电子是如何绕着原子核旋转的?

时间:2021-07-30 09:21:21   作者:
大多数学生没有付出额外的努力去真正理解原子的结构,最终只知道有限的电子绕原子核旋转的知识。我将尽我所知尽力向你解释。(时间会很长)

在理解原子的实际结构之前,最好先理解这些问题。如果你对这些问题已经很清楚了,就跳过它吧。


1. 什么是轨道(壳层)?


术语“轨道”是一个外行人的术语,在技术上被称为“能级”,由主量子数“n”表示。它们也被称为壳层,我们最好用这个术语来代替“轨道”。这一点很重要,因为电子是根据它们的能量排列在不同的电子层上的。这些能量是离散的;第一层的电子只能有特定的能量。两个壳层之间的能量差是不一样的。

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2. 什么是亚层(s p d f)?


现在,所有电子的能量大致相同。然而,不同的电子有不同的角动量。基本上,这意味着轨道的形状(我们将在下一个问题中讨论)对于同一亚层的电子是相同的。这种形状上的差异导致同一壳层内不同亚层的电子的能量相差不大。(对于ex, 2s的能量与2p的能量不同)

角量子数'l'表示电子的亚壳层。

不同的子壳被称为s, p, d和f。形状是:

电子是如何绕着原子核旋转的?

因此,在同一电子层内,电子的能量会有微小的变化。因此,图1中所示的能级图对于一个特定的壳层来说不是一条直线,而是一条中间有小间隙的线带。

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3.轨道是什么?


S轨道是球形的,因此没有方向。对于p d f子壳层,它们可以在三维平面上有不同的方向。它们由量子数m表示,m表示轨道的方向。

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你可以看到,当你说p轨道时,我可以想象一个哑铃形的轨道。如果你指定Px轨道,那么我知道你指的是沿着x轴的p轨道。

注意不同方向的能级是相同的(E (Px) = E (Py) = E (Pz)等等)

附加信息:在特定轨道上具有特定方向的电子可以有两个自旋态(向上或向下)。它由自旋量子数表示。只要记住这一点。

所以,我们总共有四个量子数来指代一个原子中的一个特定电子。如果一个电子说:壳层= 3,子壳层= d,轨道= Dxy,自旋=上,那么我已经完全确定了三维轨道中一个特定电子的状态,它的方向在XY平面,自旋=上。

现在,为了构建电子结构,最好先想象一下原子核,然后开始一个接一个地添加电子。填充电子有三条规则:Aufbau原理、洪德原理和泡利排除原理。这个链接以一种简化的方式解释了这些规则:通用化学/填充电子层

现在,让我们开始构建一个原子。以钠原子为例(Na,原子序数= 11,质量数= 23)

一个原子核里有11个质子和12个中子。原子核的大小比第一电子层(1s)小1000倍左右。(我不知道具体值,但不重要)

我们在第一层,s亚层,加上2个电子,s亚层是球形的,这是唯一可能的方向。第一个能级完成了。

电子是如何绕着原子核旋转的?

然后我们在下一个高能态,2s轨道,加入两个电子。2s轨道也是球形的,因此只有一个方向。1s轨道在2s轨道里面。

电子是如何绕着原子核旋转的?

在这一点上,我想告诉你们,钠原子的1s, 2s和其他轨道的大小(我们正在考虑的)和其他原子的1s轨道的大小是不一样的,比如氢的。这是由于屏蔽效应和发生的电子-电子斥力。请谷歌了解更多信息。

接下来,我们给钠原子加一个电子。现在,这个电子比2s电子有更多的能量它们占据2p轨道。它们可以从三个可能的方向中选择一个我们随意把它指定为Px轨道。接下来的两个电子占据P轨道,它是沿着y和z轴方向的。根据洪德定律,2p轨道上的三个电子都有相同的自旋。

电子是如何绕着原子核旋转的?

如果2p轨道上的电子进一步增加,那么2Px, 2Py和2Pz轨道就会按照这个顺序被填满。注意,2P轨道的大小比2s壳层小一点,这是由于接近核。但2P轨道的能量大于2s轨道。对于更高能级,轨道的大小为:f > d > p > s

这样,2P亚层上的6个电子就完成了。

现在只剩下1个电子,它占据了3s层。它在本质上是球形的,比1s, 2s和2p轨道大。

电子是如何绕着原子核旋转的?

这样,11个电子的加入就完成了。这是钠原子的表示。请记住,数字是2D,实际形状是3D。你应该有一个原子的三维图像。

量子力学现在已经完全解释了原子的结构和行为,满足了迄今为止所有元素的所有实验观察。因此,这是迄今为止我们所知道的最好的原子模型。
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