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标 题: 元素·电子·周期表的周期性
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日12:49:06 星期六), 站内信件
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color=green>《阿西莫夫最新科学指南·元素》 <FONT class=p3
color=steelblue> 〖本书由时清扫校〗
电子
当门捷列夫和他的同辈发现元素在同斯表中可以排在由性质
相似的物质组成的族时，他们还不明白为什么某些元素可以排入
同一族，也不明白为什么性质会相关。终于一个清楚而又相当简
单的答案出现了，不过这个答案是在一系列乍看起来似乎与化学
并没有什么关系的发现之后才出现的。
这一切都是随着电现象的研究开始的。法拉第完成了他能想
到的每个电学实验后，打算进行一次让电荷通过真空的实验。但
是他不能得到适合此目的的真空。到了1854年，一位名叫盖斯勒
的吹玻璃的德国人发明了一种符合要求的真空泵，并制造出从未
有过的真空内封有金属电极的玻璃管。当实验者在盖斯勒管内成
功地实现了真空放电时，他们注意到在负电极反方向的管壁上出
现了一种绿色的辉光。1876年，德国物理学家E．戈德斯坦认为，
绿色辉光是由法拉第称为阴极的负极产生的某种辐射撞击到玻璃
上所引起的。E．戈德斯坦把这种辐射称为阴极射线。
阴极射线是一种电磁辐射吗？E．戈德斯坦认为是，但英国
物理学家克鲁克斯和其他的人却说不是；他们认为阴极射线是某
种粒子束。克鲁克斯设计改进了盖斯勒管（称为克鲁克斯管），
借助这种真空管他能够证明这种射线会被磁铁偏转。因此，这种
射线可能是由带电粒子所组成的。
1897年，物理学家J．J．汤姆孙证实了阴极射线也会被电荷
影响而偏转，无疑解决了这一问题。然而这些阴极“粒子”是什
么呢？那时候惟一知道的带负电的粒子是原子的负离子。实验证
明，阴极射线粒子不可能是这种离子，因为它们受电磁场的偏转
如此强，所以它们必然具有难以想象的高电荷，要不就是非常轻
的粒子，质量不到氢原子的1／1000。后一解释最能与证据吻合。
物理学家们已经在猜测粒子携带电流，因此这些阴极射线粒子被
认为是电的基本粒子。它们被称为电子——1891年由爱尔兰物理
学家斯托尼提出来的一个名字。最后电子的质量被定为氢原子的
1／1837。J．J．汤姆孙由于确定了电子的存在，因而获得了
1906年的诺贝尔物理学奖。
电子的发现立刻联想到电子可能是原子的亚粒子——换句话
说，原子并不像德漠克利特和道尔顿所想象的是物质最终的不可
分割的单位。
这是难以相信的，但一系列的证据无情地证明了这一点。最
令人信服的一个证据是，J．J．汤姆孙证明金属板受到紫外光照
射时所放出来的负电粒子（光电效应）与阴极射线的电子相同。
光电子一定是从金属原子中被撞击出来的。
周期表的周期性
因为电子可以容易地从原子放出（除光电效应外还可由别的
方法），自然得出它们会位于原子外层的结论。若是如此，原子
内一定有正电荷区来平衡电子的负电荷，因为整个原子通常是中
性的，正是在这点上研究者们开始向揭开周期表的神秘之路迈进。
从原子放出电子，需要少量的能量。相反地，当电子填入原
子中的空位时，它也一定会放出相等的能量（自然界通常是对称
的，尤其在考虑能量时）。此能量会以电磁辐射的形式放出来。
由于辐射能通常是以波长来衡量，所以电子填入特定原子内放射
出的辐射线的波长会表示此电子受原子束缚力量的大小，辐射能
随波长减少而增加：能量愈高，波长愈短。
现在我们来讲一讲莫塞莱的发现，即金属（指较重元素）产
生X射线，而每一种X射线又各有它们自己的特定的特征波长并很
有规律地随周期表的上升而减小。每个后继的元素似乎都把电子
束缚得比前一个紧——换句话说，每个后继元素其内部具有较高
的正电荷。
假定每单位正电荷与电子上的负电荷相当，由此得出每个后
继元素的原子一定比前者多一个电子。描述周期表的最简单方式
是定第一个元素氢具有1个单位的正电荷和1个电子；第二个元素
氦有2个正电荷及2个电子；第三个元素锂有3个正电荷及3个电子。
依此类推一直到铀，它有92个正电荷及92个电子。这样一来，元
素的原子序数原来是在它们的完整原子中的电子数目。
这是一个更重要的线索，使原子科学家解决了周期表中的周
期性问题。进一步研究表明，给定元素的电子辐射不一定限于单
一的波长；它可能放射二、三、四或更多个不同波长的辐射。这
些辐射称为K系、L系、M系等等。科学家们推断出电子排列在围
绕带正电的原子核的壳层里。最内层的电子束缚得最紧，移走它
们需要最多的能量。电子落到此层会放出最高能量辐射，即最短
波长或K系。次最内层的电子产生引起L系的辐射；下一层产生M
系等等。因此这些壳层也被称为K层、L层、M层等等。
在1925年，奥地利物理学家泡利提出他的不相容原理，它正
好解释电子怎样分布在每个壳层内。根据这个原理，没有两个电
子具有完全相同值的量子数。由于这项工作，泡利在1945年获得
了诺贝尔物理学奖。
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