第5章 核内质子排列规律决定核外电子排列规律.doc

核内质子排列规律决定核外电子排列规律一、原子核外电子排布的原理 处于稳定状态的原子，核外电子将尽可能地按能量最低原理排布，另外，由于电子不可能都挤在一起，它们还要遵守泡利不相容原理和洪特规则，一般而言，在这三条规则的指导下，可以推导出元素原子的核外电子排布情况，在中学阶段要求的前36号元素里，没有例外的情况发生。 1最低能量原理 电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢？比方说，我们站在地面上，不会觉得有什么危险；如果我们站在20层楼的顶上，再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高，物体总有从高处往低处的一种趋势，就像自由落体一样，我们从来没有见过物体会自动从地面上升到空中，物体要从地面到空中，必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质，也具有同样的性质，即它在一般情况下总想处于一种较为安全（或稳定）的一种状态（基态），也就是能量最低时的状态。当有外加作用时，电子也是可以吸收能量到能量较高的状态（激发态），但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f、g的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、4d 2泡利不相容原理 我们已经知道，一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是泡利不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯，每个人相当于一个电子，每一个电梯相当于一个轨道，假设电梯足够小，每一个电梯最多只能同时供两个人乘坐，而且乘坐时必须一个人头朝上，另一个人倒立着（为了充分利用空间）。根据泡利不相容原理，我们得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。我们还得知：第一电子层（K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M层）中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子第n层总共可以容纳2n2个电子。 3洪特规则 从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层，当电子排布处于 全满（s2、p6、d10、f14） 半满（s1、p3、d5、f7） 全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。这类似于我们坐电梯的情况中，要么电梯是空的，要么电梯里都有一个人，要么电梯里都挤满了两个人，大家都觉得比较均等，谁也不抱怨谁；如果有的电梯里挤满了两个人，而有的电梯里只有一个人，或有的电梯里有一个人，而有的电梯里没有人，则必然有人产生抱怨情绪，我们称之为不稳定状态。 4、核外电子排布的方法 对于某元素原子的核外电子排布情况，先确定该原子的核外电子数（即原子序数、质子数、核电荷数），如24号元素铬，其原子核外总共有24个电子，然后将这24个电子从能量最低的1s亚层依次往能量较高的亚层上排布，只有前面的亚层填满后，才去填充后面的亚层，每一个亚层上最多能够排布的电子数为：s亚层2个，p亚层6个，d亚层10个，f亚层14个。最外层电子到底怎样排布，还要参考洪特规则，如24号元素铬的24个核外电子依次排列为 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 根据洪特规则，d亚层处于半充满时较为稳定，故其排布式应为： 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 最后，按照人们的习惯“每一个电子层不分隔开来”，改写成 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 用洪特规则可以解释为什么Cr原子的外层电子排布为3d54s1而不是3d44s2，Cu原子的外层电子排布为3d104s1而不是3d94s2。核外电子排布的原理是从大量事实中概括出来的一般规律，绝大多数原子核外电子的实际排布与这些原理是一致的。但是随着原子序数的增大，核外电子排布变得复杂，用核外电子排布的原理不能满意地解释某些实验的事实。在学习中，我们首先应该尊重事实，不要拿原理去适应事实。也不能因为原理不完善而全盘否定原理。科学的任务是承认矛盾，不断地发展这些原理，使之更加趋于完善。5、有许多老的问题，在得到答案的同时就得了了新的理论。1、是什么因素由谁决定了“核外电子有强列的排列规律”？决定电子排列规律的是电子本身性质，还是核内质子中子？2、电子高速自旋：是以电子自身一点在自旋，还是以一个小半径在旋转？为什么要自旋？自旋线速度是多少？谁决定电子的自旋？3、电子的高速自旋正是现在宇宙产生的原因。也许根本就没人相信：宇宙的来源就是这么简单？4、同一轨道上的两个电子自旋方向真的是不相同还是观察时使用照物发生变化而出现了错误结论？二、原始态的N宇宙首先申明：组成宏观宇宙的三种粒子是中子质子电子，本文只研究这三种，不研究太小的不能直接组成物质的粒子，也不研究中子质子由什么东东组成。全世界在没有搞清楚中子质子电子结合性质，没搞清楚核结构和核力性质，就去研究质子中子由什么组成是完全在浪费全球实验资源，根本没的必要。也不要去相信科学家，90%以上的科学家只是书本知识丰富而已。1、质子不自旋时电子运动状态宇宙产生于奇点，还是产生于一个金蛋，这些不重要。但宏观物质中质子产生于中子这是必须的。所以我们认为原始宇宙要么是由冷纯中子组成，要么某一瞬间原始宇宙由冷纯中子组成。原始温度一定是个极限温度，感谢许多科学家为我们找到了一个极限温度绝对零度（0K）。原始宇宙也一样被死亡的最后阶段的星系冷核塌缩碰撞。绝对零度的中子被外界最后塌缩星系碰撞，许许多多的中子被碰分裂出许多质子和电子，绝对零度的质子不会自旋，分裂出的电子由质子决定运动状态，质子不自旋不作圆周旋转，电子也一样不会自旋不用圆周旋转。如果质子不自旋，根本没有任何力量阻止电子回规质子。冷电子的结果也只能与质子中和，变成新的冷中子。只要温度不上升，原始宇宙永远这样寂寞。由此可看出温度是决定质子自旋的根本动力，而质子是决定电子运动状态的根本原因。下面推论：当N宇宙产生时更能证明温度是质子的生命。温度是决定质子自旋的根本动力。温度是决定质子自旋的根本动力，可以由热力学原理反推：温度越低物质运动越慢，当温度接近绝对零度时，物质原子不再作运动，原子核也不再作太大的转动。科学家得出绝对零度是不能达到的，绝对零度真的不能达到吗？如果绝对零度存在，原子核中重要粒子质子运动状态会怎么样？如果存在这个极限：绝对零度存在，质子运动状态一定达到一个极限静止不动。一但质子不再自旋，电子不再受任何力量支持运动状态，也只好与质子中和，成为一个冷中子。要证实这个理论也不是不可能：太阳系中，天王星是太阳系内温度低的行星，最低的温度只有49K(-224)，海海星比原来想像的更亮、更冷和更小，表面温度为-240，冥王星的表面温度知道很不很清楚，科学家认为大概在35到45K（-238到-228）之间。我认为如果按天天星到海王星下降了16计算，则冥王星的表面温度应该在-256以下。那么，如果冥王星（或柯伊伯带行星）外还有星球，若也按下降了16计算，那它温度应在-273左右了。科学家真的有能力，他们发现冥王星运动状态受到外围A行星影响，而到现在为止科学家并汉有发现A行星。按温度下降来看A行星已经到达了绝对零度，也就是说A行星就是变成了一块大的冷中子球。按发现一般行星的方法，科学家永远发现不了它的形状，若知道冷中子性质，科学家也许能感知到它的存在。科学家发现宇宙中有许多暗物质，那这些冷中子块就是暗物质的根本来源。大的星系暴发时物质分布还是较均匀的，星系与星系间不可能是真空的，之间的物质在绝对零度时会是什么状态？冷中子块就是其间的暗物质。如果将研究中子质子的组成所用的资金，用来制造两只飞船，一只能自行发热保持体温，一只不发热，一同发向太阳的外围，若有一天一只能发回信息，一只不能发回信息而失终。所有的问题就解决了。去证明吧：温度是决定质子自旋的根本动力。（也许原始宇宙本身因压力大而具有一定高温，这个环境相当于常压下的绝对零度的环境范围，整个研究都是以这种基态为原则进行研究的。以下也一样。）而质子是决定电子运动状态的根本原因。科学家还真有能力，他们发现质子上正电荷分布在一个很小的范围内，（霍夫施塔特早年用快电子打击质子中子实验时发现：质子的电荷分布在一个小范围内，而中子在这小范围的正电荷外围分布着小圈负电荷。这些“小范围”与整个质子中子体积比较相当于一个小小的点。）电子与它中和时也正是这小地方的中心。这个小范围的正电荷正是控制核外电子的中心。当质子静止不动不自旋时，分裂到外的电子只受正负电荷间的库仑引力作用，再没有其它任何力量阻止它返回质子上的正电荷区，此时只有中和现象发生。两者间什么时候有斥力出现，什么时候就产生了宏观宇宙。2、质子无规律非光速转动时，电子运动状态原始宇宙继续被死亡后的星系冷核塌缩碰撞，假设这时温度上升了万分之一开，中子撞裂的质子有了一些运动状态非光速转动，撞出的电子受库仑力作用也随那点正电荷非光速转动，正电荷随质子转动时产生一点点与电子的斥力，这个斥力还不能阻止电子再次与质子中和。原始宇宙还是一样冷悽。三、N宇宙的在一次偶然中产生1、质子上正电荷绕质子半径光速自旋，电子运动状态。原始宇宙继续被死亡后的星系冷核塌缩碰撞，新的一页开始了，温度极速上升，质子高速旋转，分裂出的电子受质子正电荷控制高速旋转，并不断的中和又分裂。终于有了一次偶然的机会：质子上正电荷那一点以质子半径为半径绕主轴线速度为光速高速旋转质子自旋产生了。新的宇宙就从这点开始了。科学家没有发现这个质子的产生，但科学家们确能计算出这个质子这样自旋产生的一个特殊的力量，（他们没算过，但能算出），对相邻质子或外围电子而言这个力的名字叫安培力，是磁场对外围运动电荷产生的力的作用。质子正电荷绕半径光速自旋产生一个电流环，电流环产生一个强磁场，组成质子中子的物质是易磁化物质，使这个磁场强度加强4倍左右，这个强磁场对外围电流或相邻电流环有强力的作用，就叫安培力。这里有个比偶然还要奇特的的事件发生了：这个安培力对相邻同向自旋的质子（同时质子间库仑斥力共同作用下距离在13倍质子直径内表现为引力）是吸引力作用，而对受质子上正电荷控制的相同方向自旋的电子正好是斥力作用。宏观宇宙就在这奇妙中产生了。还有必要具体计算么？没有必要了，知道半径、速度、电荷大小，中国4亿大学生人人都能计算了，小儿科麻。电子运动状态怎样？电子受质子正电荷控制，其运动状态与质子上正电荷点运动状态完全一样，但要自由得多。电子受正电荷控制绕一点（不在电子上的点）光速旋转，旋转半径为质子半径；这就是电子的“自旋”，并不是以自身为点真正的自旋。所以，这里特别更证：电子的自旋是以质子半径为半径以光速为线速度的高速旋转。如果只有一个质子和一个电子，且处于基态，可以看到电子与质子正好在同一轴上同向自旋。质子产生的强磁对同向自旋的电子电流环是个强力的斥力作用。当电子靠近质子时这个斥力迅速变大，大大大于与正电荷的库仑引力而并排斥开。当电子远离质子时，这个斥力迅速减小，质子电子间库仑引力起主要作用，电子又被吸引。再考虑作用其它运动所需的向心力，电子终将在一定位置与质子间力达到均衡。宏观物质由此产生。小儿科的计算就不算了，这个距离大约为10-10米左右。如图5-1受控电子为什么只能以光速与质子同轴自旋？质子上正电荷光速自旋，电子要受控制只能以光速相跟上；如果电子大于质子半径要跟上质子正电荷，那电子就必须以大于光速跟上质子自旋，光速是个极限，大于光速是不可能的，电子也就只能回规质子半径。如果电子自旋半径小于质子半径，电子可以小于光速自旋，电子就有更多能力跟上正电荷，有能力跟上就有能力扩大自旋半径，从而回规到质子半径自旋。所以受控电子只能与质子同轴同半径光速自旋。如图5-2：这个结构使中子大小为10-15数量级变为原子10-10数量级，高压下产生许多重原子和许多超重中子的原子，质子磁场分主轴分枝叉贯穿整个原始宇宙，整个原始宇宙四分五裂，分裂出特大的中子块夹着质子，极快的速度曝胀，在几十秒内膨胀了几千倍，那么，那就是科学家得到的：宇宙背景辐射同温的问题就得到解决。各个大块自成体系这就是现在的各星系团。2、同一轨道上两个电子运动状态所有电子质子中子都最先出现在质子磁场的北极N极出现，也许是第一个电子首先出现在N极的原因吧。所以我把这个宇宙叫做N宇宙。氢原子中质子在N极控制了一个电子如图5-3中的A处，同时在B处也可以控制一个电子，这时氢原子变成了氢负离子如图。受控制的两个电子都只能与质子同轴同半径自旋。但是，“泡利不相容原理：在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在”，这就是泡利不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。”是我的理论与泡利不相容原理矛盾了吗？不是。如图5-3可看出三个粒子同轴自旋，当眼观位置在A处时，A电子正好逆时针方向自旋。眼观点是不变的，原子是高速圆周旋转的，当B电子转到眼观处时，B电子正好是顺时针方向自旋。同一轨道的两个电子正好正逆时针自旋。一定要理解泡利不相容原理它没有错，它是在实验多次观察发现的知识，人们没办法控制原子核不动，也不能高速改变眼观点。而我现在是在把核固定好来观察的。除了同轴自旋能产生让电子质子相互排斥的力之外，再也找不到任何力使电子质子相互排斥了。这就是现今N宇宙的来源，也只能这样产生了。第一个质子出现后，它的强磁使周围中子磁化，更多的中子在高温强磁下迅速分裂更多的电子变为质子，靠太近的相邻质子迅速排斥，被辐射而出。沿着许多磁轴迅速发生同样的连锁反应，质子连着中子大块大块的被爆射到空中，一个小小的时间里，原始宇宙四分五裂土崩瓦解，一直到现今宇宙，这个N宇宙可能进行了五分之二的时间。N宇宙的终结：将有三分之一被S宇宙吸引，有三分之二会回归到原始状态。在这个过程中：星系爆发死亡、再爆发再死亡最后越来越小越来越冷，走到最后变为个个冷中子块。3、半满全满亚层结构与核的三角四面体形状的关系原子核内质子的具体排列结构是怎样的？还是得从核外电子排列说起。能量最低原理 自然界一个普遍的规律是“能量越低越稳定”。原子中的电子也是如此。根据以上原则，电子在原子轨道中填充排布的顺序为1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d。”“洪特原理 在能量相等的轨道上，自旋平行的电子数目最多时，原子的能量最低。所以在能量相等的轨道上，电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道”“由保里不相容原理得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。第一电子层（K层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第三电子层（M层） 中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子第n层总共可以容纳2n2个电子。”核内质子的排列决定电子排列规律，质子也原用类似的规律，我们用大写字母表示质子的亚层结构，则会出现能量最低原理：质子在原子核轨道中填充排布的顺序为1S 2S 2P 3S 3P 4S 3D 4P 5S 4D5P 6S 4F 5D 6P 7S 5F 6D。”洪特原理：在能量相等的轨道上，自旋平行的质子数目最多时，原子核的能量最低。所以在能量相等的轨道上，质子尽可能自旋平行地多占不同的轨道，也就是半满、全满、全空状态。保里不相容原理：S亚层只有1个轨道，可以容纳两个同轴自旋的质子；P亚层有3个轨道，总共可以容纳6个质子；D亚层有5个轨道，总共可以容纳10个质子；F亚层有7个轨道，总共可以容纳14个质子。第一质子层（K层）中只有1S亚层，最多容纳两个质子；第二质子层（L层）中包括2S和2P两个亚层，总共可以容纳8个质子；第三质子层（M层） 中包括3S、3P、3D三个亚层，总共可以容纳18个质子第n层总共可以容纳2n2个质子。按以上排列的质子又是如何组成核结构的呢？大自然给与我们太多的提示：你看看周边的大树，它们在主干上先分出三支小节，第二层分出的小节上又分出4-5节小节，第三层最外小节上分出6-7支小节，而顶层总是2-3支小节或一支小主干。原子核结构与大树结构类似，我就叫它：大树形接触式原子核结构。因此，所有S亚层质子都排列在主干轴上，1S亚层以单中子结构组成，其余S亚层以双中子结构组成；在2S亚层旁边分出三支2P亚层，且以单中子结构组成；多质子大核以主要形式排列到第2层后，首尾质子因核力作用而明显偏离轴心，为了加强核力和整体的稳定，就由同等地位的3支P质子组成三角分支结构，这3个P支节在主轴S层质子上取名为3支P亚层。稳定态时，这3支P亚层分支与主轴正好形成四面体，称之为：三角四面体结构，在三角分区之后的主轴结构是以S亚层双中子次要形式组成。第3层以后的分支又可在3支P亚层分支上生长出5支D亚层分支，第4层以后的5支D亚层分支上又可分生出7支F亚层分支，各亚层分支由能极高低和轨道数决定。所有亚层分支结构形式都是单中子形主要结构形式。多支节大核的分支以2支或3支组成体系，由各体系组成趋三角四面体形，总体核的形状仍以主轴为中心组成趋三角四面体形结构的亚稳定结构。整个多质子大核结构形如一棵理想大树：有主干、有分支、有次分支，有主根、有分根、有次分根它以主轴为主体、以三角四面体为根本，首尾三角四面体形结构组成为最稳定结构。为什么2S后主轴以双中子结构组成？双中子结构核力较弱（核力势垒可见），而2S上的三支2P支节会随主轴高速小圆环旋转，旋转产生的电流环与相邻质子自旋同向，由此产生的安培力引力较强，从而增大了相邻间的核力。若以单中子结构组成则因相邻质子太多产生的库仑斥力太大而排斥。主轴尖为什么以三角四面体结构？也是同样道理。电子分层，质子也分层，电子最外以s或p亚层结束，质子也是S或P亚层且组成三角四面体形。由此可见核外电子的所有排列规律全部由核内质子排列规律决定。这就是核的形状。当核高速园周旋转时，从外界观察可以发现它形如“球形”，当核主要以主轴方式旋转时，从外界观察可以发现它形如“仿垂形”。不旋转（现实中是不可能的）观察就象一棵理想的大树。所以，把本文推导得出的核结构叫做大树形接触式原子核结构。如下图5-4钴60核的结构图：1956年李政道、杨振宇推断弱相互作用中“宇称不守恒”，建议用衰变电子的角分布来推断。1957年吴建雄等完成了此项实验：(文献1) “把衰变的钴60核（60 C O ）放在强磁场中，温度降到1K以下，最后达到0.004K，这样有60的钴60核（60 C O ）磁矩取顺磁场方向。低温下原子核热运动减低，以免扰乱原子核的有序化。实验发现，60的射线从反磁场方向发射出来，40的射线从顺磁场方向发射出来。” 实验证明：钴60核（60 C O ）