電子排布

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電子排序,即電子組態,也即電子構型,是指電子原子分子或其他物理結構中的每一層電子層上的排序及排列形態。

正如其他基本粒子,電子遵從量子物理學,而不是一般的經典物理學;電子也因此有波粒二象性。而且,根據量子物理學中的《哥本哈根詮釋》,任一特定電子的確實位置是不會知道的(軌域及軌跡放到一旁不計),直至偵測活動進行使電子被偵測到。在空間中,該測量將會檢測的電子在某一特定點的機率,和在這一點上的波函數絕對值平方正比

電子能夠由發射或吸收一個量子的能量從一個能級躍遷到另一個能級,其形式是一個光子。由於包利不相容原理,沒有兩個以上的電子可以存在於某個原子軌域(軌域不等於電子層);因此,一個電子只可跨越到另有空缺位置的軌域。

知道不同的原子的電子構型有助了解元素週期表中的元素的結構。這個概念也有用於描述約束原子的多個化學鍵。在散裝物料的研究中這一理念可以說明雷射器半導體的奇特性能。

原子軌域的種類[編輯]

作為薛丁格方程的解,原子軌域的種類取決於主量子數n)、角量子數l)和磁量子數ml)。其中,主量子數就相當於電子層,角量子數相當於亞層,而磁量子數決定了原子軌域的伸展方向。另外,每個原子軌域里都可以填充兩個電子,所以對於電子,需要再加一個自旋量子數(ms),一共四個量子數

n可以取任意正整數。在n取一定值時,l可以取小於n自然數ml可以取±l。不論什麼軌域,ms都只能取±1/2,兩個電子自旋相反。因此,s軌域l=0)上只能填充2個電子,p軌域l=1)上能填充6個,一個軌域填充的電子數為4l+2。

具有角量子數0、1、2、3的軌域分別叫做s軌域p軌域d軌域f軌域。之後的軌域名稱,按字母順序排列,如角量子數l=4時叫g軌域

排布的規則[編輯]

電子的排布遵循以下規則:

  • 構築原理:整個體系的能量越低越好。一般來說,新填入的電子都是填在能量最低的空軌道上的。
  • 洪德規則:電子盡可能的佔據不同軌道,自旋方向相同。
  • 包利不相容原理:在同一體系中,沒有兩個電子的四個量子數是完全相同的。
  • 能級交錯:同一亞層中的各個軌道是簡並的,能階交錯是電子隨核電荷遞增填充電子次序上的交錯,並非先填能階的能量一定比後填能階的能量低。各亞層之間有能級交錯現象:
1s
2s 2p
3s 3p
4s 3d 4p
5s 4d 5p
6s 4f 5d 6p
7s 5f 6d 7p
8s 5g 6f 7d 8p

有些原子的排布不完全遵守上面的規則,如:

這是因為同一亞層中,全充滿、半充滿、全空的狀態是最穩定的。這種方式的整體能量比3d44s2要低,因為所有亞層均處於穩定狀態。

排布示例

以鉻為例:

  1. 鉻原子核外有24個電子,可以填滿1s至4s所有的軌道,還剩餘4個填入3d軌道:
    • 1s22s22p63s23p64s23d4
  2. 由於半充滿更穩定,排布發生變化:
    • 1s22s22p63s23p64s13d5
  3. 除了6個價電子之外,其餘的電子一般不發生化學反應,於是簡寫為:
    • [Ar]4s13d5
  4. 這裡,具有氬的電子構型的那18個電子稱為「原子實」。一般把主量子數小的寫在前面:
    • [Ar]3d54s1

電子構型對性質的影響[編輯]

電子的排布情況,即「電子構型」,是元素性質的決定性因素。為了達到全充滿、半充滿、全空的穩定狀態,不同的原子選擇不同的方式。具有同樣價電子構型的原子,理論上得或失電子的趨勢是相同的,這就是同一族元素性質相近的原因;同一族元素中,由於周期越高,價電子的能量就越高,就越容易失去。

元素周期表中的區塊是根據價電子構型的顯著區別劃分的。不同區的元素性質差別同樣顯著:如s區元素只能形成簡單的離子,而d區過渡金屬可以形成配合物

參見[編輯]