上過(guò)化學(xué)課的同學(xué)一定對(duì)元素周期表有所了解，它根據(jù)原子核中的質(zhì)子數(shù)進(jìn)行排列。除此之外，它還在一定范圍內(nèi)使某些元素具有相似的化學(xué)性質(zhì)。我們知道，決定化學(xué)性質(zhì)的主要因素與核外電子的排列相關(guān)。但是為什么電子會(huì)以這種方式排列在特定的軌道或殼層中？我們有一個(gè)非常強(qiáng)大的工具來(lái)理解其中的奧秘，這個(gè)工具就是量子力學(xué)。

為了簡(jiǎn)單解釋這個(gè)概念，我們先來(lái)看看玻爾的原子模型。玻爾表明，電子只能存在于原子核周圍的某些穩(wěn)定軌道中，其角動(dòng)量與普朗克常數(shù)成正比。然而，這個(gè)模型過(guò)于簡(jiǎn)單化了。薛定諤認(rèn)為，根據(jù)量子力學(xué)，電子不會(huì)像行星一樣被限制在軌道上，它是一種物質(zhì)波，在3D空間中形成分布在原子核周圍的概率云。薛定諤方程描述了這種行為的規(guī)則，并且超越了玻爾的原子模型，更精確地描述了自然界中存在的每一個(gè)原子的結(jié)構(gòu)。

薛定諤方程表明，每個(gè)電子殼層都有它可以容納的最大電子數(shù)。最內(nèi)層最多容納2個(gè)電子，第二層最多容納8個(gè)電子，接下來(lái)是18、32、50，以此類推。所以現(xiàn)在需要解釋的是為什么這些數(shù)字如此特別？為什么原子間的相互作用要遵循這些數(shù)字呢？這一切都要?dú)w結(jié)于能量。

宇宙中的系統(tǒng)總是趨向于它們的最低能量狀態(tài)。為了最大限度地減少能量，電子總是從內(nèi)層軌道開(kāi)始填充并向外移動(dòng)?？梢宰C明，軌道是滿的或者空的都會(huì)使原子的能量最小化。為了了解其中的原因，我們必須求解薛定諤方程。雖然這個(gè)方程看起來(lái)挺嚇人的，但它本質(zhì)上只是能量守恒的表達(dá)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是總能量等于動(dòng)能加勢(shì)能。

使用氫原子最容易解出這個(gè)方程，因?yàn)樗亲詈?jiǎn)單的原子，只有一個(gè)電子繞一個(gè)質(zhì)子旋轉(zhuǎn)。因?yàn)楹耸怯梢粋€(gè)質(zhì)子組成的，所以它是球?qū)ΨQ的。這種球?qū)ΨQ性可以使解足夠簡(jiǎn)單，這對(duì)于精確求解薛定諤方程至關(guān)重要。盡管我們使用最簡(jiǎn)單的模型，但為了求得氫原子的波函數(shù)，還需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和紙張進(jìn)行推導(dǎo)，最后得出了這個(gè)公式。

在這個(gè)波函數(shù)中，我們主要關(guān)注三個(gè)參數(shù)：n、l和m。n代表的是電子殼層，n=1是基態(tài)，也就是氫的最低能量狀態(tài)。但氫并不總是處于最低能態(tài)，所以它可以有其他的值。l是軌道角動(dòng)量的量子數(shù)。m是指定軌道空間方向的數(shù)字。當(dāng)我們?cè)诜匠讨写氩煌瑪?shù)值的nlm時(shí)，它也近似地代表了任何其他原子的所有電子量子態(tài)的解。所以這個(gè)方程可以讓我們預(yù)測(cè)元素周期表中所有元素的電子行為。

現(xiàn)在，我們要說(shuō)明這三個(gè)數(shù)的取值范圍。首先，它們都必須是整數(shù)。由于n代表電子殼層，所以它必須從1開(kāi)始取值；而l的取值范圍是0到n-1之間的整數(shù)；m的取值范圍是-l到+l之間的整數(shù)。例如n=1，則l=0和m=0；n=2，則l=0或1，m=-1、0或1。

于是，當(dāng)n=1時(shí)，(n,l,m)有1種可能的構(gòu)型；當(dāng)n=2時(shí)，(n,l,m)有4種可能的構(gòu)型；當(dāng)n=3時(shí)，(n,l,m)有9種可能的構(gòu)型，以此類推。別忘了，電子是費(fèi)米子，它的自旋為1/2，方向可以是向上也可以是向下，因此我們要將這些構(gòu)型乘以2，也就是我們上述提到的2、8、18、32……

只求解氫原子的薛定諤方程，可以讓我們應(yīng)用到元素周期表的所有元素。但是，這并不是完全準(zhǔn)確的，對(duì)于較大的原子來(lái)說(shuō)會(huì)有一些小變化，軌道的占用方式可能會(huì)略微不同。