原子结构与元素性质 · 一 · 「核外电子排布方式」

能层与能级

• 能层： 多电子原子的核外电子的能量是不同的，离核近的电子能量较低，离核越远，电子的能量越高。可以将核外电子分成不同的能层，并用符号 $K、L、M、N、O、P、Q....$ 表示相应离核最近的第一能层，次之的第二能层，以此类推三、四、五、六、七能层。

  电子层序数( $n$ )	$1$	$2$	$3$	$4$	$5$	$6$	$7$
  符号表示	$K$	$L$	$M$	$N$	$O$	$P$	$Q$
  能量大小	小	$⟶$	$⟶$	$⟶$	$⟶$	$⟶$	大
  距核远近	近	$⟶$	$⟶$	$⟶$	$⟶$	$⟶$	远

• 实验和量子力学研究表明，多电子原子中，同一能层的电子，能量可能不同，因此还能再将它们分成若干能级。在每一个能层中，能级符号的顺序是$ns、np、nd、nf...$（$n$ 表示能层）。

能层	n = 1	n = 2		n = 3			n = 4
	K	L		M			N
能级种类	s	s	p	s	p	d	s	p	d	f
原子轨道	1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p	4d	4f
原子轨道数	1	1+3 = 4		1+3+5 = 9			1+3+5+7 = 16

原子轨道数为 $n^2$

每一电子层所容纳的电子数最多为 $2n^2$ 个

电子云与原子轨道

概率密度

1913 年，玻尔 提出氢原子模型，电子在 线性轨道 上绕核运行。量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的 概率 不同，可用概率密度 $(\rho )$ 表示，即

$$\rho ＝\frac{P}{V}(P\mathrm{表}\mathrm{示}\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{在}\mathrm{某}\mathrm{处}\mathrm{出}\mathrm{现}\mathrm{的}\mathrm{概}\mathrm{率},V\mathrm{表}\mathrm{示}\mathrm{该}\mathrm{处}\mathrm{的}\mathrm{体}\mathrm{积})$$

电子云

• 定义：处于一定空间 运动状态 的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述

• 含义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越 密 ，表示概率密度越 大

[×] $4s$ 电子能量较高，总是在比 $3s$ 电子离核更远的地方运动

原子轨道

量子力学把电子在原子核外的一个 空间运动状态 称为一个原子轨道

$$\mathrm{形}\mathrm{状}\{\begin{array}{lll}s\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{云}：& \mathrm{球}\mathrm{形}& \mathrm{只}\mathrm{有}\mathrm{一}\mathrm{种}\mathrm{空}\mathrm{间}\mathrm{伸}\mathrm{展}\mathrm{方}\mathrm{向}\\ p\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{云}：& \mathrm{哑}\mathrm{铃}\mathrm{形}& \mathrm{有}3\mathrm{种}\mathrm{空}\mathrm{间}\mathrm{伸}\mathrm{展}\mathrm{方}\mathrm{向}\mathrm{分}\mathrm{别}\mathrm{相}\mathrm{对}\mathrm{于}x,y,z\mathrm{轴}\mathrm{对}\mathrm{称}\end{array}$$

$\mathrm{空}\mathrm{间}\mathrm{运}\mathrm{动}\mathrm{状}\mathrm{态}\mathrm{种}\mathrm{数}=\mathrm{轨}\mathrm{道}\mathrm{数}；\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{运}\mathrm{动}\mathrm{状}\mathrm{态}\mathrm{种}\mathrm{数}=\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{数}$

$eg$：基态 $\mathrm{C}$ 原子核外共有 $4$ 种不同的空间运动状态，共有 $6$ 个运动状态不同的电子

原子轨道与能层序数的关系

1. 不同能层的同种能级的原子轨道形状 相同，只是半径 不同。能层序数 $n$ 越 大，原子轨道的半径越 大。

2. $s$ 能级只有 $1$ 个原子轨道。$p$ 能级有 $3$ 个原子轨道，它们互相垂直，分别以 $p_x、p_y、p_z$ 表示.

3. 原子轨道数与能层序数 $(n)$ 的关系：原子轨道数目 $=n^2$.

原子轨道能量高低

1. 相同能层上原子轨道能量的高低：$ns<np<nd<nf$；

2. 形状相同的原子轨道能量的高低：$1s<2s<3s<4s<\dots$；

3. 同一能层内形状相同而伸展方向不同的原子轨道的能量相等，如 $n{p}_x,n{p}_y,n{p}_z$ 轨道的能量相等；