§8 元素周期律的物理基础

到了 19 世纪，人们已经知道，物质是由不同的元素构成的。在每一种元素被发现的同时，它的原子量也被尽量精确地测定。随着被发现的元素的增多，科学家们也越来越感到迷惑，因为每一种元素的化学性质都不相同，于是他们就开始逐渐寻找这些元素之间的联系。19 世纪 60 年代，俄国化学家门捷列夫（Dmitry Ivanovich Mendeleyev）和德国化学家迈耶（Julius Lothar Meyer）在前人工作的基础上发现，尽管当时已发现的元素已经有几十种，但是它们的化学性质并不是杂乱无章的，而是可以找到一定的规律的，比如最轻的金属锂的化学性质就与食盐中所含的一种元素钠的化学性质相仿。他们总结了这种规律性，而且将当时已经发现的每一个元素按照这种规律性排列成了一个表格，这就是著名的化学元素周期表。门捷列夫的这个表基本是按照原子量的顺序排成的，具有类似的性质的元素被排在了同一组。当某一个元素的性质并不符合它按照顺序应当符合的一组时，他就在这个元素之前留出一个空位，并且宣布这个空位所在的地方必定被某一个还未被发现的新元素占据着，这个元素将来一定会被发现，同时他还根据这张表预言了这些元素的性质。后来，门捷列夫所预言的三个待发现的元素镓、钪、锗都很快就被发现了，并且它们的性质也证实了门捷列夫的预言。随着时间的推移，元素周期表中空缺的位置被一个一个地填充，迄今为止，表中的元素已经增加到了 111 种。

量子力学的建立使人们对化学元素周期表有了本质的认识。由于原子核外的电子按泡利不相容原理，依次按能量由低到高占据不同的轨道，而每当具有某一量子数的轨道全部被占满，而余下的电子则开始占据具有更高量子数的轨道，在最外层具有相同电子数目的元素就会表现出类似的性质。比如镁的第一、二层（n=1，2）已被电子填满，第三层（n=3）只有两个电子，即所谓的“价电子”，而钙的第一、二层（n=1，2）已被填满，第三层（n=3） 也已被填入 8 个电子，属于部分地填满了，第四层（n=4）有 2 个电子，由于结构的相似，这两种金属就表现出了相似的化学性质，都是正二价的碱土金属。于是，由于原子物理学的发展人们已经能够从本质上理解门捷列夫的周期表了。

原子光谱的研究对原子的能级结构分布给出丰富的信息，它显示电子还要有自旋角动量，是自旋量子数为 1/2 的费米子，同时还显示出电子还要有与自旋角动量成正比的自旋磁矩。量子力学普遍给出，带电粒子做轨道运动时，将要有与轨道角动量成正比的轨道磁矩，比例系数应是该带电粒子电荷与质量之比的一半。实验显示，电子自旋磁矩与自旋角动量的比例系数则是电子电荷与质量之比，即是轨道运动时的 2 倍。电子自旋磁矩的这个性质显得“反常”，但却是实验显示的结果。

原子核外的电子在广阔的天地中非常活跃地运动。如果测量这些电子的运动速度，就会发现它们的平均速度至少达到每秒 2188 公里。不同元素的原子核外的电子数目不同，它们都在大体差不多的区域内运动。原子内部的结构虽然是很稀松的，但是原子相互之间还是有很强的不可入性，很难把两个原子压缩使它们重叠起来。当两个原子结合成一个分子时，只在两个原子的边界区有少量的重叠。