核外电子的运动状态

1、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）1 2 3 4 5 6 7电子层符号K L M N O P Q主量子数

2、 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

3、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

4、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1s2202s12p3303s13p23d404s14p24d34f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

5、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在内） ,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

6、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

7、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 2n2 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

8、 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 道内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) .

9、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

10、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 当角量子数相同时 ,随主量子数增加 ,轨道能级升高 1s2s3s4s;2p3p4p5p; 3d4d5d 当主量子

11、数相同时 ,随角量子数增加 ,轨道能级升高 nsnpndnf 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 4s3d, 5s4d , 6s4f5d6p 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

12、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