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原子的电子层,电子壳

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2020-10-26

电子层,或称电子壳,是原子物理学中,一组拥有相同主量子数n的原子轨道。电子在原子中处于不同的能级状态,粗略说是分层分布的,故电子层又叫能层。

中文名:电子层,能层
外文名:electron shells ;orbital
别  名:电子壳
学  科:原子物理学

定义
电子层 电子层是原子物理学中,一组拥有相同主量子数n的原子轨道。
电子在原子中处于不同的能级状态,粗略说是分层分布的,故电子层又叫能层。电子层可用n(n=1、2、3…)表示,n=1表明第一层电子层(K层),n=2表明第二电子层(L层),依次n=3、4、5时表明第三(M层)、第四(N层)、第五(O层)。一般随着n值的增加,即按K、L、M、N、O…的顺序,电子的能量逐渐升高、电子离原子核的平均距离也越来越大。电子层可容纳最多电子的数量为2n²。

 


电子层不能理解为电子在核外一薄层空间内运动,而是按电子出现几率最大的区域,离核远近来划分的。
亨利·莫斯莱和巴克拉首次于X-射线吸收研究的实验中发现电子层。巴克拉把它们称为K、L和、M(以英文字母排列)等电子层(最初 K 和 L 电子层名为 B 和 A,改为 K 和 L 的原因是预留空位给未发现的电子层)。这些字母后来被n值1、2、3等取代。

电子轨道规律 

名字起源
电子层(atomic orbital)的名字起源于玻尔模式中,电子被认为一组一组地围绕着核心以特定的距离旋转,所以轨迹就形成了一个壳。
电子在原子核外排布时,要尽可能使电子的能量最低。一般来说,离核较近的电子具有较低的能量,随着电子层数的增加,电子的能量越来越大;同一层中,各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序:1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d.......

电子层的spd轨道 

 

 

排布原理
当原子处在基态时,原子核外电子的排布遵循三个原则:
(1)泡利不相容原理
(2)能量最低原理
(3)洪特规则

泡利不相容原理
我们已经知道,一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述,即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在,这就是泡利不相容原理所告诉大家的。根据这个规则,如果两个电子处于同一轨道,那么,这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说,每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。

根据泡利不相容原理,我们得知:s亚层只有1个轨道,可以容纳两个自旋相反的电子;p亚层有3个轨道,总共可以容纳6个电子;d亚层有5个轨道,总共可以容纳10个电子。我们还得知:第一电子层(K层)中只有1s亚层,最多容纳两个电子;
注意: 第二电子层(L层)中包括2s和2p两个亚层,总共可以容纳8个电子(所以8个电子时为稳定状态);
第3电子层(M层)中包括3s、3p、3d三个亚层,总共可以容纳18个电子……第n层总共可以容纳2n²个电子。
能量最低原理
在满足泡利原理前提下,电子将按照使体系总能量最低的原则填充。量子化学计算结果表明,当有d电子填充时(例如第四周期Ni,3d轨道能E3d=-18.7eV,而E4s=-7.53eV),E3d<E4s;当没有d电子填充时(例如第四周期K,有E3d=-0.64eV,而E4s=-4.00eV)E3d>E4s,发生了能级“倒置”现象,其他第五、六、七周期也有类似情况。所以不能简单地说电子是按轨道能由低到高的次序填入,但总可以说是按n+0.7l 值由小到大的次序填充。其中n是主量子数,l是角量子数。
洪特规则
从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义:一是电子在原子核外排布时,将尽可能分占不同的轨道,且自旋平行;洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层,当电子排布处于
全满(s2、p6、d10、f14)
半满(s1、p3、d5、f7)
全空(s0、p0、d0、f0)时比较稳定。
如果仔细观察元素周期表,可以发现每个元素下面都有电子亚层的电子排布数量,之所以会有"奇怪的现象",是因为3d层能量比4s层高,称为"能级交错现象"

电子亚层
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,电子的能量还稍有差异,电子云的形状也不相同。因此电子层仍可进一步分成一个或n个电子亚层。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。
同一电子层不同亚层的能量按s、p、d、f序能量逐渐升高。
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。

Tags:电子层,能层,原子物理  
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