引入

为什么不同元素化学性质不同?

为什么周期表按原子序数排列,而不是按质量?

为什么最外层电子数几乎决定了一切化学行为?

原子结构理论解决了这些问题:原子的化学性质由核外电子排布决定,元素周期律的本质是电子层结构的周期性重复。

关于结构图

原子结构.canvas 整理原子模型发展史(道尔顿 → 汤姆逊 → 卢瑟福 → 玻尔 → 量子力学模型),属于科学史脉络,不展开正文内容。

正文

定义

原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成,核外电子在核外空间按一定规律分布。

组成粒子

粒子符号电荷相对质量位置
质子原子核
中子原子核
电子核外空间

关键关系:

电子的质量小到可以忽略,原子的质量几乎全部集中在原子核。但原子的体积几乎全部由电子云占据——这是一个极端“空心”的结构。

表示方法

元素符号左上角标质量数 ,左下角标原子序数 :

例如 表示钠原子,质量数 23,质子数 11,中子数 12。

核外电子排布

电子不是随机分布,而是分层排布在不同电子层(能层)。

电子层从内到外依次为 、、、、、、,对应主量子数

排布规律:

  1. 电子优先占据能量低的电子层(从内向外)
  2. 每层最多容纳 个电子
  3. 最外层电子数不超过 8 个( 层不超过 2 个)
  4. 次外层不超过 18 个,倒数第三层不超过 32 个
电子层
1234567
最多容纳电子数281832507298

例子:

元素质子数电子排布
11 层 2 个, 层 8 个, 层 1 个
17 层 2 个, 层 8 个, 层 7 个
18 层 2 个, 层 8 个, 层 8 个

最外层电子数与化学性质

最外层电子数倾向表现
8(或 层 2)稳定,不易反应稀有气体
1–3易失去电子金属性
5–7易得到电子非金属性
4视情况碳、硅形成共价键

这个规律是元素周期表结构的基础,也是理解化学键的物理本质的入口。

同位素

定义

同位素是质子数相同、中子数不同的原子。

性质是否相同原因
化学性质几乎相同核外电子排布相同
物理性质不同质量不同
核性质可能不同中子数影响稳定性

例子:

  • 、、 是碳的三种同位素
  • (氕)、(氘)、(氚)是氢的三种同位素

同位素的详细讨论见核素。

原子模型的发展

模型提出者主要内容局限
实心球模型道尔顿原子不可分无法解释阴极射线
枣糕模型汤姆逊电子嵌在正电荷球中无法解释 α 粒子散射
核式模型卢瑟福原子核集中正电荷无法解释原子稳定性
玻尔模型玻尔电子在定态轨道上运动只适用氢原子
量子力学模型薛定谔等电子以概率云分布无(当前框架)

每一次模型更替都由新的实验事实推动。完整的发展史见原子结构 Canvas。

引出

为什么电子排布有这样的规律?→ 见量子力学、波函数

电子层内部还有更精细的结构吗?→ 见量子数、氢原子模型

原子结构如何决定元素周期律?→ 见元素周期表

离子的电子排布如何表示?→ 从本笔记的排布规律出发,按得失电子数重新分配即可