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电子到底是怎么绕原子核运动的?你理解错了,不是地球绕太阳那样

时间:2022-11-25 21:12:40 | 浏览:3695

电子在原子核外到底是怎么运行的,其实很多人都搞不清。如今还有很多人误以为电子绕原子运动的类型与地球绕太阳运动一样,这就大错特错了!你可能知道波尔的能级跃迁模型,电子云模型,但是电子到底是怎么运动的,你还是不太清楚。然后咱们先从波尔的能级跃迁

电子在原子核外到底是怎么运行的,其实很多人都搞不清。

如今还有很多人误以为电子绕原子运动的类型与地球绕太阳运动一样,这就大错特错了!

你可能知道波尔的能级跃迁模型,电子云模型,但是电子到底是怎么运动的,你还是不太清楚。

然后咱们先从波尔的能级跃迁分析。一个电子从一个轨道跳跃到另一个轨道上,跳跃这个过程是不连续的,不存在过渡。

对原子轨道的误解

这里必须澄清一个概念,很多人会误以为原子轨道就是电子核外的电子层轨道。

其实,这种1,2,3的“轨道”并不是原子轨道,这是能层,也叫电子层。

能层就是高中化学学的K,L,M,N,O,P电子层,对应的电子层序号依次是1 2 3 4 5 6。

第一层也叫K层,第二层是L层,第三层是M层(依次类推)。每一个电子层(能层)又包含着不同的能级,一个电子层有几个能级,取决于电子层的序号。

比如第一个电子层(K)只有一个能级。第二个电子层(L)有两个能级(依次类推)。因为能级是电子层(能层)的下属,所以能级也叫电子亚层。能级其实就是高中化学学的s,p,d,f 原子轨道。

比如第一个电子层只有一个能级,这个能级就是s轨道。第二个电子层只有两个能级,这两个能级分别就是s轨道的和p轨道。第三个电子层有三个能级,这三个能级分别就是s,p,d轨道。剩下的电子层,依次类推就行。

但是一定要注意,第二个电子层有两个能级,并不是说只有s和p两个原子轨道。

除了s轨道,其他轨道都自带拷贝功能(严格来说是空间取向)。s轨道是球型,这种轨道不会复制自己,所以是单独存在的。p轨道的形状是哑铃型,这种轨道自带三倍拷贝功能,d轨道都是三个d轨道一起出现的。d轨道自带五倍拷贝功能,d轨道都是五个一起出现。

spdf轨道的拷贝倍数按照1,3,5,7等奇数形式计算。其实所谓的spdf轨道只是表示电子云的不同形状。电子大概率会出现在某一特定空间,恰好这样的空间会形成某一特定的形状。比如s轨道像球型,p轨道像哑铃型,d轨道像花瓣型。

现在已经搞清原子轨道的类型了,接下来就要看电子到底是怎么占据这些轨道的。

事实上,电子占据原子轨道的过程主要按照泡利不相容原理和洪特规则进行。

泡利不相容原理告诉我们一个原子轨道顶多容纳两个电子。

比如,第一个电子层(K层)只有一个能级,这个能级上只有一个s轨道,所以只能容纳两个电子。

第二个电子层(L层),有s,p两个能级,所以就有一个s轨道,3个p轨道,一共四个原子轨道,所以顶多容纳8个电子。

第三个电子层(M层),有s,p,d三个能级,所以就有一个s轨道,3个p轨道,5个d轨道,一共9个原子轨道,所以顶多容纳18个电子。

在自然界中,一切都在追求稳定,如果现在还不稳定,总会达到稳定状态。

因为稳定的事物变化少,不稳定的事物变化大,变化大的状态总会折腾到变化小的状态。

这个道理同样适用于物理学,稳定的状态意味着能量低,最稳定的状态,则能量处于最低状态。

而洪特规则简单来说,就是能量最低原理,电子总是先占据能量最低的原子轨道,如果更低能量的原子轨道被占满了,才会被迫占领更高能量的原子轨道。了解洪特规则后,剩下的就是对比不同原子轨道的能量就行。

这些原子轨道的能量是这样的

1s就是第一个电子层的s轨道,2s就是第二个电子层的s轨道。2p就是第二个电子层的p轨道(第一个电子层没有p轨道)

按照横向对比,1s小于2s小于3s。 2p小于3p小于4p。

按照纵向对比,3s小于3p小于3d。

按照横纵交错对比,就牵扯能量交错原理了。从第四个电子层开始,4s就小于3d了。后面的能量交错对比,自行查资料就行,我就不展开讲了。

泡利不相容原理的深层理解

不知道你有没有想过,为什么泡利不相原理认为一个原子轨道只能容纳两个电子呢?首先想象一下,原子核外分布着很多电子,这些电子都一样吗?

如果只是直观感受,好像所有的电子长得都一样。按照常规方式我们不能鉴定出两个电子有什么不同。

但是理性思考一下,又觉得电子之间肯定存在着不同点。

事实上,电子之间的确存在很多不同点

为了区分电子。所以就需要制定一种特殊的方式给这些电子 标身份号码。

在量子力学中,电子存在几种不同点,就有几种量子数。所以量子数可能有很多种。

而对于核外电子,一般只做四种类型的区别,所以就有四种量子数

如果两个电子的四种量子数都相同,那么它们就具有相同的量子态,是不可能处于同一原子轨道上的。这才是泡利不相容原理的严谨解释。

但为什么泡利不相原理的结论却是:一个原子轨道顶多容纳两个电子。这又怎么理解?

要解释这个问题,我们就需要先了解一下电子的四种量子数,也就是四种区分方式。

第一种区分就是主量子数

比如在第一个电子层的电子和第二个电子层的电子虽然都是核外电子,但是它们所处的电子层不同,所以第一种区别就出来了。这就是主量子数。

第二种区别就是角量子数

比如第二个电子层有4个电子,首先这四个电子的主量子数是相同的,但是它们之间的轨道类型可能不同,比如s轨道或p轨道,所以按照原子轨道划分,就又多了一种区分电子的方式。

第三个区别就是磁量子数

刚才我已经讲了,第二能层的p轨道有三个,三个p轨道如果都有电子,这时候它们的主量子数和磁量子数已经是一样的了。

如果仅仅只是通过前两种方式,已经无法区分第二能层的三个p轨道上的三个电子了。

事实上,这三个p轨道并不完全相同,因为不同的p轨道在磁场上的分量是不同的。这就是第三种区别。

现在你想象一下,如果泡利不相容原理只适用于这三种量子数。

那同一能层,同一能级的同一个原子轨道上就只能容纳一个电子了。

因为同一个原子轨道一旦存在两个电子,那么这两个电子的三个量子数必然相同,所以就会违背泡利不相容原理。

这个时候,第四种区别就显得尤为重要。如果没有第四种区别,一个原子轨道就不可能存在两个电子,而只能是一个电子。这就是第四种量子数,也叫自旋量子数

自旋量子数只有两种,要么是-1/2,要么是1/2。两种自旋可以粗略地认为是上旋或者下旋。

所以同一个轨道内两个电子的前三种量子数都相同,但是第四种量子数不同,且只能有两种不同,要么自旋为上,要么为下。所以一个原子轨道内必定只能容纳两个电子,且自旋不同。

其实,正是由于第四种量子数只有两种区别,才导致同一轨道上只能存在两个电子,这也是泡利不相容原理的核心思想。

其实,四种量子数相同的电子不能处于同一轨道还有更深层的解释。

由于电子的本质是波函数,且具有反对称性。

反对称波函数就是说,量子数完全相同的两个电子相遇,会相互制约。其中一个电子波向上,另一个就必然向下,并且严格对应。

一旦两列波处在同一轨道内,那相遇后就会完全抵消,从而导致电子的波函数消失,那电子就不存在了。

电子的反对称波函数也从本质上解释了泡利不相容原理。

想象一下,如果没有泡利不相容原理,那么按照洪特规则,所有的核外电子都会占据到能量最低的基态原子轨道上。所有的电子如果都处于基态,那化学性质就和氦原子一样稳定。

宇宙中基本上所有原子的状态都稳如泰山,就不会轻易形成化学键,那么有机物就不会存在,生命自然也就不会存在。

所以从这种角度来看,地球上存在生命又得多感谢一位。

人类不仅要感谢引力,电磁力,暗能量,超新星爆炸抛射的重元素,太阳的能量,地球磁场,木星的守卫,海底温泉形成的luca,还得感谢大自然创造了泡利不相容原理!

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