《世界存在的本质 04》

氢元素是宇宙中众多种元素中最简单的一个。一定数目的核子，质子和中子，通过强相互作用力结合在一起，再以库伦力吸引同电量的电子就形成一种元素的电中性原子。有了薜定谔理论给出的电子态，我们就可以知道任何一个元素原子的电子结构。我们先定义同一个主量子数上的电子态为电子层，同一个角量子数的电子态为电子亚层。磁量子数决定的波函数（电子云）称为轨道。泡利不相容原理指出，两个或更多的同一类费米子，比如电子，不能处于相同的量子态。所以，同一个轨道上最多只能有两个电子。它们必须有相反的自旋，以保证处于不同的量子态。这样我们就可以将电子从低能级的电子态往高能级填充。多电子原子的粒子作用和能量关系肯定与单电子的氢原子不同。但是，还是有规律可循。通常越靠近原子核的轨道能量越低，因为其它电子产生的电屏蔽效应越小。马德隆定则说能级排序按主量子数和角量子数的总和。总和越小，能级越低。对于同样总和的轨道，主量子数越小，能级越低。又因为自旋-轨道耦合，电子会先选择分布填充同一电子亚层里不同的轨道，而且自旋保持一致，然后才去填充同一个轨道，自旋相反。这就是洪德定则。有了这三个原则的指导，除了几个反例，我们就能完成元素的电子构造。元素的电性和磁性，化学性和物理性也就确定下来。

元素也可以按原子电子结构分类。在化学元素周期表中间的过渡金属元素的化学性质和电性类似，因为大多是都有最外层的同样的4s电子数。但是靠里层的3d电子数很不同。d电子具有较强的轨道磁矩。所以过渡金属有很不一样的磁性质。对于元素周期表里最右列的元素，原子可能有的电子层或者电子亚层的所有轨道正好由电子填满。所以，这些元素的电性和化学活性很低。在足够的温度范围里，这些元素原子之间的作用力很低，保持气体状态。与其说是惰性气体，还是不如说是理想气体。它们是圆满，理想，自由的元素。惰性元素前一位的卤族元素之间的原子性质类似，都存在获得一个电子的趋势，以实现满电子层。而惰性元素后一位的碱金属元素更愿意失去掉一个电子。卤族和碱金属两族元素之间的化学性迥然不同。

自然界存在的元素有限，共九十四种。以后我们可以讨论这些元素的起源。其它的元素来自人工合成。通常都极不稳定。原子核极小，半径大约是原子半径的千分之一。如果原子比作一个足球场时，原子核就像球场中央的一个网球。在这么小的空间里，质子之间的强大库伦斥力由质子和中子之间的核力平衡。但是核力是短程力，只在原子核的尺度里有效。当原子序数增加时，质子数增加，也就需要增加中子数目。当原子核的大小超过核子核力的效力范围时，原子核就会分裂。原子核这样的多粒子体系也可能同样存在壳层结构。具体情况可能会复杂得多。

--写于2022年7月16日（图片来自网络）