《世界存在的本質 04》

氫元素是宇宙中眾多種元素中最簡單的一個。一定數目的核子，質子和中子，通過強相互作用力結合在一起，再以庫倫力吸引同電量的電子就形成一種元素的電中性原子。有了薜定諤理論給出的電子態，我們就可以知道任何一個元素原子的電子結構。我們先定義同一個主量子數上的電子態為電子層，同一個角量子數的電子態為電子亞層。磁量子數決定的波函數（電子雲）稱為軌道。泡利不相容原理指出，兩個或更多的同一類費米子，比如電子，不能處於相同的量子態。所以，同一個軌道上最多隻能有兩個電子。它們必須有相反的自旋，以保證處於不同的量子態。這樣我們就可以將電子從低能級的電子態往高能級填充。多電子原子的粒子作用和能量關係肯定與單電子的氫原子不同。但是，還是有規律可循。通常越靠近原子核的軌道能量越低，因為其它電子產生的電屏蔽效應越小。馬德隆定則說能級排序按主量子數和角量子數的總和。總和越小，能級越低。對於同樣總和的軌道，主量子數越小，能級越低。又因為自旋-軌道耦合，電子會先選擇分布填充同一電子亞層裏不同的軌道，而且自旋保持一致，然後才去填充同一個軌道，自旋相反。這就是洪德定則。有了這三個原則的指導，除了幾個反例，我們就能完成元素的電子構造。元素的電性和磁性，化學性和物理性也就確定下來。

元素也可以按原子電子結構分類。在化學元素周期表中間的過渡金屬元素的化學性質和電性類似，因為大多是都有最外層的同樣的4s電子數。但是靠裏層的3d電子數很不同。d電子具有較強的軌道磁矩。所以過渡金屬有很不一樣的磁性質。對於元素周期表裏最右列的元素，原子可能有的電子層或者電子亞層的所有軌道正好由電子填滿。所以，這些元素的電性和化學活性很低。在足夠的溫度範圍裏，這些元素原子之間的作用力很低，保持氣體狀態。與其說是惰性氣體，還是不如說是理想氣體。它們是圓滿，理想，自由的元素。惰性元素前一位的鹵族元素之間的原子性質類似，都存在獲得一個電子的趨勢，以實現滿電子層。而惰性元素後一位的堿金屬元素更願意失去掉一個電子。鹵族和堿金屬兩族元素之間的化學性迥然不同。

自然界存在的元素有限，共九十四種。以後我們可以討論這些元素的起源。其它的元素來自人工合成。通常都極不穩定。原子核極小，半徑大約是原子半徑的千分之一。如果原子比作一個足球場時，原子核就像球場中央的一個網球。在這麽小的空間裏，質子之間的強大庫倫斥力由質子和中子之間的核力平衡。但是核力是短程力，隻在原子核的尺度裏有效。當原子序數增加時，質子數增加，也就需要增加中子數目。當原子核的大小超過核子核力的效力範圍時，原子核就會分裂。原子核這樣的多粒子體係也可能同樣存在殼層結構。具體情況可能會複雜得多。

--寫於2022年7月16日（圖片來自網絡）