什么是电子时代？
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发布时间：2022-04-22 04:09
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时间：2024-03-22 20:38
在原子内部
9世纪末和20世纪初，为了探索原子内部的奥秘，一批批物理学家和化学家贡献了自己的劳动，终于使人们对于原子和原子的内部有了更多的认识。
原子有多大?它里面是什么样子?它是怎样构成的?这些问题都逐渐为人们所了解了。
原来，原子很小很小，如果把一亿个原子排成一行，也不过大约1厘米长而已。所以，它只是一颗颗非常小的微粒，小到既看不到又摸不着的地步。
可是，在这个如此微小的微粒里，也存在着一个组织周密、结构谨严的世界。我们把它叫做微观世界。相对微观世界来说，我们周围的这个大世界——太阳啊、月亮啊、地球啊、各种物体啊，等等，就叫做宏观世界。
在原子这个微观粒子中，有一个核，叫做原子核。原子核的周围有若干个电子在围绕它运动着。这种情形有点像我们所处的宏观世界的太阳系——太阳在中间，周围是绕它运动着的地球、火星、土星、天王星、海王星等等。当然，这只是一个比喻，其实的情况并不一样。
在原子内部，原子核带有正电荷，电子带有负电荷。
地球绕着太阳运动而不会离开它的轨道，是靠太阳与地球之间的引力。原子里电子绕着原子核运动，是靠原子核的正电荷对它的吸引。
在原子中，原子核只占极小的一部分体积，因为原子核的直径大约只有原子的直径的万分之一，但是原子的质量却几乎全部集中在原子核中。原予核虽然很小，但也有复杂的结构。在这方面，科学家还没有完全弄清楚；不过，大家公认原子核是由质子和中子组成的。
现在已经知道，质子和中子的质量几乎相等，而电子的质量却小得多，只相当于质子质量的1／1836。所以，原子核的质量几乎就等于整个原子的质量。
质子和中子虽然质量相同，带电情况却不同。质子是带电的，而且一个质子带的是一个单位的正电荷；中子既不带正电荷也不带负电荷。这就是说，原子核带的正电荷完全来自质子。一个原子核有几个质子，那它就有几个正电荷，这也就是原子的核电荷数。
同一个质子带一个单位的正电荷一样，一个电子带一个单位的负电荷。
原子是呈电中性的，因此，原子的核电荷数必然等于它的核外电子数。只有这样，质子带的正电荷和电子带的负电荷才能刚好抵消，原子对外也就不显电性了。
以上这些，就是人们到了20世纪30年代以后所知道的原子内部的简单情形。就是这些关于原子结构的知识，丰富了人们对于周期表的认识，帮助人们揭开了元素周期表里的许多秘密。
数原来就是质子数
原子结构的秘密被人们初步揭开以后，不少科学家都在考虑这样一个问题：元素的原子结构同它在周期表里的座位有没有什么关系?一位年轻的英国物理学家莫斯莱，首先在这个问题上做出了重大的贡献。
在莫斯莱以前，有的科学家已经注意到，用不同的元素做成的X射线管中的靶子(对阴极)，发射出来的X射线的穿透能力是不同的。原子量越大的元素，发出的X射线的穿透能力越强。这种具有特殊穿透能力的X射线被叫做特征X射线。
1913年到1914年间，莫斯莱系统地研究了各种元素的特征X射线。他借助于一种亚铁*的晶体，摄取了多种元素的X射线谱。他发现，随着元素在周期表中的排列顺序依次增大，相应的特征X射线的波长有规则地依次减小。莫斯莱根据实验的结果认为，元素在周期表中是按照原子序数而不是按照原子量的大小排列的，原子序数等于原子的核电荷数。
原子序数原来就是原子核里的核电荷数!莫斯莱的这个发现，第一次把元素在周期表里的座位和原子结构科学地联系在一起了。这个发现，给科学家们展现了一个广阔的研究领域。可惜的是，这位勤奋而又有才能的青年科学家，竟然刚27岁的时候，就牺牲在第一次世界大战的战场上了。
后来，在发现了质子和中子以后，人们终于认识到，决定一个元素在周期表中的位置的，只是它的原子核中的质子数。
例如，氢元素的原子核里只有1个质子，核电荷数是1，所以它必然就排在周期表里的第一位。碳元素的原子核里有6个质子，核电荷数是6，因此它就应该排在周期表里的第六位。而钾元素的原子核里共有19个质子，核电荷数是19，当然它就是周期表里的第19号元素了。
反过来也一样，周期表里第几位上的元素，原子核里一定有几个质子。例如，氯是周期表里的第17号元素，它的原子核里也就有17个质子，核电荷数自然也就是17。
可以说，有了这个发现，就解开了周期表当中几个谜题。第一个被解开的谜，就是那个让*伤脑筋的问题——氢和氦之间还能不能再有新元素。
根据这个发现，人们知道氢原子核里只有1个质子，应该排在周期表里的第一位，而氦原子核里有2个质子，当然应该占据第二位。虽然在周期表上它们的中间隔着好大一块空地，可是质子数在1和2之间的原子，肯定不会再有了。
第二个被解开的谜，就是几对元素的顺序倒置问题。前面已经说过，门捷列夫在发现元素周期律的时候，是按照元素的原子量大小的顺序编排元素的。按照当时大多数化学家测定的数值，钴的原子量是59，镍的原子量是58.7；碲的原子量是128，碘的原子量是127。按照原子量大小的顺序，镍应该排在钴的前面，碘应当排在碲的前面。可是，按照同族元素应该具有相似的性质这个规律(拿化合价来说，碲的最高价为+6价，应当同硫、硒等排在一族；碘的最高价为+7价，应当同氯、溴等排在一族)，它们排列的次序就应该颠倒过来。后来，还有氩(39.9)排在钾(39.1)的前面和钍(232)排在镤(231)的前面这两个原子量的顺序颠倒的问题。
不过，当年门捷列夫对于元素的性质随着原子量的增大而发生周期性的变化这一点是深信不疑的。他始终认为一定是人们把钴和镍、碲和碘、氩和钾的原子量测定错了。所以，在他自己排的周期表中仍然是把钴放在镍的前面，把碲放在碘的前面，把氩放在钾的前面。他在生前一直在期待着化学家给钾、镍和碘增大原子量，或者给氩、钴和碲减小原子量。但是，门捷列夫的这个期望终于落了空。后来尽管科学家对于这些元素的原子量测定得更精确了，但是，它们的原子量确实是氩大于钾，钴大于镍，碲大于碘。所以，多少年来，这个所谓的顺序倒置问题就成了一个不解之谜。
现在，莫斯莱等人的新的发现，一下子就解决了这个难题：元素在周期表中应该按照它的原子序数，也就是按照原子核中质子数的顺序来排列，而不应当按照原子量的大小来排列。
钾原子核里的质子数恰好比氩多1、碘比碲多1，镍又比钴多1。所以，氩和钾、碲和碘、钴和镍的顺序完全是正确的，并不存在什么颠倒的问题。
不过，这个问题总让人觉得没有彻底解决。因为绝大多数的元素都随着原子序数的增大，随着质子数的增多，原子量也相应地增大。只有这几对元素的原子量没有按照这个顺序增大，反而是原子量大的排在了前面，原子量小的排在了后面，这是为什么?原子也有多胞胎？后来弄清楚了，这个问题的关键也是在原子核里。
原来，同一种元素的原子核里面具有相同数目的质子，也就是具有相同的核电荷数，核外的电子数目和它们的分布状况当然也完全相同，因而就具有相同的化学性质。而不同元素的质子数一定不同，核电荷数和核外电子数也一定不同，它们的化学性质也就不同了。因此，在化学上给元素下的定义是：含有相同质子数目的一类原子的总称。
可是，对于原子核的进一步研究却发现，同一种元素的原子里，质子数虽然一样多，但中子的数目却不完全相同。
拿氢元素来说吧，它所有的原子里，都只有1个质子，可中子数却不一样。有的氢原子里根本没有中子，有的氢原子里有1个中子，还有的氢原子里竟然有两个中子！这3种氢原子的化学性质几乎完全一样，很难区别。就好像一胎生下来的3个孪生兄弟——三胞胎，长地一模一样。中子数不同的氢原子就是原子世界中的三胞胎。
原子也有多胞胎!
原子里的多胞胎，质子数完全一样，属于同一种元素，在周期表上当然占据同一个位置。因此，人们也把它们叫做同位素。
同一种元素的几个同位素虽然化学性质相同，但在物理性质上却不完全相同。比如，它们的原子质量就一定各不相同。那些在原子核中含中子多的原子，原子质量就大些，含中子少的原子，原子质量就要小些。
电子排布的秘密
人们在研究原子核的同时，也对核外的电子进行了研究。知道了核电荷数，也就是知道了核外电子数，因为这两者总是相等的。但是这些电子在原子核外的状态是怎样的呢?它们是怎样分布的，怎样运动的呢?这还是一个秘密。
从大量的科学实验的结果中，人们知道了，电子永远以极高的速度在原子核外运动着。高速运动着的电子，在核外是分布在不同的层次里的。我们把这些层次叫做能层或电子层。能量较大的电子，处于离核较远的能层中；而能量较小的电子，则处于离核较近的能层中。
人们还发现，电子总是先去占领那些能量最低的能层，只有能量低的能层占满了以后，才去占领能量较高的一层，等这一层占满了之后，才又去占领更高的一层。
第一层，也就是离核最近的一层，最多只能放得下2个电子；第二层最多能放8个电子；第三层最多放得下18个电子；第四层最多能放32个电子；……
现在已经发现的电子层共有7层。
不过，当人们对很多原子的电子层进行了研究以后发现，原子里的电子排布情况，还有一个规律，这就是：最外层里总不会超过8个电子。
当人们把研究原子结构，特别是研究原子核外电子排布的结果同元素周期表对照着加以考察的时候，发现这种电子的排布竟然和周期表有着内在的联系。
为了说明的简便，我们只拿周期表中的主族元素同它们的核外电子排布情形对照着看一看。先从横排——周期来看：
在第一周期中，氢原子的核外只有1个电子，这个电子处于能量最低的第一能层上。氦原子的核外有2个电子，都处于第一能层上。由于第一能层最多只能容纳2个电子，所以，到了氦第一能层就已经填满。第一周期也只有这2个元素。
在第二周期中，从锂到氖共有8个元素。它们的核外电子数从3增加到11。电子排布的情况是：除了第一能层都填满了2个电子而外，出现了一个新的能层——第二能层；并且从锂到氖依次在第二能层中有1~8个电子。到了氖第二能层填满，第二周期也恰好结束。
在第三周期中，同第二周期的情形相类似。除了第一、二两个能层全都填满了电子外，电子排布到第三能层上，并且从钠到氩依次增加1个电子。到了氩，第三周期完了，最外电子层也达到满员——8个电子。
再从竖行——族来看：
第一主族的7个元素——氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫的最外能层都只有1个电子，所不同的只是它们的核外电子数和电子分布的层数。氢的核外只有1个电子，当然也只能占据在第一能层上；锂有2个能层，并且在第2能层上有1个电子；钠有3个能层，并在第三能层上有1个电子；……钫有7个能层，并且在第七能层上有1个电子。
由于在化学反应中，原子核是不起任何变化的，一般的情况下，只是最外层电子起变化。第一主族由于最外层都只有一个电子，因而它们表现出相似的化学性质，这当然就是很自然的事情了。
完全类似，第二主族各元素的最外能层都有2个电子，第三主族各元素的最外能层都有3个电子。
当初，门捷列夫曾经在他自己编写的化学教科书《化学原理》中，用下面这句话来说明他发现的元素周期律：元素以及由它形成的单质和化合物的性质周期地随着它们的原子量而改变。
后来，由于物理学上一系列新的发现，人们对元素周期律得到了新的认识：元素以及由它形成的单质和化合物的性质周期地随着原子序数(核电荷数)而改变。
最后，在弄清了原子核外电子排布的规律以后，人们对元素周期律和元素周期表的认识就更加深入了。现在，人们可以从理论上来解释元素周期律了。原来，随着核电荷数的增加。核外电子数也在相应的增加；而随蓿核外电子数的增加，就会一层一层地重复出现相似的电子排布的过程。这就是元素性质随原子序数的增加而呈现周期性变化的原因。
如今，人们不仅知道一个元素所在的周期数就是它的核外电子排布的能层数，主族元素的族数就是它最外层的电子数，而且也能解释元素的化合价为什么也随着原子序数的增加而出现周期性的变化。就连为什么同一周期的各个元素，从左到右金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，为什么同一族的各个元素，从上到下金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱这一类的问题，也能够得到令人满意的解答了。
原子结构的知识像一把钥匙，打开了元素周期表里的秘密之锁，使它进入了电子时代。
