電子到底是怎么繞原子核運(yùn)動(dòng)的？你理解錯(cuò)了，不是地球繞太陽(yáng)那樣

電子在原子核外到底是怎么運(yùn)行的，其實(shí)很多人都搞不清。

如今還有很多人誤以為電子繞原子運(yùn)動(dòng)的類型與地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)一樣，這就大錯(cuò)特錯(cuò)了！

你可能知道波爾的能級(jí)躍遷模型，電子云模型，但是電子到底是怎么運(yùn)動(dòng)的，你還是不太清楚。

然后咱們先從波爾的能級(jí)躍遷分析。一個(gè)電子從一個(gè)軌道跳躍到另一個(gè)軌道上，跳躍這個(gè)過(guò)程是不連續(xù)的，不存在過(guò)渡。

對(duì)原子軌道的誤解

這里必須澄清一個(gè)概念，很多人會(huì)誤以為原子軌道就是電子核外的電子層軌道。

其實(shí)，這種1，2，3的“軌道”并不是原子軌道，這是能層，也叫電子層。

能層就是高中化學(xué)學(xué)的K，L，M，N，O，P電子層，對(duì)應(yīng)的電子層序號(hào)依次是1 2 3 4 5 6。

第一層也叫K層，第二層是L層，第三層是M層（依次類推）。每一個(gè)電子層（能層）又包含著不同的能級(jí)，一個(gè)電子層有幾個(gè)能級(jí)，取決于電子層的序號(hào)。

比如第一個(gè)電子層（K）只有一個(gè)能級(jí)。第二個(gè)電子層（L）有兩個(gè)能級(jí)（依次類推）。因?yàn)槟芗?jí)是電子層（能層）的下屬，所以能級(jí)也叫電子亞層。能級(jí)其實(shí)就是高中化學(xué)學(xué)的s，p，d，f 原子軌道。

比如第一個(gè)電子層只有一個(gè)能級(jí)，這個(gè)能級(jí)就是s軌道。第二個(gè)電子層只有兩個(gè)能級(jí)，這兩個(gè)能級(jí)分別就是s軌道的和p軌道。第三個(gè)電子層有三個(gè)能級(jí)，這三個(gè)能級(jí)分別就是s，p，d軌道。剩下的電子層，依次類推就行。

但是一定要注意，第二個(gè)電子層有兩個(gè)能級(jí)，并不是說(shuō)只有s和p兩個(gè)原子軌道。

除了s軌道，其他軌道都自帶拷貝功能（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是空間取向）。s軌道是球型，這種軌道不會(huì)復(fù)制自己，所以是單獨(dú)存在的。p軌道的形狀是啞鈴型，這種軌道自帶三倍拷貝功能，d軌道都是三個(gè)d軌道一起出現(xiàn)的。d軌道自帶五倍拷貝功能，d軌道都是五個(gè)一起出現(xiàn)。

spdf軌道的拷貝倍數(shù)按照1，3，5，7等奇數(shù)形式計(jì)算。其實(shí)所謂的spdf軌道只是表示電子云的不同形狀。電子大概率會(huì)出現(xiàn)在某一特定空間，恰好這樣的空間會(huì)形成某一特定的形狀。比如s軌道像球型，p軌道像啞鈴型，d軌道像花瓣型。

現(xiàn)在已經(jīng)搞清原子軌道的類型了，接下來(lái)就要看電子到底是怎么占據(jù)這些軌道的。

事實(shí)上，電子占據(jù)原子軌道的過(guò)程主要按照泡利不相容原理和洪特規(guī)則進(jìn)行。

泡利不相容原理告訴我們一個(gè)原子軌道頂多容納兩個(gè)電子。

比如，第一個(gè)電子層（K層）只有一個(gè)能級(jí)，這個(gè)能級(jí)上只有一個(gè)s軌道，所以只能容納兩個(gè)電子。

第二個(gè)電子層（L層），有s，p兩個(gè)能級(jí)，所以就有一個(gè)s軌道，3個(gè)p軌道，一共四個(gè)原子軌道，所以頂多容納8個(gè)電子。

第三個(gè)電子層（M層），有s，p，d三個(gè)能級(jí)，所以就有一個(gè)s軌道，3個(gè)p軌道，5個(gè)d軌道，一共9個(gè)原子軌道，所以頂多容納18個(gè)電子。

在自然界中，一切都在追求穩(wěn)定，如果現(xiàn)在還不穩(wěn)定，總會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

因?yàn)榉€(wěn)定的事物變化少，不穩(wěn)定的事物變化大，變化大的狀態(tài)總會(huì)折騰到變化小的狀態(tài)。

這個(gè)道理同樣適用于物理學(xué)，穩(wěn)定的狀態(tài)意味著能量低，最穩(wěn)定的狀態(tài)，則能量處于最低狀態(tài)。

而洪特規(guī)則簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是能量最低原理，電子總是先占據(jù)能量最低的原子軌道，如果更低能量的原子軌道被占滿了，才會(huì)被迫占領(lǐng)更高能量的原子軌道。了解洪特規(guī)則后，剩下的就是對(duì)比不同原子軌道的能量就行。

這些原子軌道的能量是這樣的

1s就是第一個(gè)電子層的s軌道，2s就是第二個(gè)電子層的s軌道。2p就是第二個(gè)電子層的p軌道（第一個(gè)電子層沒(méi)有p軌道）

按照橫向?qū)Ρ龋?s小于2s小于3s。 2p小于3p小于4p。

按照縱向?qū)Ρ龋?s小于3p小于3d。

按照橫縱交錯(cuò)對(duì)比，就牽扯能量交錯(cuò)原理了。從第四個(gè)電子層開(kāi)始，4s就小于3d了。后面的能量交錯(cuò)對(duì)比，自行查資料就行，我就不展開(kāi)講了。

泡利不相容原理的深層理解

不知道你有沒(méi)有想過(guò)，為什么泡利不相原理認(rèn)為一個(gè)原子軌道只能容納兩個(gè)電子呢？首先想象一下，原子核外分布著很多電子，這些電子都一樣嗎？

如果只是直觀感受，好像所有的電子長(zhǎng)得都一樣。按照常規(guī)方式我們不能鑒定出兩個(gè)電子有什么不同。

但是理性思考一下，又覺(jué)得電子之間肯定存在著不同點(diǎn)。

事實(shí)上，電子之間的確存在很多不同點(diǎn)

為了區(qū)分電子。所以就需要制定一種特殊的方式給這些電子 標(biāo)身份號(hào)碼。

在量子力學(xué)中，電子存在幾種不同點(diǎn)，就有幾種量子數(shù)。所以量子數(shù)可能有很多種。

而對(duì)于核外電子，一般只做四種類型的區(qū)別，所以就有四種量子數(shù)。

如果兩個(gè)電子的四種量子數(shù)都相同，那么它們就具有相同的量子態(tài)，是不可能處于同一原子軌道上的。這才是泡利不相容原理的嚴(yán)謹(jǐn)解釋。

但為什么泡利不相原理的結(jié)論卻是：一個(gè)原子軌道頂多容納兩個(gè)電子。這又怎么理解？

要解釋這個(gè)問(wèn)題，我們就需要先了解一下電子的四種量子數(shù)，也就是四種區(qū)分方式。

第一種區(qū)分就是主量子數(shù)

比如在第一個(gè)電子層的電子和第二個(gè)電子層的電子雖然都是核外電子，但是它們所處的電子層不同，所以第一種區(qū)別就出來(lái)了。這就是主量子數(shù)。

第二種區(qū)別就是角量子數(shù)

比如第二個(gè)電子層有4個(gè)電子，首先這四個(gè)電子的主量子數(shù)是相同的，但是它們之間的軌道類型可能不同，比如s軌道或p軌道，所以按照原子軌道劃分，就又多了一種區(qū)分電子的方式。

第三個(gè)區(qū)別就是磁量子數(shù)

剛才我已經(jīng)講了，第二能層的p軌道有三個(gè)，三個(gè)p軌道如果都有電子，這時(shí)候它們的主量子數(shù)和磁量子數(shù)已經(jīng)是一樣的了。

如果僅僅只是通過(guò)前兩種方式，已經(jīng)無(wú)法區(qū)分第二能層的三個(gè)p軌道上的三個(gè)電子了。

事實(shí)上，這三個(gè)p軌道并不完全相同，因?yàn)椴煌膒軌道在磁場(chǎng)上的分量是不同的。這就是第三種區(qū)別。

現(xiàn)在你想象一下，如果泡利不相容原理只適用于這三種量子數(shù)。

那同一能層，同一能級(jí)的同一個(gè)原子軌道上就只能容納一個(gè)電子了。

因?yàn)橥粋€(gè)原子軌道一旦存在兩個(gè)電子，那么這兩個(gè)電子的三個(gè)量子數(shù)必然相同，所以就會(huì)違背泡利不相容原理。

這個(gè)時(shí)候，第四種區(qū)別就顯得尤為重要。如果沒(méi)有第四種區(qū)別，一個(gè)原子軌道就不可能存在兩個(gè)電子，而只能是一個(gè)電子。這就是第四種量子數(shù)，也叫自旋量子數(shù)。

自旋量子數(shù)只有兩種，要么是-1/2，要么是1/2。兩種自旋可以粗略地認(rèn)為是上旋或者下旋。

所以同一個(gè)軌道內(nèi)兩個(gè)電子的前三種量子數(shù)都相同，但是第四種量子數(shù)不同，且只能有兩種不同，要么自旋為上，要么為下。所以一個(gè)原子軌道內(nèi)必定只能容納兩個(gè)電子，且自旋不同。

其實(shí)，正是由于第四種量子數(shù)只有兩種區(qū)別，才導(dǎo)致同一軌道上只能存在兩個(gè)電子，這也是泡利不相容原理的核心思想。

其實(shí)，四種量子數(shù)相同的電子不能處于同一軌道還有更深層的解釋。

由于電子的本質(zhì)是波函數(shù)，且具有反對(duì)稱性。

反對(duì)稱波函數(shù)就是說(shuō)，量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子相遇，會(huì)相互制約。其中一個(gè)電子波向上，另一個(gè)就必然向下，并且嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

一旦兩列波處在同一軌道內(nèi)，那相遇后就會(huì)完全抵消，從而導(dǎo)致電子的波函數(shù)消失，那電子就不存在了。

電子的反對(duì)稱波函數(shù)也從本質(zhì)上解釋了泡利不相容原理。

想象一下，如果沒(méi)有泡利不相容原理，那么按照洪特規(guī)則，所有的核外電子都會(huì)占據(jù)到能量最低的基態(tài)原子軌道上。所有的電子如果都處于基態(tài)，那化學(xué)性質(zhì)就和氦原子一樣穩(wěn)定。

宇宙中基本上所有原子的狀態(tài)都穩(wěn)如泰山，就不會(huì)輕易形成化學(xué)鍵，那么有機(jī)物就不會(huì)存在，生命自然也就不會(huì)存在。

所以從這種角度來(lái)看，地球上存在生命又得多感謝一位。

人類不僅要感謝引力，電磁力，暗能量，超新星爆炸拋射的重元素，太陽(yáng)的能量，地球磁場(chǎng)，木星的守衛(wèi)，海底溫泉形成的luca，還得感謝大自然創(chuàng)造了泡利不相容原理！