電子亞層在相同電子層中電子能量還有微小的差別

1、電子亞層在相同電子層中電子能量還有微小的差別作者:日期:電子亞層在相同電子層中電子能量還有微小的差別，電子云形狀也不相同，根據(jù)這些差別把一個(gè)電子層分為幾個(gè)亞層。在同一電子層中，電子的能量還稍有差異，電子云的形狀也不相同。因此電子層還可分成一個(gè)或n個(gè)電子亞層。K層只包含一個(gè) s亞層；L層包含s和p兩個(gè)亞層；M層包含s、p、d三個(gè)亞層；N層包含s、p、d、f 四個(gè)亞層。電子亞層之一一電子亞層可用表示，=0、1、2、3、（n-1 ）, n為電子層數(shù)。即K層（n=1 ）有0 一個(gè)亞層（s）; L層（n=2 ）有0、1兩個(gè)亞層，即 2s、2p ; M層（n=3 ）有0、1、2三個(gè)亞層，即 3 s、3p、

2、3d。同理 N層有4s、4p、4d、4f四個(gè)亞層。不同亞層的電子云形狀不同，s亞層（=0 ）的電子云形伏為球形對(duì)稱(chēng)；p亞層（=1 ）的電子云為無(wú)柄啞鈴形（紡錘形）；d亞層（=2 ）的電子云為十字花瓣形等。同一電子層不同亞層的能量按s、p、d、f序能量逐漸升高。電子亞層之二 通過(guò)對(duì)許多元素的電離能的進(jìn)一步分析，人們發(fā)現(xiàn)，在同一電子層中的電子能量也不完全相同，仍可進(jìn)一步分為若干個(gè)電子組。這一點(diǎn)在研究元素的原子光譜中得到了證實(shí)。電子亞層分別用s、p、d、f等符號(hào)表示。不同亞層的電子云形狀不同。s亞層的電子云是以原子核為中心的球形，p亞層的電子云是紡錘形，d亞層為花瓣形，f亞層的電子云形狀比較復(fù)雜。電

3、子亞層之三 受磁量子數(shù)的控制，s層有一個(gè)軌道，p層有三個(gè)軌道，d層有五個(gè)軌道，等等，（根據(jù)自旋量子數(shù)，每個(gè)軌道可容納2個(gè)電子）。由于亞層的存在，使同一個(gè)電子層中電子能量出現(xiàn)不同，甚至出現(xiàn)低電子層的高亞層能量大于高電子 層的低亞層，即所謂的能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。各亞層能量由低到高排列如下：1s , 2s , 2p , 3s , 3p , 4s, 3d , 4p , 5s , 4d , 5p , 6s , 4f, 5d , 6p , 7s , 5f, 6d有一個(gè)公式可以方便記憶：ns<（n-2）f<（n-1）d<np只要記住其中d亞層從3d開(kāi)始，f亞層從4f開(kāi)始就行了。寫(xiě)能級(jí)順序時(shí)n從1

4、開(kāi)始取，f前的n>=6,d前的n>=4。一、原子軌道和電子云二、軌道量子數(shù)與原子能級(jí)從解薛定諤方程所引進(jìn)的一套參數(shù)n, l, m （稱(chēng)為量子數(shù)）的物理意義、取值以及取值的組合形式與核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系如下：（一）主量子數(shù) （n ）描述電子離核的遠(yuǎn)近，確定原子的能級(jí)或確定軌道能量的高低。決定軌道或電子云的分布范圍。一般，n值越大，電子離核越遠(yuǎn)，能量越高。主量子數(shù)所決定的電子云密集區(qū)或能量狀態(tài)稱(chēng)為電子層（或 主層）。主量子數(shù)n 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,（共取n個(gè)值）電子層符號(hào)K, L, M , N, O, P, Q ,（二）角量子數(shù)（副量子數(shù)）（I ）同一電子層（n）

5、中因副量子數(shù)（l）不同又分成若干電子亞層（簡(jiǎn)稱(chēng)亞層，有時(shí)也稱(chēng)能級(jí)）。I確定同一電子層中不同原子軌道的形狀。在多電子原子中，與n 起決定軌道的能量。副量子數(shù)I = 0, 1, 2, 3, 4，,n -1 （共可取 n個(gè)值）亞層符號(hào) s, p、 d、 f、 g軌道形狀園球雙球花瓣八瓣（三）磁量子數(shù)（m）確定原子軌道在空間的伸展方向。m = 0,± 1, ± 2, ± 3,± l 共可取值（2l +1）個(gè)值s p d f軌道空間伸展方向數(shù)：1 3 5 7 （ m的取值個(gè)數(shù)）n, l相同，m不同的軌道能量相同。也即同一亞層中因m不同所代表的軌道具有相同的能量。通

6、常將能量相同的軌道互稱(chēng)為等價(jià)軌道或簡(jiǎn)并軌道。三個(gè)量子數(shù)的取值關(guān)系：L受n的限制:n=1l = 0m=0n=2l = 0,1m = 0n=3l = 0,1,2 m = 0,±1, ±2m的取值受l的限制：如l :=0m =0l :=1m =-1,0, +1l :=2m =-2,-1, 0, +1,+2三個(gè)量子數(shù)的一種組合形式?jīng)Q定一個(gè)Y，而每一個(gè) Y又代表一個(gè)原子軌道，所以三個(gè)量子數(shù)都有確定值時(shí)，即確定核外電子的一種電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（四）原子能級(jí)在多電子原子中，原子的能級(jí)除受主量子數(shù)（n）影響外，還與副量子數(shù)（I）有關(guān)，其間關(guān)系復(fù)雜。下圖表示了若干元素原子中能級(jí)的相對(duì)高低。由圖可

7、以看出：（1）單電子原子（Z=1）中，能量只與 n有關(guān)，且n f, Ef(2)多電子原子“ Z>2 )中,能量與 n、1有關(guān)。n相同，1不同，則l fEf如：Ens V Enp V End VEnf1相同，n不同，則nf,Ef如：E1s V E2s V E3s E2p V E3p V E4pE3d V E4d V E5d“（3 ）能級(jí)交錯(cuò)4s)若n和I都不同，雖然能量高低基本上由n的大小決定，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高電子層中低亞層（如的能量反而低于某些低電子層中高亞層（如3d ）的能量這種現(xiàn)象稱(chēng)為能級(jí)交錯(cuò)。能級(jí)交錯(cuò)是由于核電荷增加，核對(duì)電子的引力增強(qiáng)，各亞層的能量均降低，但各自降低的幅度不同所致

8、。能級(jí)交錯(cuò)對(duì)原子中電 子的分布有影響?！比?、電子的自旋與電子層的最大容量1自旋量子數(shù)“ ms）用分辨能力很強(qiáng)的光譜儀來(lái)觀察氫原子光譜，發(fā)現(xiàn)一條譜線是由靠得非常近的兩條線組成，為氫原子的 精細(xì)結(jié)構(gòu)，1925年琴倫貝克和高斯米特，根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)提出了電子自旋的概念，用以描述電子的自旋運(yùn)動(dòng)。自旋量子數(shù) ms有兩個(gè)值（+1/2 , -1/2），可用向上和向下的箭頭（“f”來(lái)表'示）電子的兩種所謂自旋狀態(tài)。結(jié)論：描述一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要用四個(gè)量子數(shù)“n, I, m , ms ），同一原子中，沒(méi)有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子存在。2. 原子核外電子排布的一般規(guī)律（1）Pauli不相容原理在同一原

9、子中，一個(gè)原子軌道上最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。（2）能量最低原理電子總是最先排布（占據(jù)）在能量最低的軌道。（3）洪特規(guī)則 在等價(jià)軌道上，電子總是盡先占據(jù)不同的軌道，而且自旋方向相同（平行）。 當(dāng)?shù)葍r(jià)軌道上全充滿時(shí)（p6, d10, f 14 ），半充滿（p3, d 5, f 7 ）和全空（pO, dO, f 0 ）時(shí)，能量最低，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。3. 電子層的最大容量根據(jù)以上的排布規(guī)則，可以推算各電子層、電子亞層和軌道中最多能容納多少電子。由于每一個(gè)電子層（ n）中有n個(gè)電子亞層（每一個(gè)電子亞層又可以有（21+1 ）個(gè)軌道），則每一電子層可能有的軌道數(shù)為n2,即：又由于每一個(gè)軌道上最多容納

10、兩個(gè)電子，所以每一電子層的最大容量為2 n2,每一電子亞層中的電子數(shù)不超過(guò) 2（ 21+1 ）個(gè)。電子層的最大容量（n =1 4）原子核外的電子總是有規(guī)律的排布在各自的軌道上。原子軌道的種類(lèi)主頁(yè)面：原子軌道作為薛定諤方程的解，原子軌道的種類(lèi)取決于主量子數(shù)（n）、角量子數(shù)（I）和磁量子數(shù)（ml）。其中，主量子數(shù)就相當(dāng)于電子層，角量子數(shù)相當(dāng)于亞層，而磁量子數(shù)決定了原子軌道的伸展方向。另外，每個(gè)原 子軌道里都可以填充兩個(gè)電子，所以對(duì)于電子，需要再加一個(gè)自旋量子數(shù)（ms），共四個(gè)量子數(shù)。n可以取任意正整數(shù)。在n取一定值時(shí)，I可以取小于 n的自然數(shù)，ml可以取±。不論什么軌道，ms都只能取&#

11、177;1/2，兩個(gè)電子自旋相反。因此，s軌道（l=0 ）上只能填充 2個(gè)電子，p軌道（l=1 ）上能填充6個(gè)，一個(gè)亞層填充的電子數(shù)為41+2。具有角量子數(shù) 0、1、2、3的軌道分別叫做s軌道、p軌道、d軌道、f軌道。之后的軌道名稱(chēng)，按字母順序排列，如 l=4時(shí)叫g(shù)軌道。排布的規(guī)則電子的排布遵循以下三個(gè)規(guī)則：能量最低原理整個(gè)體系的能量越低越好。一般來(lái)說(shuō)，新填入的電子都是填在能量最低的空軌道上的。Hu nd規(guī)則電子盡可能的占據(jù)不同軌道，自旋方向相同。Pauli不相容原理在同一體系中，沒(méi)有兩個(gè)電子的四個(gè)量子數(shù)是完全相同的。同一亞層中的各個(gè)軌道是簡(jiǎn)并的，所以電子一般都是先填滿能量較低的亞層，再填能量

12、稍高一點(diǎn)的 亞層。各亞層之間有能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p8s5g6f7d 8p有幾個(gè)原子的排布不完全遵守上面的規(guī)則，如：Cr: Ar 3d54s1這是因?yàn)橥粊唽又?，全充滿、半充滿、全空的狀態(tài)是最穩(wěn)定的。這種方式的整體能量比3d44s2要低，因?yàn)樗衼唽泳幱诜€(wěn)定狀態(tài)。排布示例以鉻為例：鉻原子核外有24個(gè)電子，可以填滿1s至4s所有的軌道，還剩余 4個(gè)填入3d軌道：1s22s22p63s23p64s23d4由于半充滿更穩(wěn)定，排布發(fā)生變化：1s22s22p63s23p64s13d5除了 6個(gè)價(jià)電子之外，其余的電子一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，

13、于是簡(jiǎn)寫(xiě)為：Ar4s13d5這里，具有氬的電子構(gòu)型的那18個(gè)電子稱(chēng)為 原子實(shí)”。一般把主量子數(shù)小的寫(xiě)在前面：Ar3d54s1電子構(gòu)型對(duì)性質(zhì)的影響主頁(yè)面：元素周期律電子的排布情況，即電子構(gòu)型，是元素性質(zhì)的決定性因素。為了達(dá)到全充滿、半充滿、全空的穩(wěn)定狀態(tài)，不同的原子選擇不同的方式。具有同樣價(jià)電子構(gòu)型的 原子，理論上得或失電子的趨勢(shì)是相同的，這就是同一族元素性質(zhì)相近的原因；同一族元素中，由于周 期越高，價(jià)電子的能量就越高，就越容易失去。元素周期表中的區(qū)塊是根據(jù)價(jià)電子構(gòu)型的顯著區(qū)別劃分的。不同區(qū)的元素性質(zhì)差別同樣顯著：如s區(qū)元素只能形成簡(jiǎn)單的離子，而d區(qū)的過(guò)渡金屬可以形成配合物。三、能層（電子層）和

14、能級(jí)（電子亞層）1、能層在多電子原子的原子核外電子的能量是不相同的。按電子的能量不同，可將核外電子分成不同的能層，并有符號(hào) K、L、M、N、O、P、Q 表示。原子核外每一層最多容納的電子數(shù)如下：能層-二二三四五六七符號(hào)KLMNOPQ最多電子數(shù)281832502n22、能級(jí)理論研究證明，在多電子原子中，同一能層的電子能量也可能不同，還可以把它們分成能級(jí)。就好比能層是 樓層，能級(jí)就是樓的臺(tái)階。能級(jí)的符號(hào)和所能容納的點(diǎn)子數(shù)如下：能層K-MNO符號(hào)1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d最多電子數(shù)22626102610142610五、核外電子排布原則 最低能量原理：基態(tài)原子中，電子總是優(yōu)先

15、占據(jù)能量較低的軌道。 泡利不相容原理：一條軌道最多容納兩個(gè)自旋相反的電子。 洪特規(guī)則(Hund ' rule)：在等價(jià)軌道上，電子將盡先分占各軌道，且自旋平行。(量子力學(xué)理論已證明：原子中自旋平行電子的增多有利于能量的降低)推知：等價(jià)軌道半充滿(s1, p3, d5, f7)全充滿(s2 , p6 , d10, f14)全空(sO ,pO,d 0 , f0)此時(shí)體系能量較低，狀態(tài)較穩(wěn)定電子排布順序：1s2 <2s2 <2p6v 3s2< 3p6< 4s2< 3d10< 4p6<5s2< 4d10< 5p6< 6s2v 4f14

16、v 5d10v 6p6v7s2v 5f14v 6d10v 7p6 能級(jí)(電子亞層)如果用更加精細(xì)的光譜儀觀察氫原子光譜，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的整條譜線又有裂分，這意味著量子化的兩電子層之間存在著更為精細(xì)的層次”，這被稱(chēng)為 能級(jí)”，每一電子層都由一個(gè)或多個(gè)能級(jí)組成，同一能級(jí)的能量相同。描述能級(jí)的量子數(shù)稱(chēng)為角量子數(shù) (angular quantum number )用“表示。對(duì)于每一個(gè)電子層對(duì)應(yīng)的主量子數(shù) n, I的取值可以是0、1、2、n-1，也就是說(shuō)，總共有 n個(gè)能級(jí)，因?yàn)榈谝浑娮訉?K的n = 1 ,所以它只有一個(gè)能級(jí)，而n=2的L層就有兩個(gè)能級(jí)，表現(xiàn)在光譜上就是兩條非常相近的譜線。從第一到第七

17、周期的所有元素中，人們共發(fā)現(xiàn) 4個(gè)能級(jí)，分別命名為 s, p , d , f。從理論上說(shuō)，在 第八周期將會(huì)出現(xiàn)第五個(gè)能級(jí)。主量子數(shù)n1234電子層KLMN角量子數(shù)(I) 取值00,10,1,20,1,2,3能級(jí)符號(hào)1s2s,2p3s,3p,3d4s,4p,4d,4f能級(jí)分裂s, p, d, f能級(jí)的能量有大小之分，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屏蔽效應(yīng)”，屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是核外電子間靜電力 的相互 排斥，減弱了原子核對(duì)電子的吸引：s能級(jí)的電子排斥p能級(jí)的電子，把p電子 推”離原子核，p、d、f之間也有類(lèi)似情況總的屏蔽順序?yàn)閚s>np>nd>nf因?yàn)殡x核越遠(yuǎn)，能量越大，所以能量順序與屏蔽順

18、序成反比能量順序?yàn)閚s<np<nd<nf能級(jí)交錯(cuò)同一電子層之間有電子的相互作用，不同電子層之間也有相互作用，這種相互作用稱(chēng)為鉆穿效應(yīng)”其原理較為復(fù)雜，鉆穿效應(yīng)的直接結(jié)果就是上一電子層的d能級(jí)的能量高于下一電子層s的能量。即，d層和s層發(fā)生交錯(cuò)，f層與d層和s層都會(huì)發(fā)生交錯(cuò)。我國(guó)化學(xué)家徐光憲提出了一條能級(jí)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)定律：能級(jí)的能量近似等于n+0.71 o美國(guó)著名化學(xué)家萊納斯鮑林也通過(guò)計(jì)算給出了一份近似能級(jí)圖（見(jiàn)右圖）這幅圖近似描述了各個(gè)能級(jí)的能量大小，有著廣泛的應(yīng)用5。軌道在外部 磁場(chǎng)存在的情況下，許多原子譜線還是發(fā)生了更細(xì)的分裂，這個(gè)現(xiàn)象被叫做塞曼效應(yīng) （因電場(chǎng)而產(chǎn)生的裂分被

19、稱(chēng)為斯塔克效應(yīng)），這種分裂在無(wú)磁場(chǎng)和電場(chǎng)時(shí)不存在，說(shuō)明，電子在同一能級(jí)雖然能量相同，但運(yùn)動(dòng)方向不同，因而會(huì)受到方向不同的洛倫茲力的作用。這些電子運(yùn)動(dòng)描述軌道的量子數(shù)稱(chēng)為磁量子數(shù)（magnetic quantum number ）符號(hào)“m”對(duì)于每一個(gè)確定的能級(jí)（電子亞層），m有一個(gè)確定的值，這個(gè)值與電子層無(wú)關(guān)（任何電子層內(nèi)的能級(jí)的軌道數(shù)相同）能級(jí)spdf磁量子數(shù)1357軌道數(shù)1357軌道的形狀可以根據(jù)薛定諤方程球座標(biāo)的Y（ 0, $推算，s能級(jí)為一個(gè)簡(jiǎn)單的球形軌道。p能級(jí)軌道為啞鈴形，分別占據(jù)空間直角坐標(biāo)系的x,y,z軸，即有三個(gè)不同方向的軌道。d的軌道較為復(fù)雜， f能級(jí)的七個(gè)軌道更為復(fù)雜。所有

20、軌道的角度分布 波函數(shù)圖像參見(jiàn) a gallery of atomic orbitals and molecularorbitals 6.自旋高分辨光譜事實(shí)揭示核外電子還存在著一種奇特的量子化運(yùn)動(dòng)，人們稱(chēng)其為自旋運(yùn)動(dòng)，用自旋磁量子數(shù)（spin m.q.n ）表示，每個(gè)軌道最多可以容納兩個(gè)自旋相反的電子。記做“f但需要指出，這里的自旋和地球的自轉(zhuǎn)不同，自旋的實(shí)質(zhì)還是一個(gè)等待發(fā)現(xiàn)的未解之謎。原子核也可以存在凈自旋。由于熱平衡，通常這些原子核都是隨機(jī)朝向的。但對(duì)于一些特定元素， 例如氙-129，一部分核自旋也是可能被極化的，這個(gè)狀態(tài)被叫做超極化，在核磁共振成像中有很重要的 應(yīng)用。電子排布電子在原子軌道的運(yùn)動(dòng)遵循三個(gè)基本定理：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德規(guī)則。能量最低原理能量最低原理的意思是：核外電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，總是優(yōu)先占據(jù)能量更低的軌道，使整個(gè)體系處于能量 最低的狀態(tài)。泡利不相容原理物理學(xué)家泡利在總結(jié)了眾多事實(shí)的基礎(chǔ)上提出：不可能有完全相同的兩個(gè)費(fèi)米子同時(shí)擁有樣的量子物理態(tài)。泡利不相容原理應(yīng)用在電子排布上，可表述為：同一軌道上最多容納兩個(gè)自旋相反的電子。該 原理有兩個(gè)推論： 若兩電子處于同一軌道，其自旋方向一定不同； 若兩個(gè)電子自旋相同，它們一定不在同一軌道； 每個(gè)軌道最多容納兩個(gè)電子。洪德規(guī)則（Hund's rule）洪德在總結(jié)大量光