原创基础理论第002篇原子电子能量电离能量

 2024-1-21 16:53  749 3 3 分类: 模拟文集: 1 基础理论

[初次发表 24-01-21 最后编辑：24-04-23]

PN结是电子器件的基础结构，站在应用角度，做个“差不多先生”也无妨。这一篇记录的就是“差不多”的知识。

原子由位于中心的原子核（nuclei）和电子（electron）组成，原子核由带正电的质子（proton）和不带电的中子（neutron）组成。粒子质量（particle mass）角度，质子：中子：电子=1：1：1/1840。电荷（charge）角度，质子：中子：电子=1：0：-1，所以原子对外呈电中性。数量角度，质子：电子=1：1，而中子的个数不少于质子，质子数相等而中子数不等的原子，称为同位素（Isotope）。

原子并不静止。原子核在振动，电子绕原子核运动。较新近的量子理论认为，电子不是沿某种轨迹连续运动，而是神出鬼没，以概率的形式出现在不同的位置，换句话说，电子集中在某些区域出现。每个区域称为一个能级（quantum shell, energy level），定义能级序号，也叫主量子数（n），取值是0，1，2，3，...，数字越小距离原子核越近，能量越低。在一个能级内部，电子活动区域是不均匀的，每个区域称为一个子层（sub-shell），定义轨道量子数（l），取值是0，1，2，3，...，数字越小距离原子核越近，能量越低。子层也可以叫做s、p、d、f、g等，对应0，1，2，3，...。在一个子层内部，电子活动区域仍然不均匀，可以进一步区分出轨道（orbital）。每个子层有不同数量的轨道，其中f子层有7个轨道，d子层有5个轨道，p子层有3个轨道，p-x，p-y和p-z；s子层有1个轨道等等，如下图。能级-子层-轨道就是电子活动区域的面貌。

（图源 tomonolab.com）

原子最外层电子对物质的化学性质有很大的影响。基于大量观测和实验，人们发现了元素周期律，并绘制了元素周期表。所谓元素周期律是指元素的化学性质随着电子排布的改变而改变，并且按照一定规律重复。周期表的一行叫一个周期（Period），同周期的元素具有相同的能级即主量子数，区别是最外层电子数（Outermost Layer Electron Number），核电荷数（nuclear charge）和原子量。周期表的一列叫一个族（Group），同族的元素具有相同的最外层电子数，区别是能级数、核电荷数和原子量。

电子带有能量，在原子核外，电子根据自身能量进入适当的能级、子层和轨道，称为电子排布（electronic configuration）。

根据洪德定则（Hund's Rule）：

电子总是先进入较低能级；

同一能级内，电子总是先进入较低能量的子层；

同一子层内，电子总是先进入空闲的轨道，并且自旋（Spin）状态相同。仅当没有空闲轨道时，才会改变自旋状态实现配对（pair）。

根据泡利不相容原理，同一轨道内最多容纳2个电子，且电子的自旋相反。所以，s子层因为有1个轨道，可容纳2个电子；p子层有3个轨道，可容纳6个电子；d子层有5个轨道，可容纳10个电子。轨道存在空（0电子）、半满（1电子）和满（2电子）三种状态。

电子排布的规律如下图：图中横轴方向l=0、1、2、3对应s、p、d和f。注意在3p-4s-3d处的特殊次序。