前面兩期為大家簡單介紹了構成宏觀世界的幾種基本粒子。本期我來介紹一下和基本粒子各方面屬性密切相關的粒子——電子。
前面說過每一個原子所佔據的空間尺度是以奈米計算的,就是在這麼有限的空間裡,原子核也只是在更加狹小的核心位置,而核心以外的空間則由高速運動的核外電子佔據。
這個核外電子的高速運動是有一定的軌道可循的。早在上世紀量子理論大發展的時候,人們就計算出氫原子的核外電子(只有一個電子)的軌道波函式,對應了該核外電子在運動軌道上出現的機率(按機率高低畫出密度不同的點,則構成電子雲,哈哈哈,我就叫電子雲)。這就是大名鼎鼎的薛定諤方程,當然作為啟蒙內容,量子化學內容本專題暫不細講。
我們來直接看結果:核外電子按照所填充軌道能量由低到高可以分成若干電子層,電子層記作n,n=1、2、3、4、5、6,每個電子層依次用K、L、M、N、O、P表示。其中第n層可存在的電子數上限是2n^2個,同時最外層電子數不能超過8個(如果只有K層則不能超過2個)、次外層電子數不超過18個、第三外層不超過32個。
上面只是對電子軌道按能量高低粗略劃分的結果,實際上透過量子化學計算得出的結果,每個電子層還可以細分,這個以後再講。
(注:鑑於文章輸入限制,此處寫法同教科書不一致,以後影片講解為中學標準格式)結合之前對元素概念的介紹,可以得出不同元素原子核外電子的排布:H對應1,He對應2,Li對應21,C對應24,N對應25,O對應26,F對應27,Ne對應28,Na對應281,Mg對應282,S對應286,Cl對應287,K對應2881,Ca對應2882……通常來講,核外電子排布最外層為8個為穩定狀態。所以原子與原子作用時,最外層電子數為1或者2的原子有失去電子的趨勢而成為陽離子;最外層電子數為7或者6的原子有得到外來電子的趨勢而成為陰離子。這些也都對應著不同元素的化學性質。由此我們得到一些常見的陰陽離子H+,Na+,Mg2+,K+,Ca2+,Cl-……當然原子團的情況類似,就是整個原子團作為一個整體對外得失電子,例如NH4+,(SO4)2-,NO3-……而陰陽離子由於正負電荷強烈的作用,往往結合在一起,形成離子晶體,這個我們下回再講。而核外電子已經是8個的情況(K層對應2個),就是對外顯示化學性質穩定,如氦氣(He),氖氣(Ne),氬氣(Ar),它們都是惰性氣體。
這裡只是關於電子以及電子所處的軌道最淺顯的解讀,不過藉由電子這一粒子間的潤滑劑將帶給我們物質間無窮無盡的變化,化學真正的精彩即將開始。