第5章 核内质子排列规律决定核外电子排列规律

核内质子排列规律决定核外电子排列规律

一、原子核外电子排布的原理

处于稳定状态的原子，核外电子将尽可能地按能量最低原理排布，另外，由于电子不可能都挤在一起，

它们还要遵守泡利不相容原理和洪特规则，一般而言，在这三条规则的指导下，可以推导出元素原子的核

外电子排布情况，在中学阶段要求的前36号元素里，没有例外的情况发生。

1．最低能量原理

电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢？比方说，我们

站在地面上，不会觉得有什么危险；如果我们站在20层楼的顶上，再往下看时我们心理感到害怕。这是因

为物体在越高处具有的势能越高，物体总有从高处往低处的一种趋势，就像自由落体一样，我们从来没有

见过物体会自动从地面上升到空中，物体要从地面到空中，必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物

质，也具有同样的性质，即它在一般情况下总想处于一种较为安全（或稳定）的一种状态（基态），也就

是能量最低时的状态。当有外加作用时，电子也是可以吸收能量到能量较高的状态（激发态），但是它总

有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子

的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f、g……的次序增高的。这两种作用的总结果可

以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、4d……

2．泡利不相容原理

我们已经知道，一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子

云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，

这就是泡利不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的

自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯，

每个人相当于一个电子，每一个电梯相当于一个轨道，假设电梯足够小，每一个电梯最多只能同时供两个

人乘坐，而且乘坐时必须一个人头朝上，另一个人倒立着（为了充分利用空间）。根据泡利不相容原理，

我们得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电

子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。我们还得知：第一电子层（K层）中只有1s亚层，最

多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M

层）中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子……第n层总共可以容纳2n2个电子。

3．洪特规则

从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不

同的轨道，且自旋平行；洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层，当电子排布处于

全满（s2、p6、d10、f14）

半满（s1、p3、d5、f7）

全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。这类似于我们坐电梯的情况中，要么电梯是空的，要么电梯里

都有一个人，要么电梯里都挤满了两个人，大家都觉得比较均等，谁也不抱怨谁；如果有的电梯里挤满了

两个人，而有的电梯里只有一个人，或有的电梯里有一个人，而有的电梯里没有人，则必然有人产生抱怨

情绪，我们称之为不稳定状态。

4、核外电子排布的方法

对于某元素原子的核外电子排布情况，先确定该原子的核外电子数（即原子序数、质子数、核电荷数），

如24号元素铬，其原子核外总共有24个电子，然后将这24个电子从能量最低的1s亚层依次往能量较高

的亚层上排布，只有前面的亚层填满后，才去填充后面的亚层，每一个亚层上最多能够排布的电子数为：s

亚层2个，p亚层6个，d亚层10个，f亚层14个。最外层电子到底怎样排布，还要参考洪特规则，如24

号元素铬的24个核外电子依次排列为

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d

根据洪特规则，d亚层处于半充满时较为稳定，故其排布式应为：

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d

最后，按照人们的习惯“每一个电子层不分隔开来”，改写成

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s

5142

用洪特规则可以解释为什么Cr原子的外层电子排布为3d4s而不是3d4s，Cu原子的外层电子排布为

10192

3d4s而不是3d4s。

核外电子排布的原理是从大量事实中概括出来的一般规律，绝大多数原子核外电子的实际排布与这些

原理是一致的。但是随着原子序数的增大，核外电子排布变得复杂，用核外电子排布的原理不能满意地解

释某些实验的事实。在学习中，我们首先应该尊重事实，不要拿原理去适应事实。也不能因为原理不完善

而全盘否定原理。科学的任务是承认矛盾，不断地发展这些原理，使之更加趋于完善。

5、有许多老的问题，在得到答案的同时就得了了新的理论。

1、是什么因素由谁决定了“核外电子有强列的排列规律”？决定电子排列规律的是电子本身性质，还

是核内质子中子？

2、电子高速自旋：是以电子自身一点在自旋，还是以一个小半径在旋转？为什么要自旋？自旋线速度

是多少？谁决定电子的自旋？

3、电子的高速自旋正是现在宇宙产生的原因。也许根本就没人相信：宇宙的来源就是这么简单？

4、同一轨道上的两个电子自旋方向真的是不相同还是观察时使用照物发生变化而出现了错误结论？

二、原始态的N宇宙

首先申明：组成宏观宇宙的三种粒子是中子质子电子，本文只研究这三种，不研究太小的不能直接组

成物质的粒子，也不研究中子质子由什么东东组成。全世界在没有搞清楚中子质子电子结合性质，没搞清

楚核结构和核力性质，就去研究质子中子由什么组成是完全在浪费全球实验资源，根本没的必要。也不要

去相信科学家，90%以上的科学家只是书本知识丰富而已。

1、质子不自旋时电子运动状态

宇宙产生于奇点，还是产生于一个金蛋，这些不重要。但宏观物质中质子产生于中子这是必须的。所

以我们认为原始宇宙要么是由冷纯中子组成，要么某一瞬间原始宇宙由冷纯中子组成。原始温度一定是个

极限温度，感谢许多科学家为我们找到了一个极限温度——绝对零度（0K）。原始宇宙也一样被死亡的最后

阶段的星系冷核塌缩碰撞。绝对零度的中子被外界最后塌缩星系碰撞，许许多多的中子被碰分裂出许多质

子和电子，绝对零度的质子不会自旋，分裂出的电子由质子决定运动状态，质子不自旋不作圆周旋转，电

子也一样不会自旋不用圆周旋转。如果质子不自旋，根本没有任何力量阻止电子回规质子。冷电子的结果

也只能与质子中和，变成新的冷中子。只要温度不上升，原始宇宙永远这样寂寞。由此可看出温度是决定

质子自旋的根本动力，而质子是决定电子运动状态的根本原因。下面推论：当N宇宙产生时更能证明温度

是质子的生命。

温度是决定质子自旋的根本动力。温度是决定质子自旋的根本动力，可以由热力学原理反推：温度

越低物质运动越慢，当温度接近绝对零度时，物质原子不再作运动，原子核也不再作太大的转动。科学家

得出绝对零度是不能达到的，绝对零度真的不能达到吗？如果绝对零度存在，原子核中重要粒子质子运动

状态会怎么样？如果存在这个极限：绝对零度存在，质子运动状态一定达到一个极限——静止不动。一但

质子不再自旋，电子不再受任何力量支持运动状态，也只好与质子中和，成为一个冷中子。要证实这个理

2262651

2262615

2262624

论也不是不可能：太阳系中，天王星是太阳系内温度低的行星，最低的温度只有49K(-224℃)，海海星比原

来想像的更亮、更冷和更小，表面温度为-240℃，冥王星的表面温度知道很不很清楚，科学家认为大概在

35到45K（-238到-228℃）之间。我认为如果按天天星到海王星下降了16℃计算，则冥王星的表面温度应

该在-256℃以下。那么，如果冥王星（或柯伊伯带行星）外还有星球，若也按下降了16℃计算，那它温度

应在-273℃左右了。科学家真的有能力，他们发现冥王星运动状态受到外围A行星影响，而到现在为止科

学家并汉有发现A行星。按温度下降来看A行星已经到达了绝对零度，也就是说A行星就是变成了一块大

的冷中子球。按发现一般行星的方法，科学家永远发现不了它的形状，若知道冷中子性质，科学家也许能

感知到它的存在。科学家发现宇宙中有许多暗物质，那这些冷中子块就是暗物质的根本来源。大的星系暴

发时物质分布还是较均匀的，星系与星系间不可能是真空的，之间的物质在绝对零度时会是什么状态？冷

中子块就是其间的暗物质。

如果将研究中子质子的组成所用的资金，用来制造两只飞船，一只能自行发热保持体温，一只不发

热，一同发向太阳的外围，若有一天一只能发回信息，一只不能发回信息而失终。所有的问题就解决了。

去证明吧：温度是决定质子自旋的根本动力。

（也许原始宇宙本身因压力大而具有一定高温，这个环境相当于常压下的绝对零度的环境范围，整

个研究都是以这种基态为原则进行研究的。以下也一样。）

而质子是决定电子运动状态的根本原因。科学家还真有能力，他们发现质子上正电荷分布在一个很

小的范围内，（霍夫施塔特早年用快电子打击质子中子实验时发现：质子的电荷分布在一个小范围内，而中

子在这小范围的正电荷外围分布着小圈负电荷。这些“小范围”与整个质子中子体积比较相当于一个小小

的点。）电子与它中和时也正是这小地方的中心。这个小范围的正电荷正是控制核外电子的中心。当质子静

止不动不自旋时，分裂到外的电子只受正负电荷间的库仑引力作用，再没有其它任何力量阻止它返回质子

上的正电荷区，此时只有中和现象发生。两者间什么时候有斥力出现，什么时候就产生了宏观宇宙。

2、质子无规律非光速转动时，电子运动状态

原始宇宙继续被死亡后的星系冷核塌缩碰撞，假设这时温度上升了万分之一开，中子撞裂的质子有了

一些运动状态——非光速转动，撞出的电子受库仑力作用也随那点正电荷非光速转动，正电荷随质子转动

时产生一点点与电子的斥力，这个斥力还不能阻止电子再次与质子中和。原始宇宙还是一样冷悽。

三、N宇宙的在一次偶然中产生

1、质子上正电荷绕质子半径光速自旋，电子运动状态。

原始宇宙继续被死亡后的星系冷核塌缩碰撞，新的一页开始了，温度极速上升，质子高速旋转，分裂

出的电子受质子正电荷控制高速旋转，并不断的中和又分裂。终于有了一次偶然的机会：质子上正电荷那

一点以质子半径为半径绕主轴线速度为光速高速旋转——质子自旋产生了。新的宇宙就从这点开始了。科

学家没有发现这个质子的产生，但科学家们确能计算出这个质子这样自旋产生的一个特殊的力量，（他们没

算过，但能算出），对相邻质子或外围电子而言这个力的名字叫安培力，是磁场对外围运动电荷产生的力的

作用。质子正电荷绕半径光速自旋产生一个电流环，电流环产生一个强磁场，组成质子中子的物质是易磁

化物质，使这个磁场强度加强4倍左右，这个强磁场对外围电流或相邻电流环有强力的作用，就叫安培力。

这里有个比偶然还要奇特的的事件发生了：这个安培力对相邻同向自旋的质子（同时质子间库仑斥力共同

作用下距离在1－3倍质子直径内表现为引力）是吸引力作用，而对受质子上正电荷控制的相同方向自旋的

电子正好是斥力作用。宏观宇宙就在这奇妙中产生了。还有必要具体计算么？没有必要了，知道半径、速

度、电荷大小，中国4亿大学生人人都能计算了，小儿科麻。

电子运动状态怎样？电子受质子正电荷控制，其运动状态与质子上正电荷点运动状态完全一样，但要

自由得多。电子受正电荷控制绕一点（不在电子上的点）光速旋转，旋转半径为质子半径；这就是电子的

“自旋”，并不是以自身为点真正的自旋。所以，这里特别更证：电子的自旋——是以质子半径为半径以光

速为线速度的高速旋转。如果只有一个质子和一个电子，且处于基态，可以看到电子与质子正好在同一轴

上同向自旋。质子产生的强磁对同向自旋的电子电流环是个强力的斥力作用。当电子靠近质子时这个斥力

迅速变大，大大大于与正电荷的库仑引力而并排斥开。当电子远离质子时，这个斥力迅速减小，质子电子

间库仑引力起主要作用，电子又被吸引。再考虑作用其它运动所需的向心力，电子终将在一定位置与质子

间力达到均衡。宏观物质由此产生。小儿科的计算就不算了，这个距离大约为10米左右。如图5-1

-10

受控电子为什么只能以光速与质子同轴自旋？质子上正电荷光速自旋，电子要受控制只能以光速相跟

上；如果电子大于质子半径要跟上质子正电荷，那电子就必须以大于光速跟上质子自旋，光速是个极限，

大于光速是不可能的，电子也就只能回规质子半径。如果电子自旋半径小于质子半径，电子可以小于光速

自旋，电子就有更多能力跟上正电荷，有能力跟上就有能力扩大自旋半径，从而回规到质子半径自旋。所

以受控电子只能与质子同轴同半径光速自旋。如图5-2：

这个结构使中子大小为10数量级变为原子10数量级高压下产生许多重原子和许多超重中子的

-10

，

原子，质子磁场分主轴分枝叉贯穿整个原始宇宙，整个原始宇宙四分五裂，分裂出特大的中子块夹着质子，

极快的速度曝胀，在几十秒内膨胀了几千倍，那么，那就是科学家得到的：宇宙背景辐射同温的问题就得

到解决。各个大块自成体系这就是现在的各星系团。

2、同一轨道上两个电子运动状态

-15

所有电子质子中子都最先出现在质子磁场的北极N极出现，也许是第一个电子首先出现在N极的原因

吧。所以我把这个宇宙叫做N宇宙。氢原子中质子在N极控制了一个电子如图5-3中的A处，同时在B处

也可以控制一个电子，这时氢原子变成了氢负离子如图。受控制的两个电子都只能与质子同轴同半径自旋。

但是，“泡利不相容原理：在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在”，这

就是泡利不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自

旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。”是我的理论与泡利不相

容原理矛盾了吗？不是。如图5-3可看出三个粒子同轴自旋，当眼观位置在A处时，A电子正好逆时针方

向自旋。眼观点是不变的，原子是高速圆周旋转的，当B电子转到眼观处时，B电子正好是顺时针方向自

旋。同一轨道的两个电子正好正逆时针自旋。一定要理解泡利不相容原理它没有错，它是在实验多次观察

发现的知识，人们没办法控制原子核不动，也不能高速改变眼观点。而我现在是在把核固定好来观察的。

除了同轴自旋能产生让电子质子相互排斥的力之外，再也找不到任何力使电子质子相互排斥了。这就是现

今N宇宙的来源，也只能这样产生了。

第一个质子出现后，它的强磁使周围中子磁化，更多的中子在高温强磁下迅速分裂更多的电子变为质

子，靠太近的相邻质子迅速排斥，被辐射而出。沿着许多磁轴迅速发生同样的连锁反应，质子连着中子大

块大块的被爆射到空中„„，一个小小的时间里，原始宇宙四分五裂土崩瓦解，一直到现今宇宙，这个N

宇宙可能进行了五分之二的时间。N宇宙的终结：将有三分之一被S宇宙吸引，有三分之二会回归到原始

状态。在这个过程中：星系爆发死亡、再爆发再死亡„„最后越来越小越来越冷，走到最后变为个个冷中

子块。

3、半满全满亚层结构与核的三角四面体形状的关系

原子核内质子的具体排列结构是怎样的？还是得从核外电子排列说起。

能量最低原理 自然界一个普遍的规律是“能量越低越稳定”。原子中的电子也是如此。根据以上原则，

电子在原子轨道中填充排布的顺序为1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d…。”

“洪特原理 在能量相等的轨道上，自旋平行的电子数目最多时，原子的能量最低。所以在能量相等的

轨道上，电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道”

“由保里不相容原理得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，

总共可以容纳6个电子；d亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。第一电子层（K层）中只有1s亚层，

最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第三电子层（M

层） 中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳18个电子……第n层总共可以容纳2n个电子。”

2

核内质子的排列决定电子排列规律，质子也原用类似的规律，我们用大写字母表示质子的亚层结构，

则会出现能量最低原理：质子在原子核轨道中填充排布的顺序为1S 2S 2P 3S 3P 4S 3D 4P 5S 4D5P 6S 4F 5D

6P 7S 5F 6D…。”

洪特原理：在能量相等的轨道上，自旋平行的质子数目最多时，原子核的能量最低。所以在能量相等

的轨道上，质子尽可能自旋平行地多占不同的轨道，也就是半满、全满、全空状态。

保里不相容原理：S亚层只有1个轨道，可以容纳两个同轴自旋的质子；P亚层有3个轨道，总共可

以容纳6个质子；D亚层有5个轨道，总共可以容纳10个质子；F亚层有7个轨道，总共可以容纳14个质

子。第一质子层（K层）中只有1S亚层，最多容纳两个质子；第二质子层（L层）中包括2S和2P两个亚

层，总共可以容纳8个质子；第三质子层（M层） 中包括3S、3P、3D三个亚层，总共可以容纳18个质

子……第n层总共可以容纳2n个质子。

2

按以上排列的质子又是如何组成核结构的呢？大自然给与我们太多的提示：你看看周边的大树，它们

在主干上先分出三支小节，第二层分出的小节上又分出4-5节小节，第三层最外小节上分出6-7支小节，而

顶层总是2-3支小节或一支小主干。

原子核结构与大树结构类似，我就叫它：大树形接触式原子核结构。

因此，所有S亚层质子都排列在主干轴上，1S亚层以单中子结构组成，其余S亚层以双中子结构组成；

在2S亚层旁边分出三支2P亚层，且以单中子结构组成；多质子大核以主要形式排列到第2层后，首尾质

子因核力作用而明显偏离轴心，为了加强核力和整体的稳定，就由同等地位的3支P质子组成三角分支结

构，这3个P支节在主轴S层质子上取名为3支P亚层。稳定态时，这3支P亚层分支与主轴正好形成四

面体，称之为：三角四面体结构，在三角分区之后的主轴结构是以S亚层双中子次要形式组成。第3层以

后的分支又可在3支P亚层分支上生长出5支D亚层分支，第4层以后的5支D亚层分支上又可分生出7

支F亚层分支，各亚层分支由能极高低和轨道数决定。所有亚层分支结构形式都是单中子形主要结构形式。

多支节大核的分支以2支或3支组成体系，由各体系组成趋三角四面体形，总体核的形状仍以主轴为中心

组成趋三角四面体形结构的亚稳定结构。整个多质子大核结构形如一棵理想大树：有主干、有分支、有次

分支，有主根、有分根、有次分根……它以主轴为主体、以三角四面体为根本，首尾三角四面体形结构组

成为最稳定结构。

为什么2S后主轴以双中子结构组成？双中子结构核力较弱（核力势垒可见），而2S上的三支2P支节

会随主轴高速小圆环旋转，旋转产生的电流环与相邻质子自旋同向，由此产生的安培力引力较强，从而增

大了相邻间的核力。若以单中子结构组成则因相邻质子太多产生的库仑斥力太大而排斥。主轴尖为什么以

三角四面体结构？也是同样道理。

电子分层，质子也分层，电子最外以s或p亚层结束，质子也是S或P亚层且组成三角四面体形。由

此可见核外电子的所有排列规律全部由核内质子排列规律决定。

这就是核的形状。当核高速园周旋转时，从外界观察可以发现它形如“球形”，当核主要以主轴方式

旋转时，从外界观察可以发现它形如“仿垂形”。不旋转（现实中是不可能的）观察就象一棵理想的大树。

所以，把本文推导得出的核结构叫做大树形接触式原子核结构。如下图5-4钴60核的结构图：

1956年李政道、杨振宇推断弱相互作用中“宇称不守恒”，建议用β衰变电子的角分布来推断。1957

年吴建雄等完成了此项实验：(文献1)

“把β衰变的钴60核（

60

C ）放在强磁场中，温度降到1K以下，最后达到0.004K，这样有60％的钴60

O

核（ C ）磁矩取顺磁场方向。低温下原子核热运动减低，以免扰乱原子核的有序化。实验发现，60％

60

O

的β射线从反磁场方向发射出来，40％的β射线从顺磁场方向发射出来。” 实验证明：钴60核（ C ）β

60

O

衰变发生在核磁的南极，或说是逆磁方向，也就是图5－4的X处。实验映证：核结构排列总是在核磁北极

排满后才在核磁南极排列。实验映证：衰变后的三角形比衰变前稳定得多。从整个核结构可以直观看出核

结构是非对称的，反过来说明弱相互作用时宇称不守恒的原因。

特别更证：从结构上说“宇称不守恒”其实是核的结构并不是对称性质的，总是N极大，S极小。

洪特原理：在能量相等的轨道上，自旋平行的质子数目最多时，原子核的能量最低。所以在能量相等

的轨道上，质子尽可能自旋平行地多占不同的轨道，也就是半满、全满、全空状态。5个3D质子全排在下

部（N极）符合半满状态，上部2支3D质子出现不稳定状态（一眼看出结构根本不和谐），因此在止处经

β衰变后变成了Ni核，使外层非三角体形结构衰变后成为三角体形结构，从而核变为稳定结构。

在原子核内，中子的主要作用有点是保护性质的作用，中子的多少与核的自旋和稳定有关，转动平稳、

结构稳定的核相应中子数就多些。

原子同位素核的结构，按核的主要结构形式和次要结构形式组合后余下的中子怎样排列？余下的中子

将占据下一个质子能极的位置。对于大核余下的中子太多，它不仅占据下一位质子能级位置，还将占据更

下级的第二、三能极的位置。在大核分支处核力加强，园周旋转慢，外围需要的向心力小，在亚层分支之

间处也可吸引一些中子（排列规律之外，亚层分支之间处）；因为质子与质子的库仑斥力，使这些地方不能

排上1个质子，只能吸引排列一些中子。所以， 越大的、转动越慢的核吸引的中子数越多，同一元素中子

数不同而成为同位素。

四、S宇宙的发展和N宇宙的终结。

现今的N宇宙还在不断扩展，一定有种力量对它吸引，这个力量就是S宇宙，也许有多个S宇宙，正

在等待我们的N宇宙的许多星系死亡后的撞击，也许时间是500亿年。现在在N宇宙边外的星系，当内核

燃烧完后，慢慢冷却成为冷中子块，500亿年后首先撞击S宇宙，一次又一次撞击，当N宇宙的1/4（或

1/3）撞击到S宇宙，S宇宙有了热量，中子裂变出质子，新的宇宙产生了。而同时N宇宙余下的2/3（或

3/4）却不断缩为一块冰冷的原始宇宙。总之，宇宙产生于质子的自旋，宇宙也消失于质子不再自旋。