核外电子的运动状态

核外电子的运动状态

电子在原子中的运动状态,可n,l,m,ms四个量子数来描述.

（一）主量子数n

主量子数n是用来描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近,或者说它是决定电子层数的.主量子数的n的取值为1,2,3…等正整数.例如,n=1代表电子离核的平均距离最近的一层,即第一电子层；n=2代表电子离核的平均距离比第一层稍远的一层,即第二电子层.余此类推.可见n愈大电子离核的平均距离愈远.

在光谱学上常用大写拉丁字母K,L,M,N,O,P,Q代表电子层数.

主量子数（n）

1 2 3 4 5 6 7

电子层符号

K L M N O P Q

主量子数n是决定电子能量高低的主要因素.对单电子原子来说,n值愈大,电子的能量愈高.但是对多电子原子来说,核外电子的能量除了同主量子数n有关以外还同原子轨道（或电子云）的形状有关.因此,n 值愈大,电子的能量愈高这名话,只有在原子轨道（或电子云）的形状相同的条件下,才是正确的.

（二）副量子数l

副量子数又称角量子数.当n给定时,l可取值为0,1,2,3…（n-1）.在每一个主量子数n中,有n个副量子数,其最大值为n-1.例如n=1时,只有

一个副量子数,l=0,n=2时,有两个副量子数,l=0,l=1.余此类推.按光谱学上的习惯l还可以用s,p,d,f等符号表示.

l 0 1 2 3

光谱符号s p d F

副量子数l的一个重要物理意义是表示原子轨道（或电子云）的形状.L=0时（称s轨道）,其原子轨道（或电子云）呈球形分布（图4-5）；l=1时（称p轨道）,其原子轨道（或电子云）呈哑铃形分布（图4-6）；…图4-5 s电子云图4-6 p电子

副量子数l的另一个物理意义是表示同一电子层中具有不同状态的亚层.例如,n=3时,l可取值为0,1,2.即在第三层电子层上有三个亚层,分别为s,p,d亚层.为了区别不同电子层上的亚层,在亚层符号前面冠以电子层数.例如,2s是第二电子层上的亚层,3p是第三电子层上的p亚层.表4-1列出了主量子数n,副量子数l及相应电子层、亚层之间的关系. 表4-1 主量子数n,副量子数l及其相应电子层亚层之间的关系

n

电子层

l

亚层

1

1

2 2 0 2s

1 2p

3 3 0 3s

1 3p

2 3d

4

4s

1

4p

2

4d

3

4f

对于单电子体系的氢原子来说,各种状态的电子能量只与n有关.但是对于多电子原子来说,由于原子中各电子之间的相互作用,因而当n相同,l不同时,各种状态的电子能量也不同,l愈大,能量愈高.即同一电子层上的不同亚层其能量不同,这些亚层又称为能级.因此副量子数l的第三个物理意义是：它同多电子原子中电子的能量有关,是决定多电子原子中电子能量的次要因素.

（三）磁量子数m

磁量子数m决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向.当l给定时,m的取值为从-l到+l之间的一切整数（包括0在内）,即0,±1,±2,

±3,…±l,共有2l+1个取值.即原子轨道（或电子云）在空间有2l+1个伸展方向.原子轨道（或电子云）在空间的每一个伸展方向称做一个轨道.例如,l=0时,s电子云呈球形对称分布,没有方向性.m只能有一个值,即m=0,说明s亚层只有一个轨道为s轨道.当l=1时,m可有-1,0,+1三个取值,说明p电子云在空间有三种取向,即p亚层中有三个以x,y,z 轴为对称轴的px,py,pz轨道.当l=2时,m可有五个取值,即d电子云在空间有五种取向,d亚层中有五个不同伸展方向的d轨道（图4-7）.

图4-7 s,p,d电子云在空间的分布

n,l相同,m 不同的各轨道具有相同的能量,把能量相同的轨道称为等价轨道.

（四）自旋量子数ms

原子中的电子除绕核作高速运动外,还绕自己的轴作自旋运动.电子的自旋运动用自旋量子数ms表示.ms 的取值有两个,+1/2和-1/2.说明电子的自旋只有两个方向,即顺时针方向和逆时针方向.通常用“↑”和“↓”表示.

综上所述,原子中每个电子的运动状态可以用n,l,m,ms四个量子数来描述.主量子数n决定电子出现几率最大的区域离核的远近（或电子层）,并且是决定电子能量的主要因素；副量子数l决定原子轨道（或电子云）的形状,同时也影响电子的能量；磁量子数m决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向；自旋量子数ms决定电子自旋的方向.因此四个量子数确定之后,电子在核外空间的运动状态也就确定了.

量子数,电子层,电子亚层之间的关系

每个电子层最多容纳的电子数2 8 18 2n^2

主量子数n 1 2 3 4

电子层K L M N

角量子数l 0 1 2 3

电子亚层s p d f

每个亚层中轨道数目1 3 5 7

每个亚层最多容纳电子数2 6 10 14

核外电子的分布：

1. 原子中电子分布原理：

（两个原理一个规则）：

(1)、泡利（Pauli）不相容原理

在同一原子中,不可能有四个量子数完全相同的电子存在.即每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子.

(2)、能量最低原理

多电子原子处于基态时,核外电子的分布在不违反泡利原理前提下,总是尽先分布在能量较低的轨道,以使原子处于能量最低状态. (3)、洪特(Hund)规则

原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时,尽可能单独分布在不同的轨道,而且自旋方向相同（或称自旋平行）.

基态原子中电子的分布

1、核外电子填入轨道的顺序