殼層模型助析原子結構

  殼層模型助析原子結構

  我們每天遇到的各種各樣物料,曾幾何時令科學家們眼花繚亂。幸而在19世紀中葉,俄國化學家門捷列耶夫(Dmitri Mendeleev)發表了聞名後世的元素周期表,將各種元素有係統地排列起來,展示出它們有規律的化學特性。伴隨後來量子物理學的發展,我們已經能夠不錯地解釋這些元素化學特性的規律。今天就讓我們深入淺出地討論當中的科學原理,再介紹一些新的發展。

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  包圍原子核似洋?b 吸納或捨棄使之「滿座」

  要解釋不同元素的化學特性,大家可能早已聽過電子殼層模型:在這個模型中,原子(atom)的中央是原子核(atomic nucleus)。在正常的狀態下,不同物料的原子核被不同數目的電子(electron)包圍?。

  這些環繞原子核的電子之間是如何分佈的?我們可以將一顆原子想像成一個洋?b的模樣,電子們就一層一層地包圍?原子核。最外一層的電子最容易與其他物質接觸,因此它們的表現斷定了物料的化學特性。

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  那麼它們的表現如何決定化學特徵?原來每一層可以包容的電子有限,當最外的一層已經「滿座」,不能夠容納更多電子的時候,這種材料就會十分穩定,不喜歡參與化學作用。

  反之,其他的物質就會「積極」與其他材料發生化學反應,藉此吸納或捨棄更多的電子,務求令到最外的一層「滿座」。

  不可穿越「樓層」 人工元素Og電子多似雲

  為什麼圍繞原子核的電子是一層一層的?量子物理學告訴我們,不同能量的電子屬於不同的「波長」。這些電子不能隨隨便便的存在於任何軌跡之上:能夠「收容」這些電子的軌跡,一定要和電子本身的「波長」互相吻合,因此電子隻能在一些特定的「樓層」中活動,不能隨心所欲蹓躂到樓層與樓層之間。

  「軌跡」之說不完全正確

  在此不得不下一個註腳:在量子物理學的理解中,我們隻能談及「有多少可能性在這裡找到一顆電子」,而不能明確指出電子會在哪裡,因此「軌跡」、「一層一層的電子」這些說法並非完全正確。

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  幸而,電子殼層模型提供了有用及直觀的理論去解釋物料的化學性質,因此大家還是樂意採用。

  雖然大自然已為我們提供了許多不同的元素,但是仍不能滿足我們的好奇心。科學家們不停地在實驗室裡嘗試組合新的元素。

  2016年11月28日,一種人工製成的新元素正式命名為Oganesson(Og)。Og是現在所知的元素中最重的,其原子總共有電子118枚。

  新西蘭高等研究院(New Zealand Institute for Advanced Study )的Paul Jerabek和他的研究夥伴,利用電腦去推算Og原子內部電子的分佈。他們的計算指出,這些電子並不是一層一層的,反而更加像一團雲般圍繞?原子核。

  看來是因為Og的電子太多了,需要用來「收容」電子的「樓層」太多太密,反而不像獨立的樓層了。

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  小 結

  隨?科技的發展,我們對大自然的認識愈來愈深,但與此同時出人意表的發現也愈來愈多。我們不能墨守成規,盲目遵從一些「金科玉律」,必須要去理解其背後的原因才成。 ■張文彥博士

  作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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  原文地址:http://paper.wenweipo.com/2018/02/28/ED1802280036.htm

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