长篇鬼故事 - 118个元素的家 元素周期表 Part3
118个元素的家 元素周期表 Part3
本文核心词：科普,化学,自然,电子,元素周期表,轨道,原子,电子排布
在第一部分中我们谈到了各种各样的周期表，其基本排序规则是从小到大的质子数而不是原子的大小和质量。而在第二部分中我具体说了一下原子本身的性质，特别是核的性质。但是，化学研究中一般的重心都围绕着核外电子展开的，所以，如果我们要讨论元素周期表的排法，不仅要知道核的性质，还要从这些活泼好动的电子的排法上讲起。
上一部分讲过的铍元素，可以看到核外电子是分层的
事实上，原子核只占原子的一小部分，外面都是跑老跑去的电子的领地，虽然带负点的它被核牢牢吸住，但是实际上它还是非常自由的，因为当距离越远电磁力的作用越弱，你只要给电子一些能量，他就会远远跑掉，这种事情在氧化还原反应时时会常发生。当电子在原子外部排列时，会遵循一定的规律，你可以粗略的理解为轨道，而电子会逐个填在轨道中。轨道有很多很多，如果随便乱排就会发生拥挤。怎么解决这个问题呢？答案就是是分层。每层可以有多个轨道，但是会有上限值。这样就相当于每层电子也有一个上限值，不会发生电子运动的“交通事故”。
以下面这个铀（元素符号为U）原子为例，它有七个层共92个电子，每层分别填了2，8，18，32，21，9，2个电子。事实上这是自然界能大量找到的最重的元素，它的电子排布是如此复杂。乍一看这七个数字看起来杂乱无章，毫无规律，事实上真的是这样吗？
铀原子电子排布示意图，小球代表电子，蓝圈代表层
铀原子比较复杂，我们当然还是从简单的讲起。在周期表中，元素的顺序是按质子排的，然而质子数就是电子数，你当然也可以说是按电子数排的。这样每个元素都比上一个原子多一个电子，那我们在排这个元素多出的电子的时候只要在上一个元素的基础上加一个就可以了。从第一个元素氢加起，可以一直加到第92个元素铀。所以这里有一个顺序问题。之前我说过，每层电子数是有上限的，那第一个排序的依据肯定就是上限，当一层排满了肯定只能排下一层了。那么问题来了，这个上限是多少呢？
通过前四个元素的电子排布可以看出第一层上限是两个电子
事实上，这个规律非常简单，第n层的上限是2n^2个电子，即两倍的层数平方。已知的元素一共有七个周期，那上限肯定分别为2，8，18，32，50，72，98，我们这时候来看一看铀，你会发现它前四层都满了，后三层都不满。看来电子的排布除了个数上限还有更多的限制。
不过，你会发现一个很有意思的是，这些上限个数一定是偶数，这是为什么呢？原子与太阳系不同，这里的轨道不是指层数，也就是上面图中的圆圈。同一层可以有不止一个轨道，所以，人们又给这些轨道的集合一个名称，叫电子亚层。亚层亚层，那肯定在层之下。人们给这些亚层起了名字，分别叫s，p，d，f，g，h，i......轨道。而这些亚层轨道也不一定只有一个，s轨道只有1个，p轨道却有有3个，d轨道有5个，f轨道有7个，以此类推，它们是连续的奇数。那么问题就来了，为啥上限都是偶数呢？
沃尔夫冈·泡利
原因很简单，泡利不相容原理。这个原理简单来说就是，一个轨道只能容纳最多两个自旋相反的电子。如果每层电子都排满了，那当然应该是个偶数，毕竟无论是奇数还是偶数，乘以偶数都是偶数。那2，8，18，32，50这些数是怎么来的呢？我们来把这些数拆一下：
拆分
聪明的你肯定看出来了，由于每层比之前的层多了一个新的亚层，所以加起来每层的上限都是2n^2（用简单的等差数列求和就可以证明了）。比如，第一层只有s轨道，第四层却有spdf四个轨道。说白了，第几层就会有几种轨道。可是，如果纯粹按每层排满了再排下一层的话，那每周期的元素个数肯定是2n^2个了（元素周期表的周期数其实就是原子核外电子层数辣），但是事实上不是这样的。那这又是为什么呢？请听下回分解。
预告一下下期的内容
PS：这期关于电子排布的篇幅比较长，一次讲不完，我下周会继续更新的。
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