞層的電子云形狀比P亞層的更要復(fù)雜，這里不作介紹。
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