为什么以电子云来形容量子化的原子结构,什么是原子能量量子化

1803年英国化学家、物理学家，约翰·道尔顿提出了原子的概念，并且认为原子是一个实心的球体。

道尔顿原子模型

在1897约瑟夫·约翰·汤姆逊年发现了电子，并且在1904年，否定了道尔顿的模型，认为原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，原子好似一块“葡萄干布丁”，故名“枣糕型”或“葡萄干蛋糕模型”。

汤姆逊原子模型

1906年汤姆逊的学生，英国科学家欧内斯特.卢瑟福，做了著名的 α粒子散射实验，通过实验推断出原子的大部分体积是空的，电子随意地围绕着一个，带正电荷的很小的原子核运转，就像行星围绕着太阳 。否认了葡萄干面包式模型的正确性。1911年卢瑟福提出行星模型。

卢瑟福行星模型

1913年，尼尔斯·玻尔(Niels Bohr，1885-1962)，在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。

玻尔的原子模型

玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上，电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量，必须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由 E=hν给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。

电子云

1926年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（1887年8月—1961年1月）在路易·维克多·德布罗意（1892.08—1987.03）波长关系式的基础上，对电子的运动做了适当的数学处理，提出了二阶偏微分的的著名的薛定谔方程式。这个方程式的解的模的平方，如果用三维坐标以图形表示的话，就是电子云。现代模型（电子云模型） 电子绕核运动形成一个带负电荷的云团。

电子结构云图

在对电子运动的研究中，马克斯·玻恩（1882年12月—1970年1月）用一个波函数Ψ（x，y，z）表征电子的运动状态，并且用它的模的平方|Ψ|2值表示单位体积内电子在核外空间某处出现的几率，即几率密度，所以电子云实际上就是|Ψ|2在空间的分布。

波函数坐标系

现在我们知道，核外电子的运动与宏观物体运动不同，没有确定的方向和轨迹，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会（几率）的大小，电子云是物理和化学中的一个概念，就是用统计的方法对核外电子空间分布的形象描绘，它区别在于行星轨道式模型。

在量子显微镜下的氢原子

电子有波粒二象性，对于具有波粒二象性的微观粒子，在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准，这是德国物理学家海森堡在1926年提出的著名的不确定性原理。它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。

为什么原子结构是电子云结构

原子中的电子，究竟是什么方式运动的呢？

现在人们普遍以“电子云“来形容原子的结构，就好像一团”雾气”（电子），分布于极小的星球（原子核）四周。只有原子中存在唯一电子时，原子轨道才能精准符合“圆形气团”的形状。当原子中有越来越多电子时，电子越倾向均匀分布在原子核四周的空间体积中，因此“电子云”倾向分布在特定球形区域内（区域内电子出现几率较高）。

电子在核外运动的轨迹称之为”轨道“（orbital），它以一个波函数来表示，表示电子出现的概率趋势，（为易于理解，把它想象成轨道）。轨道也分大小，一个大轨道可以包含数条小轨道。轨道像皮球一样，以原子核为中心，一层一层地包裹着。

因为原子的能量是量子化的，原子核外电子运动的轨道是不连续的。我们把大轨道称之为能层，小轨道称之为能级。能层用n来表示，也叫主量子数。n的取值为正整数1、2、3、4、5、6、7；表示具有不同能量的层级。光谱学对应符号为K、L、M、N、O、P、Q。一般而言：n越大，电子层的能量越高。能级（也叫电子亚层），以角动量子数（I）来表示，当n值一定时，I只能取0，1，2，3…(n-1)等值，代表电子的角动量的大小。光谱学对应命名为s，p，d，f四个能级。从理论上说，将会出现第五个能级。

还有在磁场的影响下，不同层级的原子轨道，可以在空间取不同的伸展方向，从而得到几个型状不同的原子轨道。我们用磁量子数Me是描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向。磁量子数m取值受角量子数l制约，对于给定的l值，m的取值是一定的。

s轨道的运行用波函数图像表达近似球型：I=0，电子云的形状是球形对称的，用符号s表示，也称s亚层；

p轨道在x,y,z轴三个方向波函数图像：I=1，电子云呈哑铃形，用符号p表示，也称p亚层；

d轨道五种不同的波函数图像：I=2，电子云常呈四瓣形，用符号d表示，也称d亚层；

f轨道七种不同的波函数图像：I=3，用符号f表示，也称f亚层，电子云形状比较为复杂。

原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋运动。电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向的自旋。自旋是电子的内赋禀性，每个轨道最多可以容纳两个自旋相反的电子。在外部磁场存在的情况下，许多原子谱线还会发生了更细的分裂，这个现象被叫做塞曼效应（因外电场而产生的裂分被称为斯塔克效应），这种分裂在无磁场和电场时不存在。