原子结构

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	$\mathrm{p}$	$+1$	$1$	原子核
中子	$\mathrm{n}$	$0$	$1$	原子核
电子	${\mathrm{e}}^{-}$	$-1$	$\frac{1}{1836}$	核外空间

关键关系：

$$A=Z+N$$ $$\text{原子序数}=\text{质子数}=\text{核外电子数}(\text{中性原子})$$

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 $A$，左下角标原子序数 $Z$：

$${}_Z^A\mathrm{X}$$

例如 ${}_{11}^{23}\mathrm{Na}$ 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 $K$、$L$、$M$、$N$、$O$、$P$、$Q$，对应主量子数 $n=1,2,3,\dots$

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 $2n^2$ 个电子
3. 最外层电子数不超过 8 个（$K$ 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	$K$	$L$	$M$	$N$	$O$	$P$	$Q$
$n$	1	2	3	4	5	6	7
最多容纳电子数	2	8	18	32	50	72	98

例子：

元素	质子数	电子排布
$\mathrm{Na}$	11	$K$ 层 2 个，$L$ 层 8 个，$M$ 层 1 个
$\mathrm{Cl}$	17	$K$ 层 2 个，$L$ 层 8 个，$M$ 层 7 个
$\mathrm{Ar}$	18	$K$ 层 2 个，$L$ 层 8 个，$M$ 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 $K$ 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：

• ${}_6^{12}\mathrm{C}$、${}_6^{13}\mathrm{C}$、${}_6^{14}\mathrm{C}$ 是碳的三种同位素
• ${}_1^1\mathrm{H}$（氕）、${}_1^2\mathrm{H}$（氘）、${}_1^3\mathrm{H}$（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