为什么带有8个价电子的原子如此稳定?
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2021-01-19 16:50 更新 错位时空 •  1829
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重要的是两个粒子不得具有完全相同的属性。它们在某些方面必须是可区分的(否则它们将完全相同并且始终在同一位置,并且将再次表现出类似的行为。它们就像我们人类一样,某些东西使我们之间产生了差异,即使我们当中有些人看起来一样。)

首先:电子不会在原子核周围自由移动,但是它们的轨道服从薛定谔方程。此时,它到底看起来像什么以及如何解决它,主要是一个复杂的计算。

但是,在求解方程时,对所描述粒子的运动始终存在限制。一个有趣的类比是在圆形道路上的汽车:您可以想像出汽车有无数种不同的速度。但是,如果添加了这样的条件,那就是每次新的分钟休息时,汽车都应位于街道的北端,那么有多少种选择呢?请考虑一下。 仍然有无限多个,但是这次我们可以根据汽车每分钟可以转数来对它们进行编号。它可能是如此之快,以至于每分钟精确地到达一次顶部。但它也可能快一倍:然后在30秒后到达,但在60秒后又到达,从而满足条件。但是,如果速度只有1.5倍,它将无法正常工作:40秒后到达顶部,而60秒后仍在路上。正如汽车的条件(我们自己考虑)限制了可能运动的次数一样,薛定谔方程和相关的量子力学规则(本质上是事物本身)也限制了电子的运动次数!

对于氢原子,以及对于所有其他原子,作为近似,结果是我们称为所谓的轨道的解决方案。您可以将其想象为恒星周围的行星的轨道————只有很少数量的电子可能的“轨道”。这些通常称为“量子数”。 第一个量子数n或主量子数表示电子与核之间的平均距离。它也与电子的能量直接相关-在自由原子中,能量仅大致取决于该n。 第二量子数l也称为次级量子数。它表明电子的角动量平均如何。在行星图片中:行星绕太阳旋转的速度有多快?总是有与角动量相关的能量,这就是为什么l必须始终小于n的原因。例如,如果l为0,则电子在一个球形区域,一个s轨道,如果l为1,则在一个哑铃形区域, p轨道。这与较高的角动量有关。 第三量子数m1,也称为磁量子数。它描述了空间中角动量的方向。在行星图片中,可能是:行星的轨道如何倾斜?在太阳系中,所有行星都在一个平面中旋转,但是也可能有一些行星位于一个旋转的平面中。它只能为1,但也可以为负。 第四量子数ms也称为自旋量子数。它描述了相对难以理解的所有方面:每个粒子都有一个角动量,该角动量不是由粒子的空间运动引起的。可以想象,它对应于粒子绕其自身轴的旋转,但这似乎也不是真实的。事实是它在那里,您可以将其与绕其自身轴线的旋转进行比较。对于每种类型的粒子,旋转的“速度”都是相同的,也就是说,所有电子都具有相同的自旋:但是,它可以是顺时针方向或逆时针方向。

有了这些知识(诚然,您必须接受很多知识,但这是99.99%的人可能只能学习的方式————他们接受它,因为它给出了正确的结果,并且以后有人问他们。退还您已接受的内容,就好像这是世界上最合乎逻辑的事情。毕竟,通过实验和其他知识一次又一次地确认并补充了他们接受的内容之间的一些通知) 如前所述,电子的能量主要取决于主量子数n。如果存在多个具有相同n的电子,则在能量上尽可能多是有利的:因为每个单个电子都被带正电的非常强的原子核吸引。也就是说,原子努力使具有相同n的电子尽可能多(由于这些电子最容易除去,因为它们具有最高的能量,因此也称为价电子)。一个n = 1的原子可以拥有多少个电子?好吧,l只能是0,所以ml只能是0,并且对于ms +1/2或-1/2都是可能的。这意味着有两个电子是可能的,一个带有一个电子的原子不是特别稳定(可能是氢),但是一个带有两个电子的原子是不稳定的,因为它具有尽可能多的电子和尽可能少的能量。这就是为什么氦如此稳定! 要添加第三个电子,它必须具有n = 2。但是,这对应于非常高的能量消耗,这就是为什么具有3个电子的原子不稳定(锂将是非常活泼的金属)的原因。n = 2时,可能有多少个电子?l可以为0或1,ml可以仅为0(对于l = 0)或-1、0或1(对于l = 1)。ms再次将可能性加倍,这正是所要求的8种结果的出路!

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2021-01-19 17:11 更新 张宇哲 •  5240