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结构理论（一）核外电子的运动状态和排布规律围绕在原子核外作高速运动的电子，有它特殊的运动状态。
早在本世纪初，科学实验已证明了电子是一种质量为9.11×10-28g的微小粒子，证明了电子的运动具有粒子性。
但是，以后科学实验又证明了电子的运动和光、X射线一样具有波动性。
这就是说，电子的运动具有波粒二象性。
电子运动的这种波粒二象性，使它难以用经典物理学的一些基本定律来描述。
现代研究核外电子运动状态的理论叫做原子波动力学。
它是在上世纪20年代末由奥地利物理学家薛定谔等人发展起来的。
它的基本方面是一些复杂的数学波动方程，叫做薛定谔方程。
核外电子的运动正是通过计算薛定谔方程的解来加以描述的。
这里，我们只能按照原子波动力学的基本观点，初步形象地去认识核外电子的运动状态，从而再寻找出原子核外电子的排布有着怎样的规律。
一、电子云在描绘核外电子运动时，只能指出它在原子核外空间各处出现机会的多少。
电子在核外空间一定范围内出现，好像是带负电荷的云雾笼罩在原子核的周围。
可以形象地称它为“电子云”。
核外电子出现机会愈多的区域，电子云的密度愈大。
下图描绘了氢原子处于基态时的电子云。
氢原子核外只有1个电子，图中的“雾状”，说明氢原子核外电子在一个球形的空间里作高速运动。
图中表示，黑点密集处是电子出现机会多的地方，黑点稀疏处是电子出现机会少的地方。
二、描述核外电子运动状态的四个方面对于原子核外的每一个电子的运动状态，都可以从以下四个方面来描述。
1．电子层原子核外的电子可以看作是分层排布的。
处于不同层次中的电子，离核的远近也不同。
离核愈近的电子层能量愈低，离核愈远的电子层能量愈高。
通常用n=1、2、3…等数值来表示电子层离核的远近。
n=1，即表示离核最近的电子层，其中的电子能量最小。
n=2，即表示为第二电子层。
有时也用K、L、M、N、O等分别表示1、2、3、4、5等电子层。
我们怎么知道含有多个电子的原子里核外电子的能量并不相同呢？根据对元素电离能数据的分析，可以初步得到这个结论。
原子核外电子的空间运动状态原子核外电子的空间运动状态：（一）电子轨道1、电子轨道是电子沿着原子核外围运动的一条椭圆形轨迹。
这条椭圆形轨迹完全由电子和核间的电磁场相互作用决定。
2、电子轨道的轨道角动量是指电子在原子核外围空间运动的时候的角动量，它可以通过电磁场的膜位能准确的确定出来。
3、电子轨道的运动状态就是指电子在轨道中的运动状态，包括了单重态的电子轨道运动状态，以及双重态的电子轨道运动状态和三重态的电子轨道运动状态等。
（二）电子自旋1、电子自旋是电子在空间中自身运动的一个特征，通俗来说就是电子在原子核外围空间中以固定的角速度运动。
2、电子自旋具有两个独立的特性，即电子的线性自旋，也就是说电子的运动方向不断变化；另一个就是电子的角速度自旋，也就是说电子的具体自旋方向会一直保持不变。
3、自旋的结构包括两个自旋态，一个是有磁态，即自由自旋，它没有内部能量变化；对应的还有无磁态，即锁定自旋，它有内部能量变化。
（三）电子跃迁1、电子跃迁是指电子在原子核外围空间中运动时从一个轨道状态跃到另一个空间状态的过程，电子跃迁中包括了单重态电子跃迁，双重态电子跃迁和三重态电子跃迁等等。
2、电子跃迁的机理一般是由电磁场的膜位能决定的，这也是电子跃迁过程发生的根本原因。
电子跃迁过程中，电子原先处在的低能量状态会被电磁场膜位能引导，由低能量跃到其他的高能量状态之中。
3、电子跃迁过程还会受到外界的干扰，包括光辐射，热辐射等，外界的干扰可以使原子中电子从一个轨道跃到另一个轨道或空间状态，从而使原子转变为激发态，从而发生一系列使原子性质发生变化的现象。
核外电子运动状态的描述2－2 核外电子运动状态的描述一、波函数和原子轨道1.波动方程描述宏观物体运动状态的状态方程F=ma，即牛顿第二定律。
那么对微观粒子的运动，能不能也有个状态方程呢？1926年，奥地利物理学家薛定谔根据德布罗依预言，提出了描述微观粒子运动状态的波动方程，称为薛定谔方程其基本形式是：这是个高等数学中的二阶偏微分方程，式中x、y、z为粒子在空间的直角坐标，m可近似看作是电子质量，E为总能量即电子的动能和势能之和，V是势能即核与电子的吸引能，ψ为方程的解（ψ是希腊字母，读做普赛[Psi]）。
薛定谔方程是用来描述质量为m的微观粒子，在势能为V的势场中运动，其运动状态和能量关系的定态方程。
因为薛定谔方程的每一合理的解ψ，都表示该粒子运动的某一稳定状态，与这个解相应的常数E，就是粒子处于这个稳定状态的能量。
由于有很多解，说明具有多种运动状态。
对于一定体系，能量最低的状态称为基态，能量较高的状态称为激发态。
粒子由一个状态跃迁到另一状态，能量的改变量是一定的，不能取任意的数值，即能量是量子化的由于薛定谔方程是高等数学中一个微分方程，与初等数学中方程不同，它的解ψ不是一些数而是些函数。
它是波的振幅与坐标的函数，因此称作波函数。
2.波函数（ψ）如上所述，波函数ψ就是薛定谔方程的解，是描述核外电子空间运动状态的数学函数式。
如同一般函数式有常量和变量一样，它包含三个常量和三个变量，它的一般形式为式中n、l、m为三个常量，x、y、z为三个变量。
电子在核外运动，有一系列空间运动状态。
每一特定状态就有一个相应的波函数ψ和相应的能量E。
如有1s、2s、2p、3d、4f……等等核外空间状态，就有ψ1s、ψ2s、ψ2p、ψ3d、ψ4f……和E1s、E2s、E2p、E3d、E4f……与其相对应。
或者说一个确定的波函数ψ就代表着核外电子的一个空间运动状态，电子处于这个空间状态运动时就具有确定的能量和其它一些相应的物理量。
ZK 高一化学K1 第四讲一、【知识梳理】电子在原子核外很小的空间内作高速运动，其运动规律跟一般物体不同，它们没有确定的轨道。
因此，我们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度，也不能描画出它的运动轨迹。
那么，如何描述原子核外电子的运动状态呢？ 一、电子云科学上应用统计的原理，以每一个电子在原子核外空间某处出现机会的多少，来描述原子核外电子运动状态。
电子在核外空间一定范围内出现，好象带负电荷的云雾笼罩在原子核在电子云示意图中，小黑点表示电子出现的次数，小黑点的①球形；②离核近，电子云密度大，表示电子出现几率大； ③离核远，电子云密度小，表示电子出现几率小。
为了便于理解，我们假想有一架特殊的照相机给氢原子照相。
先给某个氢原子拍五张照片，得到下图所示的不同的图象。
图中⊕表示原子核，一个小黑点表示电子在这里出现一次。
，研究每一张照片会使我们获得这样一个印象：电子运动毫无规律，一会儿在这里出现，一会儿在那里出现。
如果我们将这些照片叠印，就会看到如图所示的图象。
图象说明，对氢原子的照片叠印张数越多，就越能使人形成一团电子云雾笼罩原子核的印象，这团“电子云雾”呈球形对称，在离核越近处密度越大，离核越远处密度越小。
原子核外电子的运动状态可以从四个方面进行描述： 1．电子层在含有多个电子的原子里，电子的能量并不相同，电子运动的区域也不相同，能量低的电子通常在离核近的区域运动，能量高的电子通常在离核远的区域运动。
根据电子的能量差异和通常运动区域离核的远近不同，可以将核外电子分成不同电子层。
离核最近的为第一层，离核稍远的为第二层，依次类推，由近及远为三、四、五、六、七层，用符号K 、L 、M 、氢原子电子云示意图将若干张氢原子瞬间照相叠印的结果N 、O 、P 、Q 表示。
2．电子亚层和电子云的形状科学研究发现，在同一电子层中，电子的能量还稍有差别，电子云的形状也不相同。
根据这个差别，又可以把一个电子层分成一个或几个亚层，分别用s 、p 、d 、f 等符号表示。
s 电子云为球形，p 电子云为纺锤形，d 电子云为花瓣形，f 电子云为更复杂的花瓣形，它们均以原子核为对称中心。
形状越复杂，电子的能量越高。
每个电子层所辖亚层数不等，K 电子层只有一个s 亚层，L 电子层有s 、p 两个亚层，M 电子层有s 、p 、d 三个亚层，N 电子层有s 、p 、d 、f 四个亚层。
在同一个电子层，亚层电子的能量是按s 、p 、d 、f 的次序递增的。
3．电子云的伸展方向（轨道）电子云不仅有确定的形状，而且有一定的伸展方向。
S 电子云是球形对称的，在空间各个方向上伸展的程度相同；p 电子云有三种伸展方向；d 电子云有五种伸展方向；f 电子云有七种伸展方向。
如右图。
在一定的电子层上，具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间称为一个轨道。
电子亚层可再细分为“轨道”。
每个电子亚层所辖轨道数不等，s 亚层只有1个轨道，p 亚层有3个轨道，d 亚层有5个轨道，f 亚层有74．电子的自旋电子不仅在核外空间不停地运动，而且还作自旋运动。
电子自旋有两种状态，相当于顺时针和逆时针两种方向。
每个轨道最多容纳2个自旋方向相反的电子。
同一轨道中的2个电子称成对电子，若一个轨道中只有1个电子，该电子被称为单电子。
表2-3是各电子层上的电子亚层数、轨道数和最多容纳电子数。
电子层电子亚层 轨道数（n 2） 最多容纳电子数（2n 2） K1s 1 2 L2s 、2p 1+3 8 M3s 、3p 、3d 1+3+5 18（不可能出现在最外层） N4s 、4p 、4d 、4f 1+3+5+7 32（不可能出现在最外层和次外层） O5s 、5p 、5d 、5f …… 1+3+5+7…… P6s 、6p 、6d 、6f …… 1+3+5+7…… Q 7s 、7p 、7d 、7f …… 1+3+5+7……电子亚层电子云的伸展方向电子的自旋核外电子排布必须遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。
泡利不相容原理：在同一个原子中，不可能有运动状态完全相同的两个电子存在（即运动状态完全相同的电子在同一原子里是不能并存的、是互不相容的）。
由此推论：同一原子中每一个轨道上只能容纳两个自旋方向相反的两个电子。
能量最低原理：在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量较低的轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。
核外电子的运动状态 核外电子的能量 核外电子的运动区域在同一电子层上，各亚层的能量顺序为ns＜np＜nd＜nf；当电子层不同，电子亚层相同时，其能量顺序为1s＜2s＜3s＜4s，2p＜3p＜4p，3d＜4d＜5d，4f＜5f＜6f。
对于不同电子层的不同电子亚层，其能量高低较为复杂。
见下图多电子原子电子所处的能级示意图。
从图中可以看出，从第三电子层起就出现能级交错现象。
如，3d的能量似乎应该低于4s，而实际上E3d＞E4s。
因此，按能量最低原理，电子是先排4s，再排3d。
……由于能级交错，在次外层未达最大容量之前，已出现了最外层，而且最外层未达最大容量时，又进行次外层电子的填充，所以原子最外层和次外层电子数一般达不到最大容量。
能级交错：电子层数较大的某些轨道的能量反低于电子层数较小的某些轨道能量的现象。
洪特规则：电子在进入同一亚层时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。
量子力学证明，电子这样排布可使能量最低。
同时洪特为此又归纳出一种特例：对于同一电子亚层，当电子的排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的。
即：全充满p6或d10或f14，半充满p3或d5或f7，全空p0或d0或f0。
例如：铬（24Cr）1s22s22p63s23p63d54s1；铜（29Cu）1s22s22p63s23p63d104s1，这种表示原子核外电子排布的式子称之为电子排布式。
电子排布式：Na：1s2 2s2 2p6 3s1Na+：1s2 2s2 2p6Cl：1s2 2s2 2p6 3s2 3p5Cl-：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6C：1s2 2s2 2p2原子轨道的能量①相同电子层上原子轨道能量的高低：Ens＜Enp＜End＜Enf。
②形状相同的原子轨道能量的高低：E1s＜E2s＜E3s＜E4s……；E2p＜E3p＜E4p＜E5p……③电子层和形状相同的原子轨道的能量相等，如E2px = E2py =E2pz二、【例题解析】例1 关于1s、2s、3s、4s原子轨道的说法正确的是（）A．电子只能在电子云轮廓图中运动B．能级不同，电子云轮廓图形状相同C．轨道数目相同，电子云轮廓图形状、大小完全相同D．能层不同，电子云轮廓图形状也不相同解析：电子在原子核外空间一定范围内出现，A错误；能级大小为1s<2s<3s<4s，但电子云轮廓图均为球形，B正确，D不正确；电子云轮廓图图形大小依次增大，因此C不正确。
三、【随堂练习】1．具有下列电子排布式的原子中，半径最大的是（）A．ls22s22p63s23p3B．1s22s22p3C．1s22s2sp2D．1s22s22p63s23p42．下列说法中错误的是（）A．在同一个原子里找能到两个运动状态完全相同的电子B．在同一个原子里找能到两个或多个能量相同的电子C．在同一个原子里M层电子的能量肯定比L层上电子的能量高D．处在2p亚层上仅有的两个电子自旋方向相同3．原子中的某一电子层（以n表示），当n作为该原子的最外层时，最多容纳的电子数与（n-1）层相同；当n作该原子的为次外层时，最多容纳的电子数比（n+1）层还多10个，则n层是（）A．N 层B．M 层C．L 层D．K 层4．某元素原子在K层上有2个电子，在N层上有1个电子，则在M层上的电子数为（）A．18个B．8个C．2个D．10个5．某元素的原子核外电子排布是1s22s22p63s23p63d104s24p5，说明该原子核外共有多少电子层，各电子层上有几个亚层和多少个电子，该元素的原子的核电荷数为多少？6．某原子共有5个电子层，则其O层可容纳电子个，N层可容纳电子个。
7．以下原子轨道的表示方法不正确的是（）A、3sB、3pC、3dD、3f8．下列电子层不包含d轨道的是A.N层B.M层C.L层D.K层9．关于1s、2s、3s 、4s原子轨道的说法正确的是（）A、电子只能在电子云轮廓图中运动B、能级不同，电子云轮廓图形状相同C、轨道数目相同，电子云轮廓图形状、大小完全相同D、能层不同，电子云轮廓图形状也不相同10．下列轨道含有轨道数目为3的是A、1sB、2pC、3pD、4d11．3d轨道中最多容纳电子数为A、2B、10C、14D、1812．第三电子层含有的轨道数为A、3B、 5C、7D、913．在硫原子核外共有种不同运动状态的电子，有种不同能量的电子。
14、下列关于电子层与原子轨道类型的说法中不正确的是( )A、原子核外电子的每一个电子层最多可容纳的电子数为2n2B、任一电子层的原子轨道总是从s轨道开始，而且原子轨道类型数目等于该电子层序数C、同是s轨道，在不同的能层中所能容纳的最多电子数是不相同的D、1个原子轨道里最多只能容纳2个电子15. 下列有关电子云和原子轨道的说法正确的是（）A．铝原子核外电子云有5种不同的伸展方向，有13种不同运动状态的电子。
B．s能级的原子轨道呈球形，处在该轨道上的电子只能在球壳内运动C．p能级的原子轨道呈纺锤形，随着能层的增加，p能级原子轨道也在增多D．与s电子原子轨道相同，p电子原子轨道的平均半径随能层的增大而增大。
