1.原子结构理论

珠宝玉石矿物大部分由两种以上的原子（元素）组成。现代物质结构理论证明，原子并不是组成物质的最小单元，原子由原子核和核外电子组成（图3-16），原子的直径约为10-8cm，电子的直径约为10-13cm，原子核的直径约为10-14～10-12cm。原子核带正电荷，电子带负电荷，每个电子的质量很小，只有氢原子质量的1/1840，原子的质量主要集中在原子核上，而电子则绕着原子核不停地运转。整个原子在电性上是中和的，原子核的正电荷数等于核外电子的个数，原子核的正电荷数恰好等于该元素在周期表中的原子序数。原子核结构如图3-16所示。

图3-16　原子核结构示意图

1913年，玻尔（N.Bohr）发表了原子结构理论，指出：原子中的电子在一定轨道上绕着原子核运转，电子是处在一定的能级上的（图3-17），电子轨道离原子核的远近不同，电子所处的能级高低就不同（图3-18）。进一步的研究指出：电子所处的能级不仅与轨道离原子核的远近有关，而且还与轨道在空间的形状、轨道在空间的方向以及电子的自旋有关。

图3-17　氧原子结构的两种表示方法

图3-18　锌原子结构的表示方法

电子不仅具有粒子性，而且具有波动性。

量子力学认为，对于一个高速运动着的微粒，我们不可能精确地知道它在某一瞬间处于空间的哪个点，只能考虑它在空间某个点出现的概率。在量子力学中，“轨道”的概念是：电子出现在原子核周围某个区域的概率，这种轨道叫“量子轨道”，且在玻尔轨道（传统观念上的轨道）半径处，电子出现的概率最大。

2.量子力学对原子结构的解释

量子力学描述原子内电子的运动状态，常用到4种量子数：主量子数（n）、副量子数（l）、磁量子数（m）、自旋量子数（s）。

（1）主量子数（n）：用来描述电子出现概率最大处距原子核的远近，它和副量子数共同确定电子所处的能级。主量子数n越大，电子所处的能级越高（n=1，2，3，4……；n为正整数）。习惯上用电子层（主层）的K、L、M、N、O……等表示。

（2）副量子数（l）：用来描述电子云的形状（相当于轨道的形状）或电子云伸展的程度。具有相同主量子数的电子，如果其副量子数相同，即电子云的形状相同，则电子具有相同的能级；若其副量子数不同，即电子云的形状不同，电子的能级就有差别。副量子数（l）的值为0到（n-1），l有多少个能级，就表示电子云的形状有多少种类型。如n=2，则l从0到（2-1）共有0、1两个值。

（3）磁量子数（m）：用来描述电子云在空间伸展的方向。由于它可以解释光谱在磁场中的分裂现象，故称为磁量子数，其数值由l决定，可在（-l，+l）内变化，即m可有（2l+1）个值，或者说电子云可沿空间（2l+1）个不同的方向伸展。

（4）自旋量子数（s）：用来描述电子的自旋。自旋只有两种情况：顺时针旋转和逆时针旋转，分别以s=1/2和s=-1/2来表述。

对于一个电子在原子内的运动状态，必须用上述4个量子数来描述，它们既描述了电子的运动状态，又描述了电子所处的能级。

3.原子核外电子的排列分布规律

原子核外电子主要按照以下4种原则排列分布。

（1）最低能量原则：电子在原子内处于最低能级时最稳定。电子总是最先排列分布在能级最低的轨道上，排满后，才依次进入能级较高的一层。(www.daowen.com)

（2）鲍里不相容原理：每条轨道上最多只能排列两个自旋方向相反的电子。

（3）洪特规则：在主量子数（n）相同、副量子数（l）也相同的时候，电子的排列分布将尽可能占据不同的轨道而且自旋平行。即每个轨道都被单电子（未成对）占据以后，其余电子才充填别的轨道，并在进入新轨道时按自旋相反的方向排列分布，使电子配对。

（4）对d轨道和f轨道来说，当达到全充满或半充满（或接近全充满或半充满）时原子的能量较低。

根据这些原则，人们发现了电子的排列分布具有周期性重复的特点，并且这个特点引起了元素化学性质的周期性变化。

综上所述，可以总结出如下规律：

（1）原子核的核电荷越多、半径越小，原子核对电子的吸引力越强，则原子越不容易失去电子。

（2）原子的最外层电子数越少，则原子越容易失去电子；原子的最外层电子数越多（非金属最外层电子数常多于4个），则原子越难失去电子且越容易得到电子。

（3）由于内层电子对外层电子的排斥，所以内层电子的存在减弱了原子核对外层电子的吸引力，因此，随着原子内电子层数的增加，最外层的电子越容易失去。

4.珠宝玉石矿物的颜色

（1）若能让可见光（波长400～700nm）全部通过，则该珠宝玉石呈无色透明状。

（2）若能很好地反射可见光中的一切光，则该珠宝玉石呈白色。

（3）若完全吸收可见光中的一切光，则该珠宝玉石呈黑色。

（4）若吸收可见光中的一部分，使电子从基态跳到激发态，只要基态和激发态的能量差等于可见光的能量，该珠宝玉石就有颜色，所呈现的颜色为被吸收光颜色的补色。若基态与激发态的能量差大于可见光能量的上限，或小于可见光能量的下限，则珠宝玉石不显色。

（5）含有成对电子的离子，即外层电子数为8个、18个、（18+2）个时，都没有颜色。具有不规则外层的离子，如Fe2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Cr2+、镧系元素和锕系元素的离子，因含有未成对的d轨道电子或f轨道电子，而激发这些未成对的电子时需要的能量较小，所吸收的波长在可见光范围内，故致色。