二、核外电子的运动状态

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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。

l0123
光谱符号spdF

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);…

电子云图

p电子

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
1101s
2202s
12p
3303s
13p
23d
4404s
14p
24d
34f

前已述及,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)。

s,p,d电子云在空间的分布

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。

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