物理学革命及其影响.ppt

第五章第五章 物理学革物理学革 命及其影响命及其影响 物理学晴朗天空的两朵“乌云” 1887年，美国物理学家迈克尔孙和莫雷为了 寻找地球相对于静止的以太运动的“以太风 ”，进行了著名了以太漂移实验，但实验数 据却同经典物理学理论的语言完全相反。物 理学界大为震惊。 同时，有关气体比热的实验结果与能量均分 定理发生了尖锐的矛盾。 1900年4月27日英国物理学家凯尔文和汤姆孙 在英国皇家学会的演讲中称这两个问题为 以太漂移和黑体辐射现象 X射线、放射性、电子等 相对论量子力 学 主要内容 相对论 量子力学 现代化学理论的发展 相对论 u狭义相对论产生的历史背景 u狭义相对论的创立 u广义相对论的建立 以太运动的“以太风” 十九世纪后期，由于光的波动理论的确立， 科学家相信一种叫“以太”的连续介质充满 了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线 和电磁信号是“以太”中的波。 然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖 的结果不久就出现了：根据“以太”理论应 得出，光线传播速度相对于“以太”应是一 个定值，因此，如果你沿与光线传播相同的 方向行进，你所测量到的光速应比你在静止 时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线 传播相反的方向行进，你所测量到的光速应 比你在静止时测量到的光速高。但是，一系 列实验都没有找到造成光速差别的证据。 狭义相对论产生的历史背景 托马斯杨和菲涅尔的波动理论兴起 麦克斯韦的麦克斯韦方程组的C常数 光与电、磁场理论的统一研究 1876-1887年迈克尔孙和莫雷以太漂移实验 以太漂移实验的0结果？ 1889年，爱尔兰费茨基拉德提出物质长度烟 运动方向收缩假说。 1892年，荷兰洛伦兹的洛伦兹变换假说，满 足了麦氏方程，保全了经典力学的形式美。 20世纪初，彭加勒对时空问题和物质运动问 题，提出四维时空和强调运动的相对性。 狭义相对论的创立 狭义相对论基本原理 狭义相对论主要结论及其意义 马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。 马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关 。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空 无论依据什么经验也不能把握。 休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而 是按一定次序分布的可见的对象充满空间。 而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变 化而发现的。 1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验 实际上说明关于“以太”的整个概念是多余 的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念 是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间 测量也是随参照系不同而不同的。他用光速 不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立 了狭义相对论。 狭义相对论基本原理 狭义相对论适用于惯性参照系 狭义相对论的两条基础原理 （1）狭义相对性原理在所有的惯性系中物理定律 的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊 的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。 （从合理性上说） （2）光速不变原理在所有的惯性系里，真空中光 速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与 频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由 迈克尔逊-莫雷实验引出。） 狭义相对论运动学的核心洛仑兹变换 洛仑兹变换 讨论一个从t=0 x=0发出的光子在系和系（在t=0时系与 系重合，以后以V沿X轴方向运动。）中的情况，根据： v时空均匀性：x=(x+vt) v相对性原理：x=(x-vt) v光速不变原理：x=ct 洛仑兹变换统一了时空和运动，统一了高速世界和经典力学研 究的低速情况。 系系 x=(x+vt ) y=y z=z t=(t+vx /c2) 系系 x=(x - vt) y=y z=z t=(t- vx/c2) 狭义相对论时空观 同时的相对性：由t=(t+vx/c2)， t=0时，一般t0。称x/c2为同时性因子。 运动的钟变慢：由t=(t+vx/c2)，因 运动的钟在自己的参照系中x=0，则 t=tt。 运动的长度缩短：由x=x/+vt，因测量 运动的长度时必须t=0，则x=x/= x x。常称 为收缩因子， 为膨胀因子。 狭义相对论力学 相对论质量 m=m0 竟然速度增加（增加）质量也要增 加。 相对论质能关系 粒子的总能量为：E=mc2 粒子的静止能量为：E0=m0c2 粒子的动能为：EK=mc2 m0c2= 可见粒子的动能不等于经典的形式，但当Vc时， EKmV2/2 相对论力学方程 相对论力学方程 在经典物理中牛顿定律常把它写成 ，现代物理证明这只在低速情况下近似成立 ，普遍的形式是 。 实际上这是力的定义式。力是物体整体运动 状态变化的原因，用P来表示状态参量要比用 V周全，因为V仅仅表示了物体相对运动因素 ，而P=mv表示了物体整体作相对运动时运动 的完整数量。 狭义相对论主要结论及其意义 物体在运动方向上收缩 在K系中长度L,静止长度L。 运动的时钟延缓 四维时空 单纯从空间和时间间隔角度看，分别由“尺缩”， “钟慢”效应，但把时间和空间作为一个统一体考 虑，其间隔是绝对不变的。 速度变换公式 当u=c时候，u=1,反映了光速不变性原理。 当uc,vc时候，成了经典力学叠加公式u=u+v 质量守恒，能量守恒=智能关系E=mc2 狭义相对论不仅改变了经典物理学中有关质 量和能量的传统看法，而且为人们今天利用 原子能提供了理论依据。 广义相对论的建立 1、广义相对论基本原理：广义协变原理 2、等效原理： 在1、2、基础上，借助了黎曼几何，爱因斯坦在 1916年建立了广义相对论的理论大厦，进一步揭示 了时间，空间的根本属性及其物质分布，物质运动 之间内在的深刻联系。 引力场是物质产生的，引力场以外的一切物质。 根据广义相对论观点，“引力”不过是时空弯曲的 效应。 例：1919年，观察到日全食时候，经过太阳的星光 传播方向发生偏转。 第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱 丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队， 去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的 预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西 的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班 牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测 结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学 家和公众。 量子力学 u量子力学产生的历史背景 u量子力学的建立 u量子力学的若干概念及其意义 “量子”一词意指“一个量”或“一个离散 的量”。在日常生活范围里，我们已经习惯 于这样的概念，即：一个物体的性质，如它 的大小、重量、颜色、温度、表面积以及运 动，全都可以从一物体到另一物体以连续的 方式变化着。例如，在各种形状、大小与颜 色的苹果之间并无显著的等级。 然而，在原子范围内，事情是极不相同的。 原子粒子的性质，如它们的运动、能量和自 旋，并不总是显示出类似的连续变化，而是 可以相差一些离散的量。经典牛顿力学的一 个假设是：物质的性质是可以连续变化的。 当物理学家们发现这个观念在原子范围内失 效时，他们不得不设计一种全新的力学体系 量子力学，以说明标志物质的原子特征 的团粒性。 量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理 学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚 态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性 质的基础理论，它与相对论一起构成了现代 物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物 理学的基础理论之一，而且在化学等有关学 科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的 。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯 坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 主要应用 原子能技术开发 激光技术 大规模集成电路 量子力学产生 黑体辐射实验 量子力学的建立 瑞利金斯定律 1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电 磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子 )实现的，能量子的大小同辐射频率成正比， 比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐 射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现 象。 光电效应的光子解释 1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念 ，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率 和波长的关系，成功地解释了光电效应。其 后，他又提出固体的振动能量也是量子化的 ，从而解释了低温下固体比热问题。 康普顿（18921962）从1918年起从事X射线 散射实验，令人信服地证明光子不仅有能量 而且有动量，并且光子与微观粒子的作用服 从能量守恒和动量定律。 原子的量子性发现 1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础 上建立起原子的量子理论。按照这个理论， 原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原 子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“ 定态”，而且原子只有从一个定态到另一个 定态，才能吸收或辐射能量。 这个公式很好地解释了氢原子光谱。然而这个理论 虽然有许多成功之处，但它只能用于氢原子，对于 带两个电子的普通的氦原子却困难重重。 物质的波粒二象性 在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为 了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学 家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性 的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一 样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质 ，即既具有粒子性也具有波动性。他提出了物质波 理论，预言电子波的衍射，这一假说不久就为实验 所证实。获1929年诺贝尔物理学奖。1927年戴维孙 和汤姆逊发现了晶体对电子的衍射和电子照射晶体 的干涉现象，证实了德布罗意的预言，他们因此获 1937年诺贝尔物理学奖。 量子力学体系建立 由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所 遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规 律，因此需要建立一套新的力学体系。旧量 子论对经典物理理论加以某种人为的修正或 附加条件以便解释微观领域中的一些现象。 由于旧量子论不能令人满意，人们在寻找微 观领域的规律时，从两条不同的道路建立了 量子力学。 薛定谔 1925年，物理学家薛定谔把德布罗意的理论 大大向前推进，建立了量子力学的波动力学 体系，加深了对微观客体的波粒二象性的理 解，为数学上解决原子物理学、核物理学、 固体物理学和分子物理学问题提供了一种有 力的理论工具。他于1933年获诺贝尔物理学 奖。 波动力学与经典力学的差别首先表现在对粒 子的状态和力学量的描述及其变化规律上。 薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映 这一认识，在量子力学中，粒子的状态用波 函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了 描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需 要找出波函数所满足的运动方程。这个方程 是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定 谔方程。 海森伯 1925年，海森伯（1932年获诺贝尔物理学奖 ）海森堡基于物理理论只处理可观察量的认 识，抛弃了玻尔的电子轨道概念及其有关的 古典运动学的量，而代之以可观察到的辐射 频率和强度这些光学量，并充分利用了数学 家创造出的先进的数学工具矩阵论，和玻 恩、约尔丹一起创建了另一种量子力学 矩阵力学。 玻恩 其后不久薛定谔还证明了波动力学和矩阵力 学的数学等价性；同时的玻恩（1954年获诺 贝尔物理学奖）也做了大量工作，解释了波 函数的意义。 狄拉克 1925年，狄拉克使用了一种比矩阵更为方便 和普适的数学工具，轻而易举地把这个能用 极其简单的形式描述古典力学的基本方程改 造成为量子力学方程。 泡利 1929年泡利不相容原理 他们所提出的量子力学新思想与波动力学相 结合，建立起了完整的量子力学的理论体系 。它们成功地揭示了微观世界的基本规律， 极大地加速了原子物理学和固态物理学的发 展，为核物理学和（基本）粒子物理学准备 了理论基础；而且通过化学键理论，为众多 化学规律提供了物理理论基础；同时，对分 子生物学的产生也产生启迪作用，使生物学 逐步出现新的面貌。因此，量子力学可以说 是20世纪最迷人的科学理论。 当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如 坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确 定的数值，而具有一系列可能值，每个可能 值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确 定时，力学量具有某一可能值的几率也就完 全确定。这就是1927年，海森伯得出的测不 准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子 力学给出了进一步的阐释。 量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论 量子力学。经狄拉克、海森伯和泡利等人的 工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以 后形成了描述各种粒子场的量子化理论 量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理 论基础。 量子力学的若干概念及其意义 量子力学的基本原理包括量子态的概念，运 动方程、理论概念和观测物理量之间的对应 规则和物理原理。 波函数 在量子力学中，一个物理体系的状态由波函数表示 ，波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能 状态。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程， 该方程预言体系的行为，物理量由满足一定条件的 、代表某种运算的算符表示；测量处于某一状态的 物理体系的某一物理量的操作，对应于代表该量的 算符对其波函数的作用；测量的可能取值由该算符 的本征方程决定，测量的期待值由一个包含该算符 的积分方程计算。 波函数的平方代表作为其变数的物理量出现的几率 。根据这些基本原理并附以其他必要的假设，量子 力学可以解释原子和亚原子的各种现象。 因果性和物理实在问题 关于量子力学的解释涉及许多哲学问题，其 核心是因果性和物理实在问题。按动力学意 义上的因果律说，量子力学的运动方程也是 因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知 道时，可以根据运动方程预言它的未来和过 去任意时刻的状态。 但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质 点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不 同的。在经典物理学理论中，对一个体系的 测量不会改变它的状态，它只有一种变化， 并按运动方程演进。因此，运动方程对决定 体系状态的力学量可以作出确定的预言。 体系的状态 在量子力学中，体系的状态有两种变化，一 种是体系的状态按运动方程演进，这是可逆 的变化；另一种是测量改变体系状态的不可 逆变化。因此，量子力学对决定状态的物理 量不能给出确定的预言，只能给出物理量取 值的几率。在这个意义上，经典物理学因果 律在微观领域失效了。 几率因果性（统计因果关系） 据此，一些物理学家和哲学家断言量子力学 摈弃因果性，而另一些物理学家和哲学家则 认为量子力学因果律反映的是一种新型的因 果性几率因果性。量子力学中代表量子 态的波函数是在整个空间定义的，态的任何 变化是同时在整个空间实现的。 量子力学用量子态的概念表征微观体系状态 ，深化了人们对物理实在的理解。微观体系 的性质总是在它们与其他体系，特别是观察 仪器的相互作用中表现出来。 人们对观察结果用经典物理学语言描述时， 发现微观体系在不同的条件下，或主要表现 为波动图象，或主要表现为粒子行为。而量 子态的概念所表达的，则是微观体系与仪器 相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性 。 量子力学表明，微观物理实在既不是波也不 是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分 解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在 这里只有显态才符合经典物理学实在的含义 。 微观体系的实在性还表现在它的不可分离性 上。量子力学把研究对象及其所处的环境看 作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分 离的、独立的部分组成的。关于远隔粒子关 联实验的结论，也定量地支持了量子态不可 分离性的观点。 玻尔-爱因斯坦之争 玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得 现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他 也不是一个好的物理学家。 爱因斯坦对量子力学持批判态度：深信上帝不是在 掷筛子。 科学史上，持续数十年的“玻尔-爱因斯坦之争” 如果把机遇当作支配世界的终极规律，将无 法满足所有人对世界的理解和解释欲。 这种哲学上的不满意，导致许多人对量子力 学的哥本哈根解释提出批评。 “ “在目前业已基本在目前业已基本建成建成的科学大厦中，物理学家似乎的科学大厦中，物理学家似乎 只要做一些零碎的只要做一些零碎的修补修补工作就行了；然而，在物理学工作就行了；然而，在物理学 晴朗晴朗天空的远处，还飘着两朵令人天空的远处，还飘着两朵令人不安不安的的愁云愁云。” ” 1919世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影，19001900 年年4 4月月2727日于不列颠皇家科学院日于不列颠皇家科学院 寻找寻找“ “以太以太” ”的的 失败失败 经典能量均分经典能量均分 定理的失败定理的失败 “ “山雨欲来风满楼山雨欲来风满楼” ” 相对论相对论 量子论量子论 Kelvin, W. Kelvin, W. Thomson Thomson (1824-1907)(1824-1907) 2020世纪物理学革命的进军号角世纪物理学革命的进军号角 科学巨匠 2020世纪初物理学的革命：世纪初物理学的革命： 经典物理经典物理基于基于宏观宏观物质和物质和低速低速运动物理经验而建立的运动物理经验而建立的 概念和理论体系概念和理论体系 高速高速相对论相对论 A. Einstein A. Einstein (1878-1955)(1878-1955) H. H. LorentzLorentz (1853-1928)(1853-1928) H. H. PoincarPoincar (1854-1912)(1854-1912) 时空观革命时空观革命绝对绝对相对相对 H. H. MinkowskiMinkowski (1864-1909)(1864-1909) 微观微观量子论量子论因果律革命因果律革命决定决定统计统计 The Nobel Prize in Physics 1918The Nobel Prize in Physics 1918 in recognition of the services he rendered to the in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of advancement of Physics by his discovery of energy quantaenergy quanta M. Planck M. Planck (1858-1947)(1858-1947) The Nobel Prize in Physics 1921The Nobel Prize in Physics 1921 for his services to Theoretical Physics, and for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the especially for his discovery of the law of the photoelectric effectphotoelectric effect A. Einstein A. Einstein (1878-1955)(1878-1955) The Nobel Prize in Physics 1922The Nobel Prize in Physics 1922 for his services in the investigation of for his services in the investigation of the the structure of atomsstructure of atoms and of the and of the radiation emanatingradiation emanating from them from them N. Bohr N. Bohr (1885-(1885- 1962)1962) for his discovery of the for his discovery of the wave nature of wave nature of electronselectrons The Nobel Prize in Physics 1929The Nobel Prize in Physics 1929 L. de L. de BroglieBroglie (1892-1987)(1892-1987) The Nobel Prize in Physics 1932The Nobel Prize in Physics 1932 for the creation of for the creation of quantum mechanicsquantum mechanics, the , the application of which has, inter application of which has, inter aliaalia, led to , led to the discovery of the allotropic forms of the discovery of the allotropic forms of hydrogenhydrogen W. Heisenberg W. Heisenberg (1901-1976)(1901-1976) The Nobel Prize in Physics 1933The Nobel Prize in Physics 1933 for the discovery of for the discovery of new new productive forms of atomic theoryproductive forms of atomic theory E. SchrE. Schrdinger dinger (1887-1961)(1887-1961) P. P. DiracDirac (1902-(1902- 1984)1984) The Nobel Prize in Physics 1945The Nobel Prize in Physics 1945 for the discovery of the for the discovery of the Exclusion Exclusion PrinciplePrinciple, also called the , also called the PauliPauli PrinciplePrinciple W. W. PauliPauli (1900-1958)(1900-1958) The Nobel Prize in Physics 1954 The Nobel Prize in Physics 1954 (shared with W. (shared with W. BotheBothe) ) for his fundamental research in for his fundamental research in quantum mechanics, especially for hisquantum mechanics, especially for his statistical interpretation of the statistical interpretation of the wavefunctionwavefunction M. Born M. Born (1882-1970)(1882-1970) “ “在本世纪初，发生了三次概念上的革命，它们在本世纪初，发生了三次概念上的革命，它们 深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是 狭义相对论狭义相对论（19051905年）、年）、广义相对论广义相对论（19161916年年 ）和）和量子力学量子力学（19251925年）。年）。” ” 爱因斯坦对爱因斯坦对 理论物理学的影响理论物理学的影响，19791979年年 近代物理近代物理以以相对论相对论与与量子论量子论为理论基础的为理论基础的 2020世纪物理学世纪物理学 现代科学技术的理论基础现代科学技术的理论基础 杨振宁杨振宁 (1922-)(1922-) 材料科学材料科学电子技术电子技术 在哲学上，量子力学不但揭示了波粒二象性 是自然界的基本矛盾，为对立统一规律提供 了新的证明，而且进一步揭示了连续性与间 断性，偶然性与必然性，决定论与因果律之 间的辩证关系，宣告了机械论自然观的破产 ，为辩证唯物主义的自然观提供了科学证明 。 现代化学理论的发展 l元素周期理论的新发展 l现代化学键理论 化学是在原子和分子的水平上，主要是在分 子水平上研究物质是组成结构和性能及其变 化。来源于炼金术和化学工艺，始于17世纪 英国玻意耳。在化学史的发展过程中，有过 几次重大的突破，现分述如下。 第一次是1808年英国化学家道尔顿提出原子学说 合理地解释了当时的一些化学现象和规律。进确地 阐明了化学变化是原子间的化合与分解从此结束 了化学的神秘性。 它将揭示物质的性质和结构之间的本质联系，为研 制新材料，探索新能减研究生命现象，模拟生命体 内的化学变化等各方面提供充实的理论依据。美国 杰出的化学家两次获得诺贝尔奖的鲍林指出：“化 学键理论是化学家手中的金钥匙” 不同元素代表不同原子；分子是由原子在空 间按一定方式或结构结合而成的；分子的结 构直接决定其性能；分子进一步聚集成物体 。 第二次是1869年俄国化学家门捷列夫在总结 前人经验的基础上，找到了物质之间相互变 化的内在联系和规律，发现了著名的化学元 素周期律，从而预示新元素的发现，指导化 学理论和实验等研究工作的进展。 第三次大突破是化学键理论的研究。1916年 德国化学家柯赛尔和美国化学家路易斯创立 了经典的电价理论和共价理论从1927年量 子力学应用于化学开始化学健理论发展很 快，已建立起比较完整的体系，成为化学的 重要基础理论现代化学健理论。 元素周期理论的新发展 电价根据量子力学，描述原子中电子的运动 状态需要有四个量子数，ml,ms,其中 为主量子数，它决定着电子的能量大小； 为轨道量子数，它决定着电子绕核运动的轨 道角动量的大小；ml磁量子数，决定着轨道 角动量在外磁场方向上的分量；则是自旋量 子数，决定电子自旋角动量在外磁场方向上 的分量。 其次，多电子原子中电子的分布满足如下的规律 ： 1、 多电子原子中电子的分布是分层次的，叫 电子壳层。每个壳层由主量子数来区分， =1的壳层叫K壳层，=2的壳层叫L壳层，依次 有M、N、O、P、Q壳层，共7个壳层。 2、在每个壳层上，由于能量不同，又可以细 分为几个不同的亚层，通常用、 等表示，其实实质乃是轨道量子数的不 同，如对应于=0，对应于=1等。而 总的来说，若主量子数为，轨道量子数 的取值范围为=0，1，2，（-1）。 3、电子分布的每个亚层又可再细分为几个不 同的轨道，其标志为ml电子的磁量子数ml，而 每个轨道上还能容纳两个自旋方向相反的电 子，其标志为自旋量子数ms。 4、 电子在原子中的分布还遵从下列两个原 理：泡利不相容原理，即在一个原子中不 可能有两个或两个以上的电子有完全相同的 运动状态，也就是说，任何两个电子不可能 有完全相同的一组量子数（，ml,ms） ； 能量最小原理，即在原子系统内，每个电子总是 趋向于占有最低的能级；如果有个相同的轨道， 则电子在成对前分别平行填充各轨道，例如有3个 轨道，有3个电子，它们的排布情形将是 ，而不是 。当原子中每个电子的能量 最小时，整个原子的能量最小，此时原子处于稳定 状态，称基态。根据两个原理，每个主壳层上允许 容纳的电子数、最多为Zn=2n2,其中为量子数，如 =2的L壳层上最多容纳电子为8个。同时又知道， 每种原子的最外层最多排布8个电子，次外层最多能 排布18个电子。外数第三层最多能排布32个电子。 依据上述电子在原子核外的排布规律，人们 才揭示出元素周期律的深层本质： 元素在周期表中的位置，或者说元素的性质 和周期性变化是由原子的电子壳层结构的周 期性变化决定的而原子核外电子的总数等于 原子核内的质子数或电荷数，即等于原子序 数。 元素在周期表中的周期数，等于该元素的原 子的核外电子的壳层数，即主量子数nmax； 而它所处的族，则由最外层电子的个数所决 定，同一周期中的元素，从左到右，电子的 数目由1变化到8，