10年级

轨道、电子排布、量子数

电子在原子核周围哪里最可能出现，以及这一规律如何填满元素周期表。

直觉直觉：是云，不是轨道

原子中的电子不是沿固定轨道运行的小行星。量子力学用波函数 $\psi$ 描述它，其平方 $|\psi|^2$ 表示在各点找到电子的概率。轨道（原子轨道）就是概率较大的区域，常画成一团云。

每个点都是电子可能出现的位置。改变

n

、

l

、

m

：

s

轨道为球形，

p

轨道有两瓣，

d

轨道多为四瓣。橙色和蓝色表示

\psi

的符号，并非电荷。

定义: 量子数

$n = 1, 2, 3, \dots$ 决定电子层和能量尺度。 $l = 0, 1, \dots, n-1$ 决定亚层及其形状（ $s, p, d, f$ ）。 $m$ 从 $-l$ 取到 $+l$ ，决定取向。自旋 $m_s = \pm\tfrac12$ 用来区分同一轨道中的两个电子。

\text{orbitals in shell } n = n^2,\qquad \text{electrons} \le 2n^2

电子按能量由低到高依次填入轨道（构造原理），每个轨道最多容纳两个自旋相反的电子（泡利不相容原理），在能量相同的轨道上先以平行自旋各占一个，再配对（洪特规则）。

选择原子序数

Z

，图上会显示电子排布。橙色电子为价电子。

例题: 铁， $Z = 26$

写出铁的电子排布。

解答

$\ce{Fe}$ ： $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2$ 。 $4s$ 先于 $3d$ 填充，但铁形成 $\ce{Fe^2+}$ 、 $\ce{Fe^3+}$ 时先失去 $4s$ 电子。