在原子的内部,有一个带正电的密集核心,占据了极小的空间。围绕着这个核心的是带负电的电子,它们的分布是物理学和化学研究的焦点。根据量子力学,电子在原子内可以处于一系列可能的稳定状态,这些状态由四个量子数n、l、ml和ms来描述。n代表主量子数,只能取正整数1、2、3等;l被称为角量子数,可取0到n-1的值;m是磁量子数,取值范围为-l到l,而自旋磁量子数ms则只有两个可能值,+1/2或-1/2。
具有相同主量子数n的电子组成了一个壳层,根据l的不同,又细分为多个子壳层,分别用s、p、d、f等字母标识。原子核外电子的排布遵循两个基本法则:泡利不相容原理,即原子内部不允许两个电子具有完全相同的四个量子数,这决定了每个子壳层的容纳电子数为2l+1个,每个壳层容纳的电子数为2n^2个。例如,第一、二、三、四壳层分别可容纳2、8、18和32个电子。
其次,能量最低原理指出电子优先占据能量较低的状态。通过比较n+0.7l的值,可以判断出不同状态的能量顺序。原子序数增加时,电子按照这个顺序填充子壳层:1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p等。这种电子壳层的排列与元素周期表相对应,揭示了元素的物理和化学性质周期性变化的根源,即原子内电子壳层结构的周期性排列。
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