电子亚层在相同电子层中电子能量还有微小的差别

1、电子亚层在相同电子层中电子能量还有微小的差别作者:日期:电子亚层在相同电子层中电子能量还有微小的差别，电子云形状也不相同，根据这些差别把一个电子层分为几个亚层。在同一电子层中，电子的能量还稍有差异，电子云的形状也不相同。因此电子层还可分成一个或n个电子亚层。K层只包含一个 s亚层；L层包含s和p两个亚层；M层包含s、p、d三个亚层；N层包含s、p、d、f 四个亚层。电子亚层之一一电子亚层可用表示，=0、1、2、3、（n-1 ）, n为电子层数。即K层（n=1 ）有0 一个亚层（s）; L层（n=2 ）有0、1两个亚层，即 2s、2p ; M层（n=3 ）有0、1、2三个亚层，即 3 s、3p、

2、3d。同理 N层有4s、4p、4d、4f四个亚层。不同亚层的电子云形状不同，s亚层（=0 ）的电子云形伏为球形对称；p亚层（=1 ）的电子云为无柄哑铃形（纺锤形）；d亚层（=2 ）的电子云为十字花瓣形等。同一电子层不同亚层的能量按s、p、d、f序能量逐渐升高。电子亚层之二 通过对许多元素的电离能的进一步分析，人们发现，在同一电子层中的电子能量也不完全相同，仍可进一步分为若干个电子组。这一点在研究元素的原子光谱中得到了证实。电子亚层分别用s、p、d、f等符号表示。不同亚层的电子云形状不同。s亚层的电子云是以原子核为中心的球形，p亚层的电子云是纺锤形，d亚层为花瓣形，f亚层的电子云形状比较复杂。电

3、子亚层之三 受磁量子数的控制，s层有一个轨道，p层有三个轨道，d层有五个轨道，等等，（根据自旋量子数，每个轨道可容纳2个电子）。由于亚层的存在，使同一个电子层中电子能量出现不同，甚至出现低电子层的高亚层能量大于高电子 层的低亚层，即所谓的能级交错现象。各亚层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有一个公式可以方便记忆：ns<（n-2）f<（n-1）d<np只要记住其中d亚层从3d开始，f亚层从4f开始就行了。写能级顺序时n从1

4、开始取，f前的n>=6,d前的n>=4。一、原子轨道和电子云二、轨道量子数与原子能级从解薛定谔方程所引进的一套参数n, l, m （称为量子数）的物理意义、取值以及取值的组合形式与核外电子运动状态的关系如下：（一）主量子数 （n ）描述电子离核的远近，确定原子的能级或确定轨道能量的高低。决定轨道或电子云的分布范围。一般，n值越大，电子离核越远，能量越高。主量子数所决定的电子云密集区或能量状态称为电子层（或 主层）。主量子数n 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,（共取n个值）电子层符号K, L, M , N, O, P, Q ,（二）角量子数（副量子数）（I ）同一电子层（n）

5、中因副量子数（l）不同又分成若干电子亚层（简称亚层，有时也称能级）。I确定同一电子层中不同原子轨道的形状。在多电子原子中，与n 起决定轨道的能量。副量子数I = 0, 1, 2, 3, 4，,n -1 （共可取 n个值）亚层符号 s, p、 d、 f、 g轨道形状园球双球花瓣八瓣（三）磁量子数（m）确定原子轨道在空间的伸展方向。m = 0,± 1, ± 2, ± 3,± l 共可取值（2l +1）个值s p d f轨道空间伸展方向数：1 3 5 7 （ m的取值个数）n, l相同，m不同的轨道能量相同。也即同一亚层中因m不同所代表的轨道具有相同的能量。通

6、常将能量相同的轨道互称为等价轨道或简并轨道。三个量子数的取值关系：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,+2三个量子数的一种组合形式决定一个Y，而每一个 Y又代表一个原子轨道，所以三个量子数都有确定值时，即确定核外电子的一种电子运动状态。（四）原子能级在多电子原子中，原子的能级除受主量子数（n）影响外，还与副量子数（I）有关，其间关系复杂。下图表示了若干元素原子中能级的相对高低。由图可

7、以看出：（1）单电子原子（Z=1）中，能量只与 n有关，且n f, Ef(2)多电子原子“ Z>2 )中,能量与 n、1有关。n相同，1不同，则l fEf如：Ens V Enp V End VEnf1相同，n不同，则nf,Ef如：E1s V E2s V E3s E2p V E3p V E4pE3d V E4d V E5d“（3 ）能级交错4s)若n和I都不同，虽然能量高低基本上由n的大小决定，但有时也会出现高电子层中低亚层（如的能量反而低于某些低电子层中高亚层（如3d ）的能量这种现象称为能级交错。能级交错是由于核电荷增加，核对电子的引力增强，各亚层的能量均降低，但各自降低的幅度不同所致

8、。能级交错对原子中电 子的分布有影响。”三、电子的自旋与电子层的最大容量1自旋量子数“ ms）用分辨能力很强的光谱仪来观察氢原子光谱，发现一条谱线是由靠得非常近的两条线组成，为氢原子的 精细结构，1925年琴伦贝克和高斯米特，根据前人的实验提出了电子自旋的概念，用以描述电子的自旋运动。自旋量子数 ms有两个值（+1/2 , -1/2），可用向上和向下的箭头（“f”来表'示）电子的两种所谓自旋状态。结论：描述一个电子的运动状态，要用四个量子数“n, I, m , ms ），同一原子中，没有四个量子数完全相同的两个电子存在。2. 原子核外电子排布的一般规律（1）Pauli不相容原理在同一原

9、子中，一个原子轨道上最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。（2）能量最低原理电子总是最先排布（占据）在能量最低的轨道。（3）洪特规则 在等价轨道上，电子总是尽先占据不同的轨道，而且自旋方向相同（平行）。 当等价轨道上全充满时（p6, d10, f 14 ），半充满（p3, d 5, f 7 ）和全空（pO, dO, f 0 ）时，能量最低，结构较稳定。3. 电子层的最大容量根据以上的排布规则，可以推算各电子层、电子亚层和轨道中最多能容纳多少电子。由于每一个电子层（ n）中有n个电子亚层（每一个电子亚层又可以有（21+1 ）个轨道），则每一电子层可能有的轨道数为n2,即：又由于每一个轨道上最多容纳

10、两个电子，所以每一电子层的最大容量为2 n2,每一电子亚层中的电子数不超过 2（ 21+1 ）个。电子层的最大容量（n =1 4）原子核外的电子总是有规律的排布在各自的轨道上。原子轨道的种类主页面：原子轨道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（I）和磁量子数（ml）。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（ms），共四个量子数。n可以取任意正整数。在n取一定值时，I可以取小于 n的自然数，ml可以取±。不论什么轨道，ms都只能取&#

11、177;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，一个亚层填充的电子数为41+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：能量最低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。Hu nd规则电子尽可能的占据不同轨道，自旋方向相同。Pauli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。同一亚层中的各个轨道是简并的，所以电子一般都是先填满能量较低的亚层，再填能量

12、稍高一点的 亚层。各亚层之间有能级交错现象：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p8s5g6f7d 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：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由于半充满更稳定，排布发生变化：1s22s22p63s23p64s13d5除了 6个价电子之外，其余的电子一般不发生化学反应，

13、于是简写为：Ar4s13d5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：Ar3d54s1电子构型对性质的影响主页面：元素周期律电子的排布情况，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。三、能层（电子层）和

14、能级（电子亚层）1、能层在多电子原子的原子核外电子的能量是不相同的。按电子的能量不同，可将核外电子分成不同的能层，并有符号 K、L、M、N、O、P、Q 表示。原子核外每一层最多容纳的电子数如下：能层-二二三四五六七符号KLMNOPQ最多电子数281832502n22、能级理论研究证明，在多电子原子中，同一能层的电子能量也可能不同，还可以把它们分成能级。就好比能层是 楼层，能级就是楼的台阶。能级的符号和所能容纳的点子数如下：能层K-MNO符号1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d最多电子数22626102610142610五、核外电子排布原则 最低能量原理：基态原子中，电子总是优先

15、占据能量较低的轨道。 泡利不相容原理：一条轨道最多容纳两个自旋相反的电子。 洪特规则(Hund ' rule)：在等价轨道上，电子将尽先分占各轨道，且自旋平行。(量子力学理论已证明：原子中自旋平行电子的增多有利于能量的降低)推知：等价轨道半充满(s1, p3, d5, f7)全充满(s2 , p6 , d10, f14)全空(sO ,pO,d 0 , f0)此时体系能量较低，状态较稳定电子排布顺序：1s2 <2s2 <2p6v 3s2< 3p6< 4s2< 3d10< 4p6<5s2< 4d10< 5p6< 6s2v 4f14

16、v 5d10v 6p6v7s2v 5f14v 6d10v 7p6 能级(电子亚层)如果用更加精细的光谱仪观察氢原子光谱，就会发现，原来的整条谱线又有裂分，这意味着量子化的两电子层之间存在着更为精细的层次”，这被称为 能级”，每一电子层都由一个或多个能级组成，同一能级的能量相同。描述能级的量子数称为角量子数 (angular quantum number )用“表示。对于每一个电子层对应的主量子数 n, I的取值可以是0、1、2、n-1，也就是说，总共有 n个能级，因为第一电子层 K的n = 1 ,所以它只有一个能级，而n=2的L层就有两个能级，表现在光谱上就是两条非常相近的谱线。从第一到第七

17、周期的所有元素中，人们共发现 4个能级，分别命名为 s, p , d , f。从理论上说，在 第八周期将会出现第五个能级。主量子数n1234电子层KLMN角量子数(I) 取值00,10,1,20,1,2,3能级符号1s2s,2p3s,3p,3d4s,4p,4d,4f能级分裂s, p, d, f能级的能量有大小之分，这种现象称为屏蔽效应”，屏蔽效应产生的主要原因是核外电子间静电力 的相互 排斥，减弱了原子核对电子的吸引：s能级的电子排斥p能级的电子，把p电子 推”离原子核，p、d、f之间也有类似情况总的屏蔽顺序为ns>np>nd>nf因为离核越远，能量越大，所以能量顺序与屏蔽顺

18、序成反比能量顺序为ns<np<nd<nf能级交错同一电子层之间有电子的相互作用，不同电子层之间也有相互作用，这种相互作用称为钻穿效应”其原理较为复杂，钻穿效应的直接结果就是上一电子层的d能级的能量高于下一电子层s的能量。即，d层和s层发生交错，f层与d层和s层都会发生交错。我国化学家徐光宪提出了一条能级计算的经验定律：能级的能量近似等于n+0.71 o美国著名化学家莱纳斯鲍林也通过计算给出了一份近似能级图（见右图）这幅图近似描述了各个能级的能量大小，有着广泛的应用5。轨道在外部 磁场存在的情况下，许多原子谱线还是发生了更细的分裂，这个现象被叫做塞曼效应 （因电场而产生的裂分被

19、称为斯塔克效应），这种分裂在无磁场和电场时不存在，说明，电子在同一能级虽然能量相同，但运动方向不同，因而会受到方向不同的洛伦兹力的作用。这些电子运动描述轨道的量子数称为磁量子数（magnetic quantum number ）符号“m”对于每一个确定的能级（电子亚层），m有一个确定的值，这个值与电子层无关（任何电子层内的能级的轨道数相同）能级spdf磁量子数1357轨道数1357轨道的形状可以根据薛定谔方程球座标的Y（ 0, $推算，s能级为一个简单的球形轨道。p能级轨道为哑铃形，分别占据空间直角坐标系的x,y,z轴，即有三个不同方向的轨道。d的轨道较为复杂， f能级的七个轨道更为复杂。所有

20、轨道的角度分布 波函数图像参见 a gallery of atomic orbitals and molecularorbitals 6.自旋高分辨光谱事实揭示核外电子还存在着一种奇特的量子化运动，人们称其为自旋运动，用自旋磁量子数（spin m.q.n ）表示，每个轨道最多可以容纳两个自旋相反的电子。记做“f但需要指出，这里的自旋和地球的自转不同，自旋的实质还是一个等待发现的未解之谜。原子核也可以存在净自旋。由于热平衡，通常这些原子核都是随机朝向的。但对于一些特定元素， 例如氙-129，一部分核自旋也是可能被极化的，这个状态被叫做超极化，在核磁共振成像中有很重要的 应用。电子排布电子在原子轨道的运动遵循三个基本定理：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德规则。能量最低原理能量最低原理的意思是：核外电子在运动时，总是优先占据能量更低的轨道，使整个体系处于能量 最低的状态。泡利不相容原理物理学家泡利在总结了众多事实的基础上提出：不可能有完全相同的两个费米子同时拥有样的量子物理态。泡利不相容原理应用在电子排布上，可表述为：同一轨道上最多容纳两个自旋相反的电子。该 原理有两个推论： 若两电子处于同一轨道，其自旋方向一定不同； 若两个电子自旋相同，它们一定不在同一轨道； 每个轨道最多容纳两个电子。洪德规则（Hund's rule）洪德在总结大量光