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       每一種元素都是通過它的原子序數(shù)來定義的，原子序數(shù)就是該元素的每一個原子的原子核中帶正電荷的質(zhì)子的數(shù)目。這些質(zhì)子和數(shù)目相等的帶負電荷的電子相匹配，而那些電子則位于圍繞著原子核的“軌道”中。“軌道”之所以被加上引號，是因為這些電子實際上并不像行星那樣在圍繞著恒星的軌道上運行。事實上，我們根本不能談論電子是如何移動的。相反，電子是以“電子云”的方式存在的，也就是說我們只能知道它出現(xiàn)在某處的可能性比其他的地方大，但無法預測它在某個時刻處于某個確定的位置。以下的圖顯示了圍繞著核的電子概率云的各種三維形狀。

       第一種類型的軌道稱為s軌道，它是完全對稱的，也就是說電子在各個方向上出現(xiàn)的概率相同。第二種類型稱為p軌道，它有兩個葉瓣，這意味著電子出現(xiàn)在原子核的這一側或另一側的概率要比出現(xiàn)在兩個葉瓣之間的可能性更大。

       s軌道只有一個，但p軌道卻有三個，其葉瓣分別指向三個互相垂直的方向（x，y，z）。類似地，d軌道有五個，f軌道有七個，并且葉瓣的數(shù)目逐漸增加。（你可以把這些形狀想像為三維駐波。）

       每一種類型的軌道可以有不同的大小，例如，1s軌道是個小球，2s軌道是個比較大的球，3s軌道則是個更大的球，等等。隨著軌道數(shù)量的增加，處于軌道中的電子的能量會增大。在其他條件都相同的情況下，電子總是處于最小的、能量最低的軌道中。

       那是不是說原子中的所有電子都擠在能量最低的1s軌道中呢？不是的。按照量子力學早期歷史中一個最基本的發(fā)現(xiàn)：任何類似電子那樣的兩個粒子（稱為費米子）不可能同時處于完全相同的量子態(tài)中。因為電子具有一種稱為“自旋”的內(nèi)部狀態(tài)，它可以是向上或是向下的。這就是說，在一個給定的軌道中只能容納兩個電子——一個自旋向上，一個向下。

       氫只有一個電子，因此這個電子就處于1s軌道中。氫有兩個電子，剛好填滿1s軌道，滿足1s軌道可以容納兩個電子的要求。鋰有三個電子，由于1s軌道已經(jīng)沒有多余的空間，第三個電子就只好呆在能量較高的2s軌道中。依此類推、每個電子都會按照能量遞増的次序填滿軌道。

       從電子填充順序圖就會看到該元素原子核中的電子是如何填充從1s到7p軌道的，其中的紅條表示其代表的軌道已經(jīng)被電子填充（7p是已知元素中被電子占據(jù)的能量最高的軌道）。軌道填充的準確順序是出人意料地微妙和復雜。特別要注意釓（64）前后的元素。

       正是這個填充順序決定了元素周期表的形狀。周期表最左側的兩個縱列代表最外層電子填充了s軌道，接下來的十個縱列代表最外層電子填充了五個d軌道，最后的六個縱列代表最外層電子填充了三個p軌道。最后，但并非最不重要的是，14種稀土元素的最外層電子會填充七個f軌道。（如果你問自己，為什么第2號元素氦不是放在第4號元素鈹?shù)纳厦?，那么我祝賀你，你已經(jīng)像一位化學家而不是像一位物理學家那樣思考問題了。）