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title: 核外电子排布方式
description: "介绍多电子原子核外电子的能层和能级划分，原子轨道的基本概念，以及电子排布的规则。"
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## 能层与能级

- **能层：** 多电子原子的核外电子的能量是不同的，离核近的电子能量较低，离核越远，电子的能量越高。可以将核外电子分成不同的能层，并用符号 $K$、$L$、$M$、$N$、$O$、$P$、$Q$... 表示相应离核最近的第一能层，次之的第二能层，以此类推三、四、五、六、七能层。

  | 电子层序数( $n$ ) | $1$ | $2$               | $3$               | $4$               | $5$               | $6$               | $7$ |
  | ----------------- | --- | ----------------- | ----------------- | ----------------- | ----------------- | ----------------- | --- |
  | **符号表示**      | $K$ | $L$               | $M$               | $N$               | $O$               | $P$               | $Q$ |
  | **能量大小**      | 小  | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | 大  |
  | **距核远近**      | 近  | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | $\longrightarrow$ | 远  |

- 实验和量子力学研究表明，多电子原子中，同一能层的电子，能量可能不同，因此还能再将它们分成若干能级。在每一个能层中，能级符号的顺序是*ns*、*np*、*nd*、*nf*...（*n* 表示能层）。
<table>
    <thead>
        <tr>
            <th rowspan="2"> 能层 </th>
            <th> n = 1 </th>
            <th colspan="2"> n = 2 </th>
            <th colspan="3"> n = 3 </th>
            <th colspan="4"> n = 4 </th>
        </tr>
        <tr>
            <th> K </th>
            <th colspan="2"> L </th>
            <th colspan="3"> M </th>
            <th colspan="4"> N </th>
        </tr>
    </thead>
    <tbody>
        <tr>
            <th> 能级种类 </th>
            <td> s </td>
            <td> s </td>
            <td> p </td>
            <td> s </td>
            <td> p </td>
            <td> d </td>
            <td> s </td>
            <td> p </td>
            <td> d </td>
            <td> f </td>
        </tr>
        <tr>
            <th> 原子轨道 </th>
            <td> 1s </td>
            <td> 2s </td>
            <td> 2p </td>
            <td> 3s </td>
            <td> 3p </td>
            <td> 3d </td>
            <td> 4s </td>
            <td> 4p </td>
            <td> 4d </td>
            <td> 4f </td>
        </tr>
        <tr>
            <th> 原子轨道数 </th>
            <td> 1 </td>
            <td colspan="2"> 1+3 = 4 </td>
            <td colspan="3"> 1+3+5 = 9 </td>
            <td colspan="4"> 1+3+5+7 = 16 </td>
        </tr>
    </tbody>
</table>

> 原子轨道数为 $n^2$
>
> 每一电子层所容纳的电子数最多为 $2n^2$ 个

## 电子云与原子轨道

### 概率密度

1913 年，**玻尔** 提出氢原子模型，电子在 **线性轨道** 上绕核运行。量子力学指出，一定空间运动状态的电子在核外空间各处都可能出现，但出现的 **概率** 不同，可用概率密度 $(\rho)$ 表示，即

$$
\rho＝\frac{P}{V}(P\ 表示电子在某处出现的概率,V\ 表示该处的体积)
$$

### 电子云

- 定义：处于一定空间 **运动状态** 的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述

- 含义：用单位体积内小黑点的疏密程度表示电子在原子核外出现概率大小，小黑点越 **密** ，表示概率密度越 **大**

> [×] $4s$ 电子能量较高，总是在比 $3s$ 电子离核更远的地方运动

### 原子轨道

量子力学把电子在原子核外的一个 空间运动状态 称为一个原子轨道

$$
形状
\begin{cases}
s\ 电子云：& 球形 & 只有一种空间伸展方向 \\
p\ 电子云：& 哑铃形 & 有\ 3\ 种空间伸展方向分别相对于\ x, y, z\ 轴对称 \\
\end{cases}
$$

> $空间运动状态种数=轨道数； 电子运动状态种数=电子数$
>
> $eg$：基态 $\ce{C}$ 原子核外共有 $4$ 种不同的空间运动状态，共有 $6$ 个运动状态不同的电子

### 原子轨道与能层序数的关系

1. 不同能层的同种能级的原子轨道形状 **相同**，只是半径 **不同**。能层序数 $n$ 越 **大**，原子轨道的半径越 **大**。

2. $s$ 能级只有 $1$ 个原子轨道。$p$ 能级有 $3$ 个原子轨道，它们互相垂直，分别以 $p_x$、$p_y$、$p_z$ 表示.

3. 原子轨道数与能层序数 $(n)$ 的关系：原子轨道数目 $= n^2$.

### 原子轨道能量高低

1. 相同能层上原子轨道能量的高低：$ns<np<nd<nf$；

2. 形状相同的原子轨道能量的高低：$1s<2s<3s<4s<\dots$；

3. 同一能层内形状相同而伸展方向不同的原子轨道的能量相等，如 $np_x$, $np_y$, $np_z$ 轨道的能量相等；