【MCU控制初级手札】1.2 电子层、能级和轨道【化学基础】

作者：电控工程手札
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1. 电子层（能层）

在原子的玻尔模型中可以看到，电子在离原子核有一定距离的特定轨道上绕原子核运行。一个轨道为一个电子层。

（1）定义

核外电子围绕原子核运动时，由于能量不同，离核的平均距离也不同：能量越低的电子，通常离核越近；能量越高的电子，离核越远。这种按 "能量高低" 和 "离核平均距离" 划分的电子运动区域，称为 电子层 （或能层）。

（2）表示方法

用 主量子数 n 标记，n的取值为正整数（n=1,2,3,4,...），对应电子层符号为 K,L,M,N,O,P,...（n=1 对应 K 层，n=2 对应 L 层，以此类推）。

（3）能量规律

电子层的 能量随 n 增大而升高（即K < L < M < N < ...）。例如：K 层（n=1）电子能量最低，离核最近；N 层（n=4）电子能量更高，离核更远。

（4）容量

2n²

（1）定义

同一电子层（同一n）中，电子的能量并非完全相同，还存在更精细的能量差异，这种差异源于电子运动的 "轨道形状" 不同。因此，同一电子层可进一步划分为若干能级（或亚层）。

（2）表示方法

用角量子数 l 标记，l 的取值由 n 决定（l=0,1,2,...,n-1），对应能级符号为s,p,d,f,g,...（l=0对应s，l=1对应p，l=2对应d，l=3 对应 f，以此类推）。

（3）能量规律

同一电子层内，不同能级的 能量按s < p < d < f < ...递增（因l越大，能量越高）。例如：n=3（M 层）的能级能量：3s < 3p < 3d。
不同电子层的同类型能级，能量随n增大而升高。例如：1s < 2s < 3s < 4s，2p < 3p < 4p。
特殊情况（能级交错）：当 n 和 l 都不同时，可能出现 "外层低能级能量低于内层高能级" 的现象（如4s < 3d），这是后续电子排布的重要依据。

顺序遵循 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p⋯

（4）容量

每个能级包含的 "原子轨道" 数量固定（轨道是电子运动的空间区域）：s能级 1 个轨道，p能级 3 个轨道，d能级 5 个轨道，f能级 7 个轨道（轨道数 = 2l+1）。

（1）定义

同一能级内空间取向不同的电子云区域为轨道。它并非宏观世界中 "物体运动的固定路径"（如行星绕太阳的轨道），而是量子力学中描述核外电子运动状态的空间概率分布区域

（2）表示方法

由磁量子数 m 标记，m 的取值由 l 决定（m=-l,...,0,...,+l）

（3）容量

每个轨道容纳2个自旋相反的电子（泡利不相容原理）。泡利原理直接决定了原子中各能级、各电子层能容纳的最多电子数。

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