化學原理啟迪334
Gustav Mahler - Symphony No. 5: Adagietto (Solti, CSO)
1. 元素週期表上的元素，隨著原子序（質子）增加，電子也一顆一顆地增加，增加的電子是依據一個特定的順序填入的，在能階都是n的時候，電子會依照ns、np、nd和nf的先後順序填入。
2. 用SCF法計算出來的原子軌域的能量大小順序是：Ens＜Enp＜End＜Enf 。計算的結果顯示，同一個能階n下的s、p、d、f四種軌域的能量大小順序，是s軌域電子的能量小於p軌域電子的能量，p軌域電子的能量小於d軌域電子的能量，d軌域電子的能量小於f軌域電子的能量。
3. 我們可利用穿透效應penetration effect去理解觀察到的軌域能量順序。鈉原子的3s、3p和3d軌域在原子的半徑分佈情形如下：
4. 雖然3s軌域的電子與原子核有一段距離，但是它的分佈區域是3s、3p和3d三種軌域中最接近原子核的，因此3s軌域的電子會遮蔽shields原子核對3p和3d軌域電子的吸引力。
5. 原子核的引力必須穿透3s軌域的電子雲遮蔽去吸引3p和3d軌域的電子，因此3s軌域的電子應該會感覺到比較多的原子核正電荷，另一方面3p軌域的電子比較沒有那麼靠近原子核。
6. 因此我們可以說，3p軌域的電子穿透核電子到原子核的程度，比3s軌域的電子穿透核電子的程度低。同樣地，3d軌域的電子穿透性也低於3p軌域的電子。
7. 穿透效應的觀念幫助我們瞭解為什麼電子比較喜歡先填入3s軌域，3s軌域填滿之後再去3p軌域，3p軌域填滿之後才去3d軌域。這是因為這三個軌域的穿透效應順序是：E3s＜E3p＜E3d
8. 穿透效應也可以解釋為什麼電子先填入4s軌域，4s軌域填滿後，電子再填入3d軌域。鉀的電子組態是1s22s22p63s23p64s1，而不是1s22s22p63s23p63d1。為什麼電子先填入4s軌域，而沒有填入3d軌域呢？
9. 因為4s軌域的電子穿透性，比3d軌域強，說明如下圖：
10. 雖然「3d軌域電子出現機率最大的區域」與原子核之間的距離，比起「4s軌域電子出現機率最大的區域」與原子核之間的距離更短，但是4s的電子引力穿透到原子核的力量更強。這就是為什麼鉀原子在最低能量狀態下，它的最後一顆電子進入到4s軌域而不是3d軌域。
11. 徐弘毅：為什麼4s軌域穿透性較佳？ 4s軌域的電子分佈是圓球型，3d軌域由5種長橢圓型軌域組成，d軌域的電子並不像s軌域那樣均勻分佈在空間中，而是特別集中在某個區域，這應該會造成區域內的電子之間的斥力特別嚴重，這也使得d軌域的電子只能用一部份的力量穿透核電子吸引原子核。以上是我的推測。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
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Thank u for elaborating "further development of the poly electronic model"
回覆刪除用答案解釋答案，這很奇怪吧
回覆刪除還是不大懂如何比較穿透力大小⋯
回覆刪除對不起，最近太忙，所以沒有時間回信，很抱歉。
回覆刪除首先，我們要了解原子的構造，原子的中心是帶正電的原子核，外層是帶負電的電子雲，電子雲又可分成好幾層，就像金莎巧克力那樣，為了清楚分辨每一層，化學家用能量階梯的概念去定義每一層，能階的符號為n。
但是，同一個能階的電子雲，還可以再區分成好幾層，由內而外分別為s殼層、p殼層、d殼層、f殼層，這是四種不同能量的次殼層。
那麼，什麼是穿透效應呢？舉例來說，原子核的正電引力要吸引p殼層的電子，一定要穿過s殼層電子，這就是穿透校應；相反方向來看，P殼層電子雲的負電荷要吸引原子核，也一定要穿過s殼層電子雲，這也叫做穿透效應。
你的問題是，不知道如何比較穿透力的大小？很簡單，我們舉例說明，p軌域電子離原子核比較遠，它要穿透s軌域電子雲，才能夠吸引原子核，那麼，它有一部分的能量就在對抗s軌域的電子中消耗掉了，因此，p軌域電子抵達原子核的能量，必然要減掉s軌域的能量，這使得穿透力減弱。
如果是s軌域的電子，它是最靠近原子核的電子次殼層，它不需要穿透其他殼層，就能直接抵達原子核，因此穿透力較強。所以，s軌域電子的穿透力，強於p軌域電子的穿透力。
用同樣的方法類推，在同一個能階中，s軌域電子的穿透力，強於p軌域電子的穿透力；s軌域和p軌域電子的穿透力，強於d軌域電子的穿透力；s軌域、p軌域和d軌域電子的穿透力，強於f軌域電子的穿透力。
如果是比較不同能階的電子，那就是最內層的第一能階軌域n=1，穿透力強於第二能階軌域n=2；第二能階軌域n=2的穿透力，強於第三能階軌域n=3……。
你可以參考我所翻譯的化學原理啟迪304，波爾的氫原子模型：計算電子轉換軌域時吸收或釋放的能量，裡面有能階圖，另外本篇化學原理啟迪334所附的穿透效應圖，在說明在同一個第三能階n=3中，各殼層由內而外的順序是s、p、d。
我們台灣的教科書寫得跟補習班的參考書一樣，有很多練習套公式例題，都只是在應付考試，沒有辦法引導思考，所以你才會被搞亂，你一定很聰明，加油!
我在2007年有向李遠哲、翁啟惠反映這個問題，但是那兩個人過去讀書的過程都在死背書，所以他們這一生都沒有辦法編寫好的教科書，連他們都如此，更不要說其他台灣的化學學者。