原子轨道&&电子排布

原子轨道&&电子排布

电子排布

电子排序，即电子组态，也即电子构型，是指电子在原子、分子或其他物理结构中的每一层电子层上的排序及排列形态。

正如其他基本粒子，电子遵从量子物理学，而不是一般的经典物理学；电子也因此有波粒二象性。而且，根据量子物理学中的《哥本哈根诠释》，任一特定电子的确实位置是不会知道的（轨道及轨迹放到一旁不计），直至侦测活动进行使电子被侦测到。在空间中，该测量将会检测的电子在某一特定点的概率，和在这一点上的波函数的绝对值的平方成正比。

电子能够由发射或吸收一个量子的能量从一个能级跃迁到另一个能级，其形式是一个光子。由于包利不相容原理，没有两个以上的电子可以存在于某个原子轨道（轨道不等于电子层）；因此，一个电子只可跨越到另有空缺位置的轨道。

知道不同的原子的电子构型有助了解元素周期表中的元素的结构。这个概念也有用于描述约束原子的多个化学键。在散装物料的研究中这一理念可以说明激光器和半导体的奇特性能。

原子轨道的种类

作为薛定谔方程的解，原子轨道的种类取决于主量子数（n）、角量子数（l）和磁量子

数（m l）。其中，主量子数就相当于电子层，角量子数相当于亚层，而磁量子数决定了原子轨道的伸展方向。另外，每个原子轨道里都可以填充两个电子，所以对于电子，需要再加一个自旋量子数（m s），一共四个量子数。

n可以取任意正整数。在n取一定值时，l可以取小于n的自然数，m l可以取±l。不论什么轨道，m s都只能取±1/2，两个电子自旋相反。因此，s轨道（l=0）上只能填充2个电子，p轨道（l=1）上能填充6个，一个轨道填充的电子数为4l+2。

具有角量子数0、1、2、3的轨道分别叫做s轨道、p轨道、d轨道、f轨道。之后的轨道名称，按字母顺序排列，如l=4时叫g轨道。

排布的规则

电子的排布遵循以下三个规则：

构筑原理

整个体系的能量越低越好。一般来说，新填入的电子都是填在能量最低的空轨道上的。

∙洪德规则

电子尽可能的占据不同轨道，自旋方向相同。

∙包利不相容原理

在同一体系中，没有两个电子的四个量子数是完全相同的。

∙能级交错

同一亚层中的各个轨道是简并的，能级交错是电子随核电荷递增填充电子次序上的交错，并非先填能级的能量一定比后填能级的能量低。各亚层之间有能级交错现象：

1s

2s 2p

3s 3p

4s 3d 4p

5s 4d 5p

6s 4f 5d 6p

7s 5f 6d 7p

8s 5g 6f 7d 8p

有几个原子的排布不完全遵守上面的规则，如：

∙Cr：[ Ar ]3d54s1

这是因为同一亚层中，全充满、半充满、全空的状态是最稳定的。这种方式的整体能量比3d44s2要低，因为所有亚层均处于稳定状态。

排布示例

以铬为例：

1铬原子核外有24个电子，可以填满1s至4s所有的轨道，还剩余4个填入3d轨道：

∙1s22s22p63s23p64s23d4

2由于半充满更稳定，排布发生变化：

∙1s22s22p63s23p64s13d5

3除了6个价电子之外，其余的电子一般不发生化学反应，于是简写为：∙[Ar]4s13d5

4这里，具有氩的电子构型的那18个电子称为“原子实”。一般把主量子数小的写在前面：

∙[Ar]3d54s1

电子构型对性质的影响

电子的排布情况，即电子构型，是元素性质的决定性因素。

为了达到全充满、半充满、全空的稳定状态，不同的原子选择不同的方式。具有同样价电子构型的原子，理论上得或失电子的趋势是相同的，这就是同一族元素性质相近的原因；同一族元素中，由于周期越高，价电子的能量就越高，就越容易失去。

元素周期表中的区块是根据价电子构型的显著区别划分的。不同区的元素性质差别同样显著：如s区元素只能形成简单的离子，而d区的过渡金属可以形成配合物。

原子轨道

原子轨道（德语：Atomorbital，英语：atomic orbital），又称轨态，是以数学函数描述原子中电子似波行为[1][2]。此波函数可用来计算在原子核外的特定空间中，找到原子中电子的机率，并指出电子在三维空间中的可能位置[1][3]。“轨道”便是指在波函数界定下，电子在原子核外空间出现机率较大的区域。具体而言，原子轨道是在环绕着一个原子的许多电子（电子云）中，个别电子可能的量子态，并以轨道波函数描述。

现今普遍公认的原子结构是波耳氢原子模型：电子像行星，绕着原子核（太阳）运行。然而，电子不能被视为形状固定的固体粒子，原子轨道也不像行星的椭圆形轨道。更精确的比喻应是，大范围且形状特殊的“大气”（电子），分布于极小的星球（原子核）四周。只有原子中存在唯一电子时，原子轨道才能精准符合“大气”的形状。当原子中有越来越多电子时，电子越倾向均匀分布在原子核四周的空间体积中，因此“电子云”[4]越倾向分布在特定球形区域内（区域内电子出现机率较高）。

在原子物理学的运算中，复杂的电子函数常被简化成较容易的原子轨道函数组合。虽然多电子原子的电子并不能以“一或二个电子之原子轨道”的理想图像解释，它的波函数仍可以分解成原子轨道函数组合，以原子轨道理论进行分析；就像在某种意义上，由多

电子原子组成的电子云在一定程度上仍是以原子轨道“构成”，每个原子轨道内只含一或二个电子。

层次分别

电子层

最简单的电子分布，以电子层由内至外来算，即是，距离核子的第n层电子层，可容纳最多2n2个电子。（电子层数即主量子数n。）

由内至外电子层

次序电子层符

号

主量子数

亚电子层数

目

可容纳电子数目22

1 K 1 1 2

2 L 2 2 8

3 M 3 3 18

4 N 4 4 32

5 O 5 5 50

（注：虽然第三、四、五层的电子层可容纳电子数目分别为18和32和50，但是它们通常未挤满电子。例如钾（K）原子有19个电子，第一层（1s）有2个，第二层（2s2p）有8个，第三层却不是放进9个电子，而是第三层（3s3p）只放进8个电子，再在第四层（4s）放进1个电子。）

亚电子层[编辑]

电子层可再细分成亚电子层，其中又以形状分成四种（随新元素之发现，往后可能会有第五种），亚电子层也正是原子轨道的集合：

由内至

外亚电子层次序亚电子

层名称

角量子

数

形状

轨道

数目

电子

数目

字母意思