二、原子中电子的壳层结构

         元素的性质决定于原子中电子所处的状态,而电子的状态是由四个量子数,即nlmms 来表征的,对此大家并不陌生,现概述如下:

         (1) 主量子数n:依照原子中电子的能量由低到高,n可取从1开始的一系列正整数,即n = 1, 2, 3, …;

         (2) 轨道量子数l:也称角量子数,反映了电子轨道角动量的大小。对于同一个n值下的不同l的状态,电子的能量也有差别。在n值一定的情况下,l可取n个可能的数值,即l = 0, 1, 2, …, n -1;

         (3) 磁量子数m:反映了电子轨道角动量在空间的取向,或轨道角动量在某特定方向(如磁场方向)的分量。对于给定的l值,m可取2l+1个可能的数值,即m = 0, ±1, ±2, …, ± l

         (4) 自旋磁量子数ms :表示电子自旋角动量在空间的取向,或自旋角动量在磁场方向的分量,自旋角动量向上,ms 取1/2,自旋角动量向下,ms 取-1/2。

         氢原子是最简单的原子,核外只有一个电子,按照能量的不同,这个电子可以处于由任意一组量子数(n, l, m, ms )所表示的状态中。显然,在一般情况下,原子的能量应该是最低的,电子应处于由能量最低的那一组量子数所表示的状态,这就是氢原子的基态1s。但是,除了氢原子以外的所有其他原子,核外电子数都大于1,那么这些电子是否也都处于由能量最低的那一组量子数所表示的状态呢?从原子能量最低为最稳定这个观点看,所有核外电子都处于由能量最低的那一组量子数所表示的状态中是有利的。但是,电子的这种排布方式与上述的元素性质随原子中电子数的增加而表现出的周期性变化的事实相违背。

         例如,氟、氖和钠这三种元素的原子中,核外电子数分别为9、10和11,它们的物理和化学性质是有很大差异的。氟是卤族元素,它形成化合物的能力很强,在形成化合物时每一个氟原子获得一个电子而成为一价负离子,所以它常以离子键的形式与其他元素的原子相结合。氖是惰性气体,不能与其他元素形成化合物。钠属于碱金属,它形成化合物的能力也很强,在形成化合物时每一个钠原子失去一个电子而成为一价正离子,所以它也是以离子键的形式与其他元素的原子相结合的。

         元素的物理和化学性质随原子中电子数的增加而逐渐表现出差异的事实说明,在多电子原子中,电子不可能都处于能量最低的状态,电子在状态上的分布必须遵从下面两个原理:

         (1) 泡利(W.Pauli, 1900-1958)不相容原理:在原子中不可能有两个或两个以上的电子占据同一个状态,也就是不可能有两个或两个以上的电子具有相同的一组量子数(n, l, m, ms );

         (2) 能量最低原理:在原子处于基态时,电子所占据的状态总是使原子的能量为最低。

         根据这两个原理,原子中每一个由一组量子数(n, l, m, ms )所决定的状态只允许一个电子占据,同时,电子必定先占据能量最低的状态,而能量最低的状态是主量子数n为最小的状态。因此,在多电子原子中,随着电子数的增加,被电子占据的状态的主量子数n大体上是逐渐增大的。于是大家可以按照n的不同,把电子所处状态划分为许多壳层,主量子数n相同的各状态属于同一个壳层。n = 1, 2, 3, 4, 5, …的壳层分别表示为K, L, M, N, O, …壳层,而处于这些壳层上的电子分别称为K层电子, L层电子, M层电子, N层电子, O层电子, ……

         对于给定的主量子数n,轨道量子数ln个可能的数值,所以在一个壳层中,按照轨道量子数l的不同又可以划分为n个支壳层,对应于l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, …的各支壳层分别用s, p, d, f, g, h, …表示,处于这些支壳层上的电子,分别称为s电子, p电子, d电子, f电子, g电子, h电子, ……

         对于给定的轨道量子数l,磁量子数m有2l+1个可能的数值;对于给定的nlm,自旋磁量子数ms 可取±1/2两个可能的数值。于是,可以算得主量子数为n的壳层上所能容纳的电子数,为

                     .               (17-54)

由上式马上可以求得,K壳层可容纳2个电子,L壳层可容纳8个电子,M壳层可容纳18个电子,等等。表17-1列出了原子各壳层和子壳层所能容纳的电子数。

         随着原子序数的增加,核外电子按照上述规律在状态上填充。如果每一个周期都从电子填充新壳层开始,那么决定元素物理和化学性质的最外壳层的电子数也将出现周期性,这正是门捷列夫发现的元素周期律的本质所在。

表17-1  原子的壳层和子壳层所能容纳的电子数

      l

  0

  1             

  2

  3

  4

  5

  6

  Zn

  n

  s 

  p

  d

  f

  g

  h

  i

 

  1

  2

  3

  4

  5

  6

  7

 K

 L

 M

 N

 O

 P

 Q

  2

  2

  2

  2

  2

  2

  2

  6

  6

  6

  6

  6

  6

  10

  10

  10

  10

  10

  14

  14

  14

  14

 18

 18

 18

 22

 22

 26

   2

   8

  18

  32

  50

  72

  98

       
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