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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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