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更多原子軌域與電子組態的說明 (英) : 更多原子軌域的概念。開始講些電子組態
相關課程
- 在前幾個視頻中, 我們學到了,
- 一個原子中的電子並不是
- 按照簡單, 古典的牛頓式軌道排列的,
- 亦即電子的波爾模型.
- 我會不斷複習這個觀念,
- 只因為, 我認為它是個非常重要的一點.
- 如果那是原子核, 記住, 它只是一個非常非常微小的點,
- 假使你考慮實際原子的總體積的話.
- 電子並非在圍繞著原子核的軌道上,
- 那會像是行星如何繞著太陽運行,
- 電子不在圍繞著原子核的軌道上, 而是藉由軌跡來描述它,
- 亦即這些概率密度函數.
- 所以, 一個軌跡 ---- 姑且說那是原子核 ---- 會描述的
- ---- 如果你拿在原子核周圍空間的任一點來看 ----
- 是找到電子的概率.
- 所以, 實際上, 在原子核周圍的任一空間體積裡,
- 它會告訴你
- 在那體積內找到電子的概率.
- 所以, 倘若你要給 ---- 就說在1s軌跡內的 ---- 電子
- 拍一連串的快照,
- 那是1s軌跡長的樣子.
- 你幾乎無法看到它在那兒, 但它是一個圍繞原子核的球,
- 而那就是電子可以存在的最低能態.
- 如果你只想拍幾張電子的快照, ----
- 比方說你要拍幾張氦(He)的快照,
- 氦(He)有兩個電子,
- 都在1s軌跡內.
- 看起來會像這樣.
- 照一張快照, 可能電子會在那裡,
- 下一張快照嘛, 可能電子在那裡.
- 然後, 電子在那裡.
- 在那裡.
- 然後, 在那裡.
- 如果, 你持續地拍快照下去,
- 你會得到一大串互相很接近的點.
- 而當你向外越來越遠離原子核時,
- 點會變得較為稀疏些.
- 但正如你所見, 你在
- 靠近原子中心之處找到電子比在外圍更有可能.
- 雖然, 你也許已經觀察到電子
- 老遠坐在那裡, 或坐在這裡.
- 所以, 它真的可以在任何地方出現,
- 但如果你多做觀察,
- 你就會瞭解到概率函數所描述的是什麼.
- 它說的正是, 看, 在外頭這個小立方體的空間中
- 找到電子的概率
- 比在這小立方體的空間中遠來得低.
- 而當你看到這些將這軌跡畫成這樣的圖時,
- ---- 打個比方, 它被畫成像一個球殼, 像一個球體.
- 我試著讓它看起來是三維的 ----
- 比方說這是它的外部, 而原子核
- 就坐在內部的某個地方.
- 他們問的是 ---- 只是要畫一條分割線 ----
- 在哪兒我有90%的時間能夠找到電子?
- 因此他們說, 好吧,
- 假設我要畫個橫截圖,.
- 我可以在這個圓圈裡有90%的時間能夠找到電子.
- 但是, 偶爾, 電子還是會在圓圈外面出現, 對吧?
- 因為這都是概率性的.
- 所以, 這仍然可以發生.
- 如果, 這是我們說的在外頭這兒的軌跡,
- 你仍然可以找到電子.
- 對不對?
- 然後, 在上一個視頻中, 我們說, 好吧,
- 電子從最低能態向高能態
- 填滿軌跡.
- 你不妨想像一下.
- 如果, 我玩俄羅斯方塊 ---- 嗯, 我不知道俄羅斯方塊在此是否切題
- ---- 但如果我堆立方體的話, 我會把立方體從低能態擺起,
- 假使這是地面的話, 我會把第一個立方體放在最低的能態,
- 然後, 比如說我可以把第二個立方體放在這裡的低能態.
- 但是, 我只有這麼點地方可周旋.
- 所以, 我必須將第三個立方體放到下一個較高能態上.
- 在此例中, 我們將能量描述
- 為位能, 對吧?
- 這只是一個古典的, 牛頓物理學的例子.
- 但是, 電子和這是同一個道理.
- 一旦在1s軌跡上有兩個電子 ----
- 且說, 氦(He)的電子排列是1s2 ----
- 那麼第三個電子就不能再放在那裡了,
- 因為那裡只夠裝兩個電子.
- 我的思考邏輯是這兩個電子
- 現在會排斥我打算加進去的第三個電子.
- 所以, 我必須挪到2s軌跡.
- 現在, 倘若我要在這一個的上面畫出2s軌跡,
- 它會看起來像這樣,
- 我在這本質上是圍繞著1s軌跡的殼內
- 找到電子的可能性算高, 對吧?
- 現在, 或許我要來處理鋰(Li) ----
- 所以, 我只有一個額外的電子,
- 那麼這個額外的電子, ---- 那可能是
- 我觀察到那個額外電子的地方.
- 但是偶爾它會在那裡出現,
- 或者在那裡出現, 或者還在那裡出現,
- 但是可能性高的是在那裡.
- 所以, 當你問有90%的時間它會在哪兒呢?
- 它會像圍繞著中心的這層殼.
- 記住, 當它是三維的時候,
- 你會多少把它遮蓋起來.
- 它會是這層殼.
- 就是畫在這裡的.
- 由1s軌跡出發.
- 就是一層紅色的殼.
- 再來是2s.
- 第二層能殼就是蓋在它上面的這個藍殼.
- 其實, 你可以在更高的能軌, 更高的能殼,
- 看得更清楚些,
- 第七層s能殼是這紅色的區域.
- 往內是藍區, 然後紅區, 再來是藍區.
- 我想, 你有了那些區域每一個都是能殼的概念.
- 所以, 你彷彿持續地把s能殼相互包裹著.
- 但是, 你可能看到了這邊的其他東西.
- 它的普遍原則, 記住, 是
- 電子從最低能軌向高能軌
- 依次填滿.
- 所以, 最先填滿的是1s.
- 這是1.
- 這是s.
- 這就是1s.
- 它能夠容納兩個電子.
- 然後, 下一個被填滿的是2s.
- 它可以再裝下兩個電子.
- 然後, 下一個, 這是它變得有趣的地方,
- 你填滿2p軌跡.
- 那就是這, 就在這裡.
- 2p軌跡.
- 注意到p軌跡有個東西, p下標z, p下標x, p下標y.
- 那是什麼意思?
- 嗯, 如果你看一下p軌跡, 他們有這些啞鈴形狀.
- 他們看起來有點不自然, 但我想在未來的視頻中
- 我們將向你展示他們是如何的類似於駐波.
- 但如果你看這些圖, 總共有三種
- 可以排列這些啞鈴的方式.
- 一個在 z 方向上, 向上和向下.
- 一個在 x 方向上, 向左或向右.
- 還有一個在y方向上, 這邊,
- 向前和向後, 不是嗎?
- 所以, 如果你要畫 ----
- 比如你要畫p軌跡.
- 這就是你下一步要填的.
- 而實際上, 你在這裡填一個電子,
- 這裡填另一個, 然後, 那裡填另一個.
- 然後, 再填一個,
- 我們以後將討論自旋還有類似的東西.
- 但是, 那裡, 那裡, 和那裡.
- 實際上, 那叫做洪特規則.
- 也許我會做一整個視頻來專講洪特規則,
- 但是, 那和第一年的化學課無關.
- 總之, 它是按照那個順序來填, 再一次地,
- 我要你對這個是啥模樣能有個直觀.
- 看.
- 我應該把看這個字放在引號內,
- 因為它是很抽象的.
- 但如果你要想像一下p軌跡,
- ---- 比如我們正在看, 這麼說好了,
- 碳(C), 的電子排列.
- 因此, 碳(C)的電子排列,
- 頭兩個電子被填入1s1, 1s2.
- 於是它填了 ---- 不好意思, 你沒法看見全部 ----
- 於是它填了1s2, 碳(C)的(電子)排列 ----
- 它先填1s1, 然後 1s2.
- 而這只是氦(He)的(電子)排列.
- 然後, 就到第二層殼,
- 也就是第二週期, 對吧?
- 那就是為什麼它叫做週期表.
- 以後, 我們會討論週期和族.
- 然後, 你來這裡.
- 填2s軌跡.
- 我們在這兒的第二週期內.
- 那是第二週期.
- 一, 二.
- 我必須寫在週期表外, 這樣你才能看見全部.
- 所以, 填了這兩個.
- 亦即2s2.
- 然後, 開始填p軌跡.
- 因此, 先填上第一個p, 接著是第二個p.
- 因我們還在第二層殼上, 所以2s2, 2p2.
- 所以, 問題是如果我們只打算摹想在這兒的這個軌跡,
- 這看起來會是什麼樣?
- 就這p軌跡.
- 如此這般, 我們有兩個電子.
- 所以, 一個電子將會在一個 ---- 比如說這是 ----
- 我會試著畫一些軸.
- 那根太細.
- 因此, 如果我畫一個三維的
- 體積類的軸.
- 如果我要, 這麼說好了, 對於
- p軌跡內電子中的一個進行一連串的觀察,
- 姑且說是在p下標z的方向,
- 它有時會在這,
- 有時會在那, 有時會在那.
- 之後, 如果你持續做一連串的觀察,
- 你會得到一個看似這個鈴的形狀的東西,
- 就在這兒的這個啞鈴形狀.
- 然後, 對於可能在 x 方向的另一個電子,
- 你做了一連串的觀察.
- 讓我用一個不同, 明顯地不同, 的顏色來畫,
- 它會像這樣.
- 在你進行了一連串的觀察之後, 你說,
- 哇, 在一種啞鈴形狀, 在那個啞鈴形狀內找到那個電子
- 會大有可能
- 但是, 你可能在外頭那兒找到它.
- 你可能在那兒找到它.
- 你也可能在那兒找到它.
- 只是, 在裡面這兒比在外面這兒
- 找到它的可能性要高.
- 而那是我能想到的描摹它的最佳方法.
- 現在, 我們在這兒做的,
- 就叫做電子排列.
- 而做法是 ----
- 化學課教的電子排列的方式有許多種, ----
- 但是, 我喜歡的做法是
- 你拿著週期表, 然後說, 這些族
- 我說的族就是直行.
- 這些要去填s次殼或s軌跡.
- 你可以就在上頭這兒寫S, 就在那兒.
- 在這兒的這些將要去填p軌跡.
- ---- 事實上, 讓我把氦(He)除外 ----.
- p軌跡.
- 讓我來,
- 讓我把氦(He)除外.
- 這些將要填入p軌跡.
- 實際上, 為了弄懂這些,
- 你應該拿起氦(He), 然後把它丟到那裡.
- 不是嗎?
- 週期表只是一種組織東西的方式,
- 使它因而有道理, 但是針對嘗試去弄明白軌跡來說,
- 你可以把氦(He) ----
- 且讓我來做.
- (這是)電腦的魔力 ----
- 剪下來, 然後讓我把它貼到那邊.
- 對嗎?
- 這時你看到, 氦(He), 填了1s, 然後2s,
- 所以, 氦(He)的(電子)排列 ----
- 抱歉, 是1s1, 然後1s2.
- 我們在第一層能殼內.
- 對吧？
- 所以, 氫(H)的(電子)排列是1s1.
- 在第一能殼的s次殼內只有一個電子.
- 氦(He)的(電子)排列是1s2.
- 然後, 你開始填第二層能殼.
- 鋰(Li)的(電子)排列是1s2 ----
- 那是最初兩個電子的去處.
- 然後, 第三個進入2s1, 對吧?
- 我想你開始看出模式了.
- 當你做到氮(N)時, 你說,
- 好吧, 它有三個(電子)在p次軌內.
- 因此, 你幾乎能往回填, 對吧?
- 我們在第二週期內, 對吧?
- 所以, 這是2p3.
- 讓我把它寫下來.
- 所以, 我能先寫下2p3.
- 那是在p軌跡內那最後的三個電子.
- 這兩個則在2s軌跡內.
- 而最初那兩個, 或在最低能態的電子,
- 將會是1s2.
- 所以, 在這兒的這個就是氮(N)的電子排列.
- 為了確保你做的(電子)排列是正確的,
- 你要數一下電子的數目.
- 所以, 二加二是四, 再加三就等於七.
- 我們討論的是中性原子,
- 所以, 電子數和質子數要相等.
- 原子序是質子數.
- 所以, 我們做對了.
- 七個質子.
- 因此, 這是 ---- 截至目前為止, 我們只處理s和p軌跡 ----
- 這是很直截了當的.
- 假使我要搞清楚矽(Si)的(電子)排列,
- 就在這邊, 那會是什麼?
- 嗯, 我們在第三週期內.
- 一, 二, 三.
- 那只是第三排.
- 這裡是P段.
- 所以, 這是P段內的第二排, 是吧?
- 一, 二, 三, 四, 五, 六.
- 對.
- 我們在P段內的第二排,
- 所以, 我們從3p2開始.
- 接著是3s2..
- 然後, 它填滿這兒的全部的P段.
- 也就是說2p6.
- 再來在這兒, 2s2.
- 當然, 在它填滿這些其他層殼以前,
- 它會先填滿第一層殼.
- 就是1s2.
- 所以, 這是矽(Si)的(電子)排列.
- 我們可以驗證是否有十四個電子.
- 二加二是四, 再加六是十.
- 十加二是十二, 再加二就等於十四.
- 所以, 我們把矽(Si)搞定了.
- 我想現在時間又不夠了,
- 因此, 在下個視頻中, 我們將開始論及
- 當你碰到這些元素, 或D段, 時, 會發生什麼事?
- 你已經可以大約猜到會發生什麼.
- 我們將要填滿在這兒
- 有著更古怪形狀的這些d軌跡.
- 而我思考這的方式 ---- 不浪費太多時間 ----
- 是當你走離原子核越來越遠,
- 較低能軌之間有較多空間
- 來填入更多這種奇形怪狀的軌跡.
- 但這些彷彿是種平衡 ----
- 我將來會談論到駐波 ----
- 但這些是兩者之間的平衡,
- 就是企圖要靠近原子核
- 及那些帶正電荷的質子,
- 因為電子的電荷被它們吸引,
- 而同時卻逃避其他電子的電荷,
- 或至少是它們的質量分怖函數.
- 無論如何, 我們下個視頻見.
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