原子排列规律摘要：核外电子除了围绕原子核运动，它也像行星一样具有自旋，可以把原子核比作恒星，核外电子比作行星，核外电子绕原子核运动就像是一个
微小星系的运转，甚至更为复杂。先说电子排布，电子排布是表示原子核外电子排布的图式之一。分别用1-7等数字表示K、L、M、N、O、P
、Q、R等电子层，用s，p，d，f分别表示各电子亚层，并在这些符号右上角用数字表示各亚层上的电子的数目。（迄今为止只发现了7个电子
层）那什么是电子亚层呢，因为同一电子层中电子能量有微小的差异，电子运动轨迹也不同（称之为电子云概率形状比较准确），所以进一步细分，
把电子层分为4种电子亚层。其中s亚层电子轨道是正圆形，p亚层是纺锤形（麻花），d亚层是花瓣形（4叶草），f亚层则比较复杂。核外电子
除了围绕原子核运动，它也像行星一样具有自旋，可以把原子核比作恒星，核外电子比作行星，核外电子绕原子核运动就像是一个微小星系的运转，
甚至更为复杂。那么怎么来描述电子的运行状态呢？这里就要涉及到量子力学的内容了，刚才我把电子的运动比喻成行星运动，这是站在经典物理学
的角度，或者说宏观的角度去看电子的运动，但是在微观世界里，或者说观察尺度到了原子尺度或以下，经典物理学的规则就不适用了，粒子的运动
状态并不是连续的，而是一份一份的，这怎么理解呢，我的理解是在微观世界里，当一个粒子从A点运动到B点，并不是像台球桌上的台球一样，沿
着一条路径滚过去，而是突然在A点消失，然后在路径上的另外一点出现，一直持续到在B点出现的过程。为什么会这样？只有两种可能，一种是世
界本质是连续的，只是我们没法“观测”到连续；另外一种就是世界本质就是不连续的。那么描述电子的运行状态就要用量子数来描述了。量子数包
括主量子数n，角量子数l，磁量子数m和自旋量子数s四种，一个一个来说吧。主量子数，其实就是前面提到的电子排布的电子层序号，他必须是
正数，取值范围1-7（目前），这7个电子层按离原子核的距离由近至远排序，即1，K层，离原子核最近，7，R层，离原子核最远。电子因为
受到原子核的束缚，想要在离原子核较远的轨道上运行是需要能量的，所以n越大，电子需要的能量值越高，或者说该轨道的能级高，但注意，因为
前面还提到了电子亚层，有很多形状的亚层轨道，真正的能级排布顺序是ns < (n-2)f < (n-1)d < np，可见4d层能级
> 5s层的能级，n越大能级值越高的说法详究起来也是不准确的。角量子数，是代表角动量的量子数，确定电子云的形状。他的取值范围是l
= 0, 1, 2, 3, …, (n-1)，其中n是主量子数，当l=0时，电子云的形状是球形对称的，其实就是上面提到的s亚层，
当l=1是p亚层，当l=2是d亚层，当l=3是f亚层。磁量子数代表每个亚层的轨道方向，即电子云在空间的伸展方向。取值范围是m =
l, (l-1), (l-2), …, 0, (1-l), (2-l), …, -l，意味着在角量子数为l的亚层，电子云在空间的伸
展方向有2l+1个取值。最后是自旋量子数，用来描述电子的自旋运动。他的取值是整数或半整数，即0, 1/2, 1, 3/2, 3 …
，他的值依赖于量子的种类，比如咱们要说的电子，他的自旋量子数是1/2（正向）或-1/2（逆向）。粒子的自旋角动量S=[s(s+1
)]^(1/2)h''（其中s是自旋量子数，电子质子中子的s=1/2，光子的s=1，介子的s=0；h''=h/(2π)≈1.0510
^-34(J.s)，h是普朗克常数） 。上面这四种量子数，就可以描述电子运动状态。像电子这种自旋量子数为半整数的粒子被称为费米子，
费米子遵循泡利不相容原理，即不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，也就是说不能有两个完全相同的粒子具有完全相同的四个量子数
，或者说在量子数n, l, m确定的轨道上最多可容纳两个电子，并且他们的自旋方向必然相反。下面说一下能量最低原理，能量最低原理是在
不违背泡利不相容原理的基础上，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后，电子才依次进入能级较高的轨道，尽可能
的使体系能量最低。洪特规则对能量最低原理做了补充，是指在相同电子层、电子亚层上的各个轨道上排布的电子，将尽可能的分占不同的轨道，且
自旋方向相同。根据以上，电子排布的规则就出来了。我们看一下实例，先说一下最简单的氢原子。氢原子的核外电子只有1个，根据能量最低原理
，电子要占据最低能级的轨道，就是K轨道，主量子数n=1，角量子数l取值只有0，所以电子云的形状是球形。氧原子，序号为8，核外电子有
8个，根据能量最低原理，第一个电子和氢原子的核外电子一样，在1s轨道上，第二个电子必然也进入1s轨道上，自旋方向和第一个电子相反。
第三个电子根据泡利不相容原理，就不可能在1s轨道上了，那能否在1p亚层呢？答案是不可能，因为当主量子数n=1，l的取值只能是0，所
以K层轨道上只有一种s亚层。所以第三个电子必然进入L轨道，并且单独占据1个能级最低的轨道，此时主量子数是2，l取值是0，1，L轨道
上于是只有s亚层或p亚层，很显然第三个电子将单独占据2s，第四个电子单独占据2p，第五个电子到目前能级最低的2s轨道上，自旋方向和
第三个电子相反，第六个电子到目前能级最低的2p轨道上，因为磁量子数取值范围是1，0， -1，电子又有2种自旋方向，所以2p轨道上最
多能容纳3 2 = 6个电子，所以剩下的电子都会在2p轨道上。这样咱们再来看一下电子排布规律的总结，就很明晰了。1. 每层最多
容纳电子2n^2，n是电子层数2. 最外层电子数不超过8 这两个之前死记硬背的原则就可以理解了，简单证明一下。首先n为主量子数，
等同于电子层数，角量子数l可取值数是n（0? … n-1 共n个取值）。综合所有角量子取值，磁量子数可取值数为sum(2(0 …
n-1) + 1) 即 sum(1, 3, 5, 7, … , 2(n-1)+1) 等比数列求和得n^2，自旋量子数可取值数为2
。所以当主量子数n确定时，该层最大可容纳电子数为2n^2，得证。最外层电子数为什么不能超过8呢，因为前面提到，能级排序为ns <
(n-2)f < (n-1)d < np，所以举例子当主量子数为5时，最外层电子数假设是9，前8个电子占满了s和p轨道，（s和p
轨道最多只能容纳8个电子），下一个能级最低的轨道不是5f或5d，因为5d > 6s，5f > 7s，所以最后一个电子必将进入6s轨
道。以上就是原子核外电子排布规律的基本知识。也有例外情况，有一些特殊的元素原子核外电子排布表象上也不符合上面提到的规律，但是他们还是遵循着能量最低这个原则，有一些排列从层次上不符合上面提到的规律，但是整体上能量能够维持最低，这也是允许的，这样的情况较少。一般来说，都可以通过以上的规律推导出核外电子的排布情况。 |
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