科技袁人袁嵐峰2017-08-29 14:33:08

基本的原因是，8個電子剛好填滿外層的1個s能級和3個p能級。

微觀世界的一大特徵是，許多物理量是離散變化的。也就是說，它們只能取某些不連續的值，而不能取這些值之間的那些值。就像上臺階一樣，可以上一個臺階、兩個臺階、三個臺階，但不能上半個臺階、1/3個臺階、根號2個臺階等等。

例如氫原子中電子的能量只能取-13。6 eV（eV 是“電子伏特”，一種能量單位）或者它的1/4、1/9、1/16 等等，總之是這個值除以某個自然數的平方（-13。6/n^2 eV，n可以取1、2、3、4、5等等，科學家把這個n稱為“主量子數”），而不能取-10 eV、-20 eV等等。這是個普遍現象，在所有種類的原子中，電子的能量都是李三寶變化的。因此，我們往往把電子可以取到的這些能量稱為“能級”，表現它是一級一級的。下圖就是氫原子的能級圖。

氫原子的能級

多個能級可以具有相同的能量。還用上臺階來作比喻，在同一個高度可以有兩個、三個或更多的臺階，它們在垂直方向具有相同的高度，在水平方向是分離的。在物理學和化學中，把多個能級具有相同的能量這種情況稱為“簡併”。

對於氫原子，在上圖中n = 1的地方（最低的那個，-13。6 eV），只有一個能級，它是不簡併的，我們稱之為s能級。在上圖中n = 2的地方（次低的那個-3。4 eV），有4個簡併能級，我們稱之為1個s能級和3個p能級。再往上，還會出現5個d能級、7個f能級等等。

氫原子只有一個電子，是最簡單的原子，所以在同一個n下面，s和p、d、f等能級都是嚴格簡併的。而對於其他絕大多數的原子，這些能級就會稍微錯開一點了。但無論如何，在同一個n下面的各個能級是比較接近的，都跟其他的n下面的能級比較遠。

如果一個原子的電子剛好填滿一個n下面的能級，那麼再來一個電子的時候，就只能到n+1的能級去，能量一下子就高了許多。好比一群人排合影，一排站不下了，只得增加一排。因此，這種剛好填滿的狀態，是比較穩定的，我們稱之為“滿殼層”。

多少個電子會填滿呢？電子有一個性質叫做“自旋”，看這名字好像滾筒洗衣機的旋轉，可以這樣形象地理解，但不能太當真。總之，一個電子有兩個可選的自旋，“上”和“下”，所以一個能級上可以放兩個電子。那麼，填滿n = 1的1個s能級，只需要2個電子。填滿n = 2的1個s能級和3個p能級，需要2 + 6 = 8個電子。填滿n = 3的1個s能級、3個p能級和5個d能級，需要2 + 6 + 10 = 18個電子，如此等等。

在大多數原子中，最外層的s能級和p能級的能量是比較接近的，而d能級，即使跟它們屬於同一個n，能量也會高不少。因此，填滿最外層的1個s能級和3個p能級，也就是有8個電子時，就達到了滿殼層的狀態。所有的惰性氣體，除了最小的氦（He）只有2個電子外，都是在最外層達到8個電子的滿殼層，這就是它們化學性質最不活潑的原因。