the periodic table

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1、15量子力学和元素周期表根据第7章内容，旧量子论对周期系的影响是经过认真考虑的。虽然这个理论的发展从外层电子的数目方面为周期表提供了一个重新表示方式，但是它没有对化学的认识提出实质性的新东西。其实，在有些方面像欧文·朗缪尔，J.D.MainSmith和查尔斯·比里这样的化学家能在电子排布上比物理学家走的更远，因为根据第8章叙述，他们对部分元素的化学性质更加了解。此外，尽管量子力学有波尔和其他科学家宣传的大力支持，但是铪是过渡金属而不是稀土元素这一发现不是由量子理论推导出的。从量子力学来理解周期表这方

2、面来说，它本质上是一个化学事实。旧的量子理论在数量上对周期表而言是无用处的，因为它不能建立解决多电子原子的基本方程。周期表中原子外层电子数目得到了解释，但是通常都是在事实出现之后。当预测原子的容量现象时，例如氦原子的基态能，旧量子理论也是没有帮助的。正如一位物理学家说道，“我们没必要惊讶…即使天文学家们花了一个多世纪最终解决了三体问题，但是他们并不满意。”洛伦茨·亨德里克，沃纳·海森堡和阿诺德·索末菲等一系列物理学上的天才们都曾试图估计氦原子的光谱，不过最终都一无所获。根据泡利不相容原理和新量子力学

3、的发展，海森堡在其他人都失败的基础上最终成功了。事实上，海森堡是利用他自己的量子矩阵力学和下面介绍的薛定谔波动力学来完成他的推断的。通过展示氦原子的两个电子束之间波函数的重叠部分，海森堡解释了他所得的结果。这个重叠部分，他称之为“交换项，”它完全是由于两个电子束的不可分辨性而形成的。这就意味着方程式中的各项要以两种形式来描述，第二种有交换项标注的是用来解释两个电子束是完全等同的这个事实。这些交换项是非经典的，只是从泡利不相容原理中得出的。这个发现是以原子和分子的量子力学的运用为开端的。它变成了一项重

4、要因素，不久，沃尔特·海特勒和伦敦第一次成功地应用量子力学推测出最简单的双原子分子H2的共价键。交换项为由路易斯·泡利和其他科学家提出的量子力学共振现象和量子力学价键理论奠定了基础。与旧量子理论相比，量子力学主要的进步也许是它自身量子化呈现出更自然的方式。在旧量子理论中，波尔必须要假定电子的角动量是量子化的，然而，新量子力学表示它自身的理论就能规定这种状态，没有必要经过法令。例如，薛定谔对于量子力学的看法就是，写出微分方程式和使用某些限制条件，因此，量子化就自动出现了。15对如何在波上应用边缘条件的

5、这个概念理解很自然地引起了能从下面类推法中得到的量子化。假如一个细绳系在两端，使它振动。结果是，细绳采用了许多可能的连续波形式中的一种，这个模式是细绳系在上面的某些点一直保持静止的。图9.1显示，线既可以整体振动，也可以是几个所谓的节点振动，每个都能表示沿着细绳的静止的点。图9.1换句话说，被束缚在两端的波的存在直接地暗指了以上描述形式的量子化。线仅仅是在几个清晰明白的点振动，有0，1，2，3等等节点。没有其它的中间振动节点的存在，这就是量子化和任何一种连续的波现象相联系的本质。从波尔的旧量子论到量

6、子力学波尔在解释周期表时，没有从基本原理演绎电子排布，这点使他的读者们相信了。旧的量子理论仅仅是量子力学的起点，它是一个相当强有力的物理理论。本章叙述了从旧量子论到量子力学之间的过渡，以及目前最新的理论打算试着就解释元素周期表。在此我认为，从基本观点尝试着对周期表作进一步的说明这个工作已经做了很多，可令人惊讶的是，它还仍然不完整。尽管如此，量子化学已经实现了很多比旧量子论理想中更准确的计算方式。虽然描述波尔的旧量子论和后来的量子力学之间的过渡史并不是我的意图，但是也需要去了解一些这期间的发展过程。事

7、实上，衔接从旧理论到新量子理论过渡的一个关键步骤在第7章已经提过，因为它在周期表的解释过程中提供了最后一步，也能被普遍理解的。通过Pauli的四个量子数和他随后泡利不相容原理的发现，这个原理是指，一个原子中不可能有两个电子拥有四个完全相同的量子数。这个结论是对每个周期可能的长度的精确解释，但是是在假设这个解释能有一些实验信息的情况下。在第7章里解释了原子核外层可能容纳的最大原子数。因此，2n2准则得到了明显的理论支撑，它有时被用于解释某个周期总的元素个数。但是有一点，外层电子排序不是从基本原理中推导

8、出来的。如果有人问起量子力学是否能够以基本方式来解释元素周期表，那么这个问题就是不可避免的了。15量子力学的出现1924-1925年期间，旧量子论遇到了危机，因为这个时候需要一个更彻底的理论来解决物理学上的很多未解决的难题。其中一个难题，也是对周期表很重要的是估测氦的元素性质，氦是周期表中的第二个元素，位于氢元素后面。尽管旧量子论能够确切地计算出氢原子的能量，但是对于氦原子这个理论是没办法解决的。不仅仅是这一个问题对于旧量子论来说是困难的，它甚至不能正确地提出必要的方