原子结构和核外电子的运动状态
铜臭 / 2022-07-18
原子的中心有一个带正电荷的原子核，核的周围有高速运动着的电子。
原子是很微小的，它的直径只有1~ 2Å(Å=10⁻⁸)若将一亿个原子排成一行，其总长度也不过一厘来左右，至于原子核和电子那就更小了。原子核的直径约为10⁻⁵-10⁻⁴Å,电子的直径约为10⁻⁵Å。原子核是由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成，它们的质量和电荷如表3-1所示。
表3-1 质子、中子和电子的质量和电荷
| 名称 |
质量（克） |
电荷 |
| 氢原子 |
1.673×10⁻²⁴ |
电中性 |
| 质子 |
1.6729×10⁻²⁴ |
一个正电荷
（+1.602×10⁻¹⁹库仓）
|
| 中子 |
1.6746×10⁻²⁴ |
不带电 |
| 电子 |
9.108×10⁻²⁸ |
一个负电荷
（-1.602×10⁻¹⁹库仓）
|
从表3-1的数据可以看出，质子和中子的质量几乎一样，约等于1个碳单位，而电子的质量约为氢原子质量的1/1837，也是质子质量的1/1837。因此，原子的质量可以认为几乎全部集中在它的原子核上。我们已知质子带一个正电荷，中子不带电，所以原子核带的正电荷数(即核电荷数)是由质子数来决定的。由于整个原子是电中性的，每个电子带-一个负电荷，因此核外电子数与原子核内的质子数是相等的。原子中的电子绕核作高速运动，存在着脱离原子核的力，而原子核对电子又有吸引力，故在一定条件下，两种力互相平衡，原子核和电子处在相对的稳定状态。
各元素原子的核电荷数决定了核外电子数。各元素的化学性质，在很大程度上取决于该元素原子的核外电子数和它们的运动状态。因此先要对核外电子的运动有所了解。
一、 电子云的概念
我们知道，电子的体积和质量都很小，而它的运动速度又非常大，如在正常情况下氢原子的电子以2200公里/秒的速度绕核运动，而人造地球卫星的最后发射速度只有8~11.2公里/秒。电子的这些特点，决定了电子运动的特殊形式。它与我们日常所见的火车在轨道上行驶不同，也不象环绕地球运行的人造卫星那样有固定的轨道，在确定的时间可以观察到它的确定位置。这是因为物体由大(宏观物体)到微小(微观物体)时，运动状态发生了质的变化。由于电子绕核运动的速度是这样大，又没有固定的轨道，在现代科学水平上，人们还不能在确定的时间测得核外电子所在的位置，只能用电子在原子核外某一区域出现机会的多少(数学上称为几率)来描述它的运动状态。电子在原子核周围空间不同处出现机会的多少是很不相同的，但总的来说，有一个出现几率最大的区域，如果用小黑点的密度大小表示电子出现的几率大小，小黑点密度大的地方即几率大。所以可把电子的绕核运动，形象地看成是笼罩在核外的带负电荷的云，称为“电子云”。犹如正在快速转动的电扇叶片一样，不能明晰地看出每一片叶片，只能看到整个一片，但不同的是电扇叶片的转动是有固 定轨道的，而电子在空间出现的几率却是不同的;当然两者 运动速度的差异也有天渊之别。图3-1是在正常状态下氢原子核外电子最常出现的区域。对于正常状态下的氢原子来说，在离核 0.53Å处电子出现的机会最多，犹如一个球壳;而在0.53Å球壳以内及以外的空间，电子出现的机会则较少。
图3-1所示的状态，只是氢原子中电子的许多运动状态中的一种。处于上述运动状态的电子称为基态，它的能量最低，也最稳定，这与物体的重心越低越稳定的道理相似。当氢原子从外界吸收能量(如加热或光照等)时，其电子也吸收了能量，由于电子能量增高，就能较大地反抗原子核的吸引力，跳到离核较远的轨道上去，在离核较远的空间运动，即电子出现几率最大处离核的距离比基态的远，离核的平均半径r增大。但这种增大并不是 连续的，而是跳跃的，r从0.53Å跳跃到2.13Å、4.77Å.....。r愈大，离核愈远，能量愈高。这种较基态能量高的电子的运动状态，称为激发态。电子具有不同能量时，所处能级也不同。由于激发态电子处在较高的能级,因而不稳定,总是力图回到较低的能级上去。当电子从能量不同的各高能级跳回到某一低能级时，就将一部分多余的能量以光的形式辐射出来，形成不同波长的发射光谱线。图3-2表示氢原子在可见光区的光谱。这些光谱线是不连续的(或叫线状光谱)，谱线之间有暗区存在。
不同元素的原子，都有其特有的、各不相同的发射光谱线组，因此可用其作元素光谱定性分析的基础。
如果电子吸收的能量较大，它就可以脱离原子，而使原子成为离子。如给氢原子的能量大到足够使电子克服原子核对它吸引的程度，则其仅有的一个电子可以脱离原子，氯原子就变成了带 正电荷的氢离子( H⁺即质子)。
二、核外电子的运动状态
随着原子核电街数的增多，核外电子的数目也增多。多电子原子中的电予运动状态，要比氢原子申单电子的运动状态复杂得多。根据实验结果和理论证明，核外电子的遥动状态由以下四个方面来描述:
1.电子层。根据近代物理学的研究，电子在原子核外的排布是按电子出现几奉最大的区域离核的远近，划分为不同的电子 层。依高核由近到远的次序，将电子层(n),分为1、2、3、4、5、6和7层，也可以用K、L、M、N、O、P和Q字母来表示。一般来说，n值越大，该层的电子离核越远，所具有的能量越高。
2.电子云的形状。实验证明，在同一电子层上电子的能量还稍有差别。按照能量差别，又可把同一电子层划分为一个或几个电子亚层，常用s、P、d和f符号来表示。每一个电子层所含 的亚层数不完全相同:第一电子层( K层)只有一个电子亚层，叫s亚层第二电子层(L层)有二个电子亚层，即s和P亚层，第三电子层(M层)有三个电子亚层即s、P和d亚层，第四、五和六(N、O和P层)电子层各有四个电子亚层即s、P、d和f亚层。同一电子层中亚层能量次序按s、P、d、f递增。由 此可知，每一电子层都有其s亚层，2、3、4...电子层都有其P亚层，3、4、5...电子层都有d亚层。为了区别不同电.子层的电子亚层，可以把它们所属电子层的号数标在亚层符号的前面，例如1s和2s分别表示第一和第二电子层中的s亚层的电子;又如3d表示第三电子层中的d亚层等。
所谓电子亚层，实际上是指不同的电子云形状，例如s亚层的电子云呈球形;而P亚层的电子云，则近似哑铃形(其剖面呈 “∞”形); d 亚层和f亚层的电子云形状比P亚层的更要复杂，这里不作介绍。
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