旋涡模型与原子壳层结构
【摘 要】 根据量子力学分析了经典原子物理中核子壳层与核外电子壳层的矛盾以及核内的质子排列与核外的电子排列的不对应性，提出了原子的旋涡壳层结构，解决了核子壳层与核外电子壳层以及核子与电子的排列问题。较为详细的解释了一些至今悬而未解的一些理论问题。对于原子物理和基本粒子的研究有一定的参考价值。
【关键词】 原子壳层结构 旋涡 质子 中子
1 核内外粒子排列存在的问题
元素周期表较好地反映了元素的性质与原子核外电子分布的关系，正确地解释了许多原子物理现象。原子核壳层结构模型也较为理想地解释了幻数和磁矩等基本性质，这些已经得到了实验的检验，在理论上取得了令人鼓舞的成就。但是，影响原子性质的不只是核外电子和核内质子的多少和如何分布，还有核内中子的多少和如何排布。只考虑质子、电子不考虑中子显然是欠缺的，其结果是不正确的。
1.1 核外电子壳层为什么大都未排满
由经典物理，我们知道，电子壳层允许的最大电子数为2、8、18、32、50、72、98，最大电子总数为2、10、28、60、110、182、280，元素周期表从第三周期开始，为什么就没有排满呢？为什么电子会违反能量最低原理而先进入外壳层呢？为什么外壳层的能级反而比内壳层的要小呢？理论预言最大电子总数为280，实际上
只发现了92（铀），制造出了116（uuh）。为什么差了这么多？
1.2 核子壳层为什么与核外电子壳层不对应
早在70年前，原子核的壳层结构模型就已经确定了四个质子层，与核外电子的排列矛盾。为什么核内的质子排列与核外的电子的排列就不能一一对应呢？难道电子是随意排列的吗？为什么幻数理论预言的298（114，184）双幻数核至今未找到呢？
2 原子壳层结构的改进与统一
上述疑难问题将如何回答呢？原有的经典理论则束手无策，只能另辟行径，将原子壳层结构内外协调、统一起来，根据袁玉刚[1]提出的旋涡模型，假设原子是一个太空旋涡。原子核位处旋涡中心（核中心有黑洞），电子位处旋涡外围的赤道两侧，光子应该处于旋涡的边缘。原子旋涡力决定了核内质子和中子数即质量数的大小，可顺理成章的给出核外电子层的多少，同时也决定了原子的性质。质子和中子数及其位置与核外电子数及其位置应是一一对应的。核内某个位置有一个中子，核外某个位置就一定没有电子。核内某个位置有一个质子，核外某个位置就一定有一个电子。如果核内某个位置有一个质子，而核外某个位置没有电子，就缺失了一个电子，就产生出一个空穴来，就能够吸引其它高势能的电子或者原子外的电子来充填。
第七章 原子的壳层结构
一、学习要点
1．元素周期律：元素周期表.
2．原子的电子壳层：
主壳层：K Ｌ Ｍ Ｎ O P Q
次壳层：s,p,d,f,g,h
电子填充壳层的原则：包里不相容原理、能量最小原理
3．原子基态的电子组态（Z=1----20）
4、原子基态的确定
二、基本练习
1．褚书P218习题
2．选择题
（1）元素周期表中：
A.同周期各元素的性质和同族元素的性质基本相同；
B.同周期各元素的性质不同，同族各元素的性质基本相同
C.同周期各元素的性质基本相同，同族各元素的性质不同
D.同周期的各元素和同族的各元素性质都不同
（2）当主量子数n=1,2,3,4,5,6时，用字母表示壳层依次为：
A.K Ｌ Ｍ Ｏ Ｎ Ｐ ； Ｂ.Ｋ Ｌ Ｍ Ｎ Ｏ Ｐ；
Ｃ.Ｋ Ｌ Ｍ Ｏ Ｐ Ｎ； Ｄ.Ｋ Ｍ Ｌ Ｎ Ｏ Ｐ；
（３）下列哪一个元素其最外层电子具有最小电离能？
Ａ.氟（Ｚ＝９）； Ｂ.氖（Ｚ＝１０）； Ｃ.钠（Ｚ＝１１）； Ｄ.镁（Ｚ＝１２）
（４）在原子壳层结构中，当l＝０，１，２，３,…时，如果用符号表示各次壳层，依次用下列字母表示：
Ａ.ｓ,ｐ,ｄ,ｇ,ｆ,ｈ．．．． Ｂ.ｓ,ｐ,ｄ,ｆ,ｈ,ｇ．．．
Ｃ.ｓ,ｐ,ｄ,ｆ,ｇ,ｈ．．． Ｄ.ｓ,ｐ,ｄ,ｈ,ｆ,ｇ．．．
（５）电子填充壳层时，下列说法不正确的是：
Ａ.一个被填充得支壳层，所有的角动量为零；
Ｂ.一个支壳层被填满半数时，总轨道角动量为零；
Ｃ.必须是填满一个支壳层以后再开始填充另一个新支壳层；
Ｄ.一个壳层中按泡利原理容纳的电子数为２n2
(6)实际周期表对K.L.M.N.O.P主壳层所能填充的最大电子数依次为：
Ａ.２,８,１８,３２,５０,７２；Ｂ .２,８,１８,１８,３２,５０；
Ｃ .２,８,８,１８,３２,５０；Ｄ .２,８,８,１8,１８,３２ .
（７）按泡利原理，主量子数n确定后可有多少个状态？
原子结构知识：原子的壳层结构
原子是构成物质的基本单位，由一个中心的原子核和围绕其运动的电子构成。在量子力学理论中，原子的电子分布在不同的壳层上，每个壳层可以容纳一定数量的电子。原子的壳层结构对于解释原子的化学性质和物理性质至关重要，因此我们有必要深入了解原子的壳层结构及其性质。
1.原子的壳层结构
原子的壳层结构由一系列能量不同的壳层构成，这些壳层依次编号为K、L、M、N、O、P等。每个壳层内又包含不同的亚壳层，分别用s、p、d、f等字母来表示。这些壳层和亚壳层的能级顺序是确定的，而且每个壳层和亚壳层也有一定的容纳电子数。
2.壳层的命名
壳层的命名是根据德国物理学家C.G. Moseley的工作而得到的。他发现原子的核电荷数Z与原子的光谱线关系密切，根据他的工作，原子核电荷数Z也就是原子序数也就是元素周期数。 3.壳层的能级
原子的壳层能级随着壳层的增加而变化。一般情况下，第一层K的能级最低，依次为L、M、N等。在同一壳层内，不同亚壳层的能级也有所不同，通常s亚壳层的能级最低，依次为p、d、f等。
4.壳层的容纳电子数
每个壳层可以容纳一定数量的电子，这个数量是按照一定规律排布的。第一壳层K能容纳2个电子，第二壳层L能容纳8个电子，第三壳层M能容纳18个电子，第四壳层N能容纳32个电子，第五壳层O能容纳50个电子，以此类推。
5.壳层的电子排布
在填充壳层的电子时，遵循“先满足低能级，再填充高能级”的原则，即按照泡利的排斥原理，不同自旋的电子首先占据同一个轨道，并且每条轨道最多容纳两个电子，且二者的自旋量子数应相反。其次是哈特里-福克定则，也就是说，同壳层的电子排布时首先填充s轨道然后填充p轨道。
6.壳层的化学性质 壳层结构对原子的化学性质产生了重要影响。原子的壳层结构决定了原子的电子结构、原子的化学键合方式、原子的物理性质等。例如，稀有气体的原子壳层结构十分稳定，因此它们不易与其他元素发生化学反应。而某些元素由于壳层结构的特殊性质，能够形成特定的化合物和离子，从而展现出特殊的化学性质。
第七章 原子的壳层结构
7.1 有两种原子，在基态时其电子壳层是这样添充的：（1）n=1壳层、n=2壳层
和3s次壳层都填满，3p次壳层填了一半。（2）n=1壳层、n=2壳层、n=3壳层
及4s、4p、4d次壳层都填满。试问这是哪两种原子？
解：每个壳层上能容纳的最多电子数为，每个次壳层上能容纳的最多电
子数为。 2
2n
)12(2+l
（1）n=1壳层、n=2壳层填满时的电子数为： 10221222
=×+×
3s次壳层填满时的电子数为：2)102(2=+×
3p次壳层填满一半时的电子数为：3)112(2
21
=+××
此种原子共有15个电子，即Z=15，是P(磷)原子。
（2）与（1）同理：n=1,2,3三个壳层填满时的电子数为28个
4s、4p、4d次壳层都填满的电子数为18个。
所以此中原子共有46个电子，即Z=46，是（钯）原子。 Pd
7.2 原子的3d次壳层按泡利原理一共可以填多少电子？为什么？
答：根据泡利原理，在原子中不能有两个电子处在同一状态，即不能有两个
电子具有完全相同的四个量子数。对每一个次壳层,最多可以容纳个电
子。3d次壳层的，所以3d次壳层上可以容纳10个电子，而不违背泡利原
理。 l）（122+l
2=l
7.3 原子的S、P、D项的量子修正值Na01.0,86.0,35.1=Δ=Δ=Δ
Dps。把谱项表达成
22
)(
nZRσ
−
形式，其中Z是核电荷数。试计算3S、3P、3D项的σ
分别为
何值？并说明σ
的物理意义。 解：用量子数亏损表征谱项时 形式为
22
)(*Δ−=
nR
nR
用有效电荷表征时 形式为
22
22
)(*
nZR
nRZσ
−
=
两种形式等价。令二者相等，则得到 Δ 与 σ 之间的关系
Δ−=−
nn
Zσ
Δ−−=
nn
Zσ
用 Z = 11 和 n = 3 代入上式得 3S、3P、3D项的σ值分别为：3
119.18
31.35Sσ
=−=
− 3
119.6
30.86Pσ
=−=
− 3
1110
30.01Dσ
