原子的电子层结构
实验室k / 2019-04-29
原子是由质子、中子等组成的原子核与核外电子所构成的。由于单质和化合物的化学性质主要决定于核外电子运动的状态。因此，在化学中研究原子结构主要在于了解核外电子运动的规律。
（1）核外电子运动的特性
核外电子运动具有波粒二象性，又表现出量子化特性，因而无法知道核外电子运动的轨迹（测不准原理），也就不能用经典的牛顿力学来描述核外电子的运动状态。
（2）核外电子运动规律的描述
量子力学用统计学的原理来研究电子在核外空间运动的“统计性”，从而掌握电子运动的规律。
核外电子运动状态用波函数φ来描述。φ为原子轨道函数，或称为原子轨道。原子轨道通常用随半径r变化有关的径向分布函数和随角度θ、φ变化有关的角度分布函数来表示。|φ|2称为几率密度，|φ|2在空间的分布称为电子云，所以波函数与电子云既有联系又有区别。在电子运动状态的各种表示的图象中，原子轨道的角度分布在讨论化学键和分子结构时有重要的应用。
（3）电子运动状态的确定——四个量子数
核外电子运动状态是量子化的，它是由反映电子运动量子化特性的一套参数——四个量子数来决定。这四个量子数是主量子数n、角量子数l（通常用s、p、d、f…表示）、磁量子数m和自旋量子数ms。n、l、m三个量子数确定一个波函数φ（原子轨道），也即确定电子在空间运动的范围。它们的取值有着相互制约的关系。
在n、l、m均相同的情况下，某电子运动状态还可因其自旋方向不同而不同，这由ms确定，ms的取值为＋1/2或－1/2。总之，n、l、m、ms四个量子数确定电子的一种完整的运动状态（包括空间运动范围和自旋情况）。
（4）原子中核外电子的排布
在多电子原子中，原子核对某一电子的引力总是因其他电子的存在而减小。“其他电子”对核电荷的这种抵消作用称为屏蔽作用。核电荷被部分屏蔽后剩余的部分称为有效核电荷Z*
Z*=Z－σ
式中Z为核电荷数，σ为屏蔽常数。
原子中某电子的能量与其Z*对该电子的作用有关：
Ee=－2．719×10（-18次方）（Z*/n）（2次方）焦耳
根据斯莱特（slater）规则，可以算出指定电子的Z－σ（即Z*）值。
由于屏蔽效应，多电子原子核外电子的能量同时受n和l的影响。从而使得核外电子的能量出现交错现象。鮑林（Pauling）根据光谱实验事实，总结出基态原子电子填充顺序的近似能级图。核外电子填充（或称排布）除依据近似能级图外，还遵循能量最低原理、保里不相容原理和洪特规则。严格地讲，是依据这些原理就能比较好地解释周期表中绝大多数元素的基态原子的电子排布的光谱实验事实。
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