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）1234567电子层符号KLMNOPQ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1101s2202s12p3303s13p23d4404s14p24d34f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）,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应用近似能级图,根据“两个原理一条规则”,可以准确地写出91种元素原子的核外电子分布式来.在110种元素中,只有19种元素原子层外电子的分布稍有例外：它们是若再对它们进一步分析归纳还得到一条特殊规律——全充满,半充满规则：对同一电子亚层,当电子分布为全充满（P6、d10、f14）、半充满（P3、d5、f7）或全空（P0、d0、f0)时,电子云分布呈球状,原子结构较稳定,可挑出8种元素,剩余11种可作例外.多电子原子结构1、核外电子排布三原理（1）泡利不相容原理：解决各电子层电子数目问题.◆在任何一个原子中,决不可能有两个电子具有四个完全相同的量子数,即在同一个原子中,不可能有运动状态完全相同的电子.◆当n一定时,L可取(n-1)个值,而在L限定下,原子轨道可有(2L+1)个伸展方向,即(2L+1)个轨道,而每个轨道可容纳两个电子,所以每层最多容纳电子数为电子层1 2 3 4电子数2 8 18 32（2）最低能量原理：解决电子排布问题◆多电子原子在基态时,核外电子总是尽可能地先占据能量最低的轨道,以使体系能量最低.◆轨道能级规律①当角量子数相同时,随主量子数增加,轨道能级升高1s<2s<3s<4s; 2p<3p<4p<5p; 3d<4d<5d②当主量子数相同时,随角量子数增加,轨道能级升高ns<np<nd<nf③当主量子数与角量子数都不同时,能级次序比较复杂,有时出现“能级交错”现象,即某些主量子数较大的原子轨道其能级可以比主量子数较小的原子轨道低.如4s<3d, 5s<4d , 6s<4f<5d<6p◆鲍林近似能级图鲍林根据大量光谱数据以及某些近似的理论计算,得到了多电子原子的原子轨道能级的近似图能级组：按照能级高低的顺序,把能量相近的能级划成一组,称为能级组.按照1、2、3能级组顺序,能量依次增高.电子分布式：核外电子的分布表达式,如K：Ti：鲍林近似能级顺序并不是所有元素轨道能级的实际顺序,它只不过是表示在考虑电子分布时,随核电荷数的增加的一个电子应分布在一哪一个轨道的一般规律,它不代表核外电子的实际分布情况,如钛原子的近似能级顺序为：而其电子分布式为：（3）洪特规则：解决同一电子层电子排布问题◆处于主量子数和角量子数都相同的轨道中的电子,总是尽先占据磁量子数不同的轨道,而且自旋量子数相同（自旋平行）◆两个电子同占一个轨道,这时电子间的排斥作用会使系统能量升高,两个电子只有分占等价轨道时,才有利于降低系统的能量,所以洪特规则可认为是最低能量原理的补充如P：3P轨道上的3个电子分布应为：↑↑↑（4）特殊情况◆有19种元素原子的电子分布式不完全符合近似能级顺序,如：它们的3d轨道电子分别为10和5,处于全满或半满状态,原子比较稳定,对于p、f轨道,半满状态为p3和f7,全满状态为p6和f14◆外层电子构型即外层电子分布式,对于原子来说：主族元素：最外层的电子分布式,如：副族元素：最外层S电子和次外层d电子的分布式,如：◆元素离子的外层电子构型：当原子失去电子成为阳离子时,一般是能量较高的最外层的电子失去,而且往往引起电子层数的减少.如：当原子得到电子成为阴离子时,电子总是分布在最外电子层上,如：元素离子的外层电子构型（1）8电子构型（2）9~17电子构型（3）18电子构型（4）18+2电子构型</np<nd<nf。

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。