氢原子百科 
原子半径（英文名称：Atomic Radius）通常指原子核到最外层电子的平均距离。原子的大小可以用"原子半径"来描述。原子半径的标度很多，各种不同的标度，原子半径的定义不同，差别可能很大。[2]通常讲的原子半径，是根据相邻原子的平均核间距测定的。根据原子间作用力的不同，原子半径可以分为共价半径、金属半径和范德华半径。[3][4]同一元素的不同半径的关系为：范式半径>金属半径>共价半径。[5]另外，原子处于基态时的轨道半径称为玻尔半径。[6][7]原子获得或失去电子成为离子的有效半径为离子半径。[8]
原子半径的范围一般在30–300pm。测量原子半径可以通过测量宏观物质、量子力学理论和测定结构等方法测得。[2]
相关历史
在1920年~1927年间，Lande、Wasaatjerna、Goldschmidt和Pauling等提出一组完整的用离子型分子和晶体的离子半径值。在1926年M.L.Huggins发表了一组适用于含有共价键的晶体的原子半径，同年V. M.Goldschmidt发表了得自金属和共价非金属晶体的原子半径值。后来他将这些数值和另一些数据集中一张适用于金属和金属互化物的半径数据表。以后L.pauling和M.L.Huggins考察了共价晶体的原子间距离，从而制定出四面体形半径，八面体形半径和正方形半径的数据表。并根据当时所能找到的少数正常价键分子的数据将一些四面体形半径值做了少许改变，得出相差极小的正常单键共价半径值。此后对气体分子的电子衍射和微波研究工作以及对分子晶体的进一步X射线研究工作，为检查和修正半径数值表提供了许多原子间距离数值。[9]
德国化学家迈耶尔发表的论文中首次以曲线的形式画出了一条原子体积（随原子量递增发生周期性变化的）曲线图。[2]1965年，瓦伯（J.T.Waber ）和克罗默（D.T.Cromer）定义原子最外层原子轨道电荷密度最大值所在球面为原子半径。[2]
定义
原子是一个球体，因而具有半径。但是从电子云角度看，电子在原子核外各处都有出现的可能性，仅概率不同而已，所以原子没有一个明确的界面。并且除稀有气体外，对于任何元素来说，原子总是以一定作用力即以一定的化学键的方式存在于单质或化合物中。而从量子力学观点考虑，原子形成化学键时总是会发生一定程度的原子轨道的重叠。[3]因此，严格说来，原子半径有不确定的含义；而且要给出任何情况下均适用的原子半径是不可能的。通常讲的原子半径，是根据相邻原子的平均核间距测定的。根据原子间作用力的不同，原子半径可以分为共价半径、金属半径和范德华半径。[3][4]
一般而言，金属元素可有金属半径、共价半径，甚至范德华半径；非金属元素有共价半径、范德华半径；稀有气体主要有范德华半径，极少有共价半径。金属半径、共价半径和范德华半径，由于原子间结合力、核间距不同，半径也就不同。通常，共价半径因为结合力最强，半径最短；范式半径因为结合力最弱，半径最长；金属半径介于两者之间。同一元素的不同半径的关系为：范式半径>金属半径>共价半径。[5]
共价半径
同种元素的两个原子以共价单键结合时，两原子的核间距离的一半称为原子的共价半径，用rc表示。例如含有一个共价单键的H2，其核间距d=64pm。氢原子的共价半径心=32pm。已知基态氢原子的半径为52.9pm，显然共价半径小于非化合态的自由原子半径。[10]
范德华半径
分子间的作用力称为范德华力。范德华半径是指单质分子晶体中，相邻分子间两个非键合的原子以范德华力相互作用时，两个原子的核间距离的一半。一般来看，范德华半径大于同种元素的单键共价半径。例如氯原子的范德华半径为180pm，共价半径为99pm。[10]
金属半径
在金属单质晶体中，相邻两个原子核间距的一半称为金属半径，金属半径和共价半径都是原子以化学键相结合状态下的原子半径。对同一金属原子，实测的金属半径通常比其共价半径大10~15×10-2。例如钠的共价半径为157pm，金属半径为186pm，范德华半径为231pm。[10]
离子半径
轨道半径
变化规律
图片来源：[11]
图片来源：[12]
短周期：是指周期表中第1、2、3周期的元素。在同一短周期中，从左到右由于增加的电子同在外层，电子层数不变，而原子的有效核电荷逐渐增多，对核外电子的吸引力逐渐增强，故原子半径依次变小。而最后一个稀有气体的原子半径突然增大，这是由于稀有气体的原子半径采用范德华半径所致。[13]
长周期：在同一长周期中，从左到右，原子半径的变化总体趋势与短周期相似，也是依次变小的。但过渡元素的变化不太规律。由于所增加的电子填充在次外层的d轨道上，对外层电子的屏蔽效应增大，原子的有效核电荷有所降低，对核外电子的吸引力有所下降。但核电荷的增加还是占主导的，所以，过渡元素的原子半径依次变小的幅度很缓慢，但电子填充至d10全满的稳定状态时，对外层电子的屏蔽效应更强，故原子半径有所变大。如：第四周期过渡元素。[13]
| Co | Ni | Cu | Zn |
|---|---|---|---|
| 3d74s2 | 3d84s2 | 3d104s1 | 3d104s2 |
| 116pm | 115pm | 117pm | 125pm |
同一族元素原子半径的变化
主族元素：从上至下，电子层逐渐增加所起的作用大于有效核电荷增加的作用，所以原子半径逐渐增大。[13]
副族元素：从上至下原子半径的变化趋势总体上与主族元素相似，但原子半径增大不很明显。主要原因是内过渡元素[注1]的镧系收缩现象，收缩的原子半径约为11pm。如：[13]
| 第五周期 | 第六周期（镧系收缩） |
|---|---|
| 锆 Zr 145pm | 铪 Hf 144pm |
| 铌 Nb 134pm | 钽 Ta 134pm |
| 钼 Mo 130pm | 钨 W 130pm |
内过渡元素新增加的电子填充在 (n-2)f 轨道上，使有效核电荷增加得更缓慢，原子半径变小幅度更小，使得上下两元素的原子半径非常接近，性质相似，分离困难。[13]
对于同周期的s区和p元素，随着核电荷的增加，电子依次填入最外层的ns或np轨道，它们对原子核的屏蔽作用最小，因而原子核作用于最高能级电子的有效核电荷Z*显著增加，从而导致原子半径显著减小。[14]
对于d区元素，随着核电荷的增加，电子依次填入次外层的(n-1)d轨道，相对于最外层电子而言，次外层电子对原子核的屏蔽作用较大，因而原子核作用于最高能级电子的有效核电荷Z*增加较少，从而导致原子半径收缩较小。[14]
对于f区元素，随着核电荷的增加，电子依次填入倒数第三层的(n-2)f轨道，相对于最外层和次外层电子而言，倒数第三层电子对原子核的屏蔽作用更大，因而原子核作用于最高能级电子的有效核电荷Z*增加更少，因而导致原子半径收缩更小。[14]
测量
通过测定原子的核间距可以来间接推算出所谓的原子半径。把在单质分子（或晶体）中相邻的原子核间平均距离的一半定义为原子的原子半径。原子的核间距可以通过晶体衍射或光谱等实验测定，由此计算原子半径的数据。[15]
测量宏观物质
原子半径可通过测量固体单质的密度，计算出1 mol物质的体积，再除以阿伏伽德罗常数，得到一个原子在固态物质单质中的平均占有体积，再假设原子是球体，并假设所有原子球在固态中紧密接触，不留空隙，就可得到原子半径。[2]
量子力学
测定结构
测定原子形成各种分子或固体后的核间距。同种原子，核间距除以2，就可得到该原子的半径；对于异种原子（设为AB），只要已知其中一种元素（如A）的原子半径，就可用核间距（如A-B）求取另一种元素（B）的原子半径。通常书籍上所记载的原子半径就是由此法测得。[2]
参考资料 15
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 原子(离子)半径(pm)周期表 — 华东理工大学
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
注释
- 镧系与锕系元素的总称