量子力学中核外电子的运动方式

Question

如题所述

Answer 1

原子核外的电子总是有规律地排布在各自的轨道上。这些轨道的种类，作为薛定谔方程的解，取决于主量子数(n)、角量子数(l)和磁量子数(ml)。主量子数定义了电子的层，角量子数定义了亚层，而磁量子数决定了原子轨道的伸展方向。每个原子轨道最多可以填充两个电子，因此还需要一个自旋量子数(ms)，总共四个量子数来完整描述一个电子的状态。
主量子数n可以取任意正整数值。在给定n的情况下，角量子数l可以取小于n的自然数，磁量子数ml可以取±l的值。对于任何轨道，ms的值只能是±1/2，以确保两个电子的自旋相反。因此，s轨道（l=0）上只能容纳两个电子，而p轨道（l=1）上可以容纳六个电子，一个亚层的电子总数为4l+2。
角量子数为0、1、2、3的轨道分别被称为s、p、d、f轨道。当l=4时，则称为g轨道，以此类推。轨道的命名遵循字母顺序。
电子排布遵循三个基本规则：
1. 能量最低原理：电子倾向于填充能量最低的空轨道。
2. Hund规则：电子会尽可能地占据不同的轨道，且自旋方向相同。
3. Pauli不相容原理：在同一体系中，没有两个电子的四个量子数能完全相同。
同一亚层中的各个轨道在能量上是简并的。因此，电子通常先填充能量较低的亚层，然后再填充稍高能量的亚层。各亚层之间存在能级交错现象。
某些原子的排布不完全遵循上述规则，例如铬（Cr）的电子排布为[Ar]3d54s1，而不是更稳定的3d44s2，因为全充满、半充满、全空的状态更为稳定。
以铬为例，其原子核外有24个电子，可以填满1s至4s的所有轨道，剩下4个电子填入3d轨道：1s22s22p63s23p64s23d4。然而，由于半充满状态更稳定，电子排布发生变化：1s22s22p63s23p64s13d5。除了6个价电子外，其余电子通常不参与化学反应，因此简化表示为：[Ar]4s13d5。
电子构型对元素性质有决定性影响。为了达到全充满、半充满、全空的稳定状态，不同原子选择不同的方式。具有相同价电子构型的原子，理论上获得或失去电子的趋势相同，这是同一族元素性质相似的原因。元素周期表中的区块根据价电子构型的显著差异来划分，不同区块的元素性质也有显著差异。