电子排斥与能级交错：深入了解原子结构与激发态原子现象

1.能层

1）在多电子原子中，核外电子是分层运动的，能量高的电子在离核远的区域里运动，能量低的电子在离核近的区域里运动。这说明多电子的原子中电子的能量是不同的。能量不同的电子在核外不同的区域内运动，这种不同的区域称为能层，即“电子层”（n）。

2）每一能层最多容纳的电子数为2n²。例如氯原子第二能层，n=2，2×2²=8。

3）离核越近的能层，能量越低。

4）能层的表示方法见表2-1。

2.能级

1）在多电子、原子中，同一能层的电子能量也可能不同。同一能层的电子在不同能量的能级上运动，能级分别用s、p、d、f表示，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。

表2-1能层表示方法

2）在同一能层上不同能级的能量。ns﹤np﹤nd﹤nf，任一能层的能级总是从s能级开始，且该能层的能级数等于该能层序数。如第一能层只有一个能级（1s），第二个能层有两个能级（2s、2p），第三个能层有三个能级（3s、3p、3d），第四个能层有四个能级（4s、4p、4d、4f）。

3）s、p、d、f最多容纳的电子数依次为2、6、10、14。

4）能级的表示方法见表2-2。

表2-2能级表示方法

5）在目前己知的元素的原子中，能层数最高到第七电子层，而能级的种类也只出现了s、p、d、f。

3.构造原理 从氢原子开始，随着原子核电荷数的递增，原子核每增加一个质子，原子核外便增加一个电子。这个电子大多是按图2-1所示的能级顺序填空的，填满一个能级再填一个新能级。这种规律称为构造原理。

构造原理说明：核外电子首先是以能量高低顺序进入轨道的。各能级的能量由能层序数和能级类型共同决定。电子按照构造原理排布，会使整个原子的能量处于最低状态。

4.能级交错 从构造原理图可以看出，核外电子的能级排布顺序为1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、…。从中可以看出，不同能层的能级有“能级交错”现象。如E（3d）﹥E（4s）、E（4d）﹥E（5s）、E（5d）﹥E（6s）、E（6d）﹥E（7s）、E（4f）﹥E（5p）、E（4f）﹥E（6s）等。原因是由于电子之间存在着排斥力，从而减弱了原子核对外层电子的吸收力，致使能级出现交错现象。

图2-1 构造原理

5.核外电子排布表示方法 例如ns^x：n代表能层；s代表能级；x代表该能级上的电子数。几种原子的电子排布式如下：(www.xing528.com)

氢H 1s¹

钠Na 1s²2s²2p⁶3s¹

氯Cl 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

钾K 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹

简化电子排布式，例如：Na[Ne]3s¹；Cl[Ne]3s²3p⁵；K[Ar]4s¹。方括号里的符号的意义，是该元素前一个周期的惰性气体电子排布的结构，称为“原子实”。

6.能量最低原理 原子核外的电子排布遵循构造原理，能使整个原子的能量处于最低状态，简称为能量最低原理。即在基态原子里，电子优先排布在能量最低的能级里，然后依次排布在能量逐渐升高的能级里。

7.基态与激发态

1）基态原子。处于最低能量的原子叫做基态原子。

2）激发态原子。当基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。

3）基态原子与激发态原子相互转化的能量关系：

例如：电子从1s能级跃迁到2s、2p等能级，需要吸收能量；从较高能量的能级，如2s、2p跃迁到1s时，则会放出能量。光是电子释放能量的一种重要形式。灯光、焰火等现象都是原子核外电子发生跃迁释放能量的结果。

8.布里渊区 此区就是由晶体倒格矢中垂面在倒易空间中分割出来的一个个区域。所以会有第一布里渊区，直至第n布里渊区。其物理意义在于每个布里渊区代表了一个能带，布里渊区边界就是能带边界。

固体的能带理论中，各种电子态按照它们波矢的分类。在波矢空间中，取某一倒易点阵为原点，作所有倒易点阵矢量的垂直平分面。这些面波矢空间划分为一系列的区域：其中最靠近原点的一组面所围的闭合区称为第一布里渊区；在第一布里渊区之外，由于一组平面所包围的波矢区叫第二布里渊区；依次类推可得第三、第四等布里渊区。各布里渊区体积相等，都等于倒易点阵的元胞体积。周期结构中的一切波在布里渊区界面上产生布喇格反射。对于电子德布罗意波，这一反射可能使电子能量在布里渊区界面上（即倒易点阵矢量的中垂面）产生不连续变化。根据这一特点，1930年L.N.布里渊首先提出用倒易点阵矢量的中垂面来划分波矢空间的区域，从此被称为布里渊区。

第一布里渊区就是倒易点阵的维格纳-赛茨原胞，如果对每一倒易点阵作此原胞，它们会毫无缝隙的填满整个波矢空间。由于完整晶体中运动的电子、声子、磁振子等原激发的能量和状态，都是倒易点阵的周期函数，因此只需要用第一布里渊区中的波矢来描述能带电子、点阵振动和自旋波等的状态，并确定它们的能量（频率）和波矢关系。限于第一布里渊区的波矢称为简约波矢，而第一布里渊区又叫简约区，在文献中不加定语的布里渊区指的往往就是它。

布里渊区的形状取决于晶体所属布喇菲点阵的类型。简单立方、体心立方和面心立方点阵的简约区分别为立方体，菱十二面体和截角八面体（十四面体）。它们都是对称的多面体，并具有相应点阵的点群对称性。这一特征使简约区中高对称点的能量求解得以简化。

9.偶极距 正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩，即μ=rq。它是一个矢量，方向规定为从正电中心指向负电中心。偶极矩的单位是D（德拜）。根据讨论的对象不同，偶极矩可以是键偶极矩，也可以是分子偶极矩。分子偶极矩可由键偶极矩经矢量加法后得到。实验测得的偶极矩可以用来判断分子的空间构型。

10.极化率 两个不同的原子，因为原子核对电子的吸引力不同，当它们结合在一起的时候，整个分子的电子云会偏向一边，形成极化。极化率就是对极化程度的衡量。极化率是指分子在外场的影响下产生极化的程度，与分子的极性无直接关系。

11.简并度 在物理学中，简并是指被当作同一较粗糙物理状态的两个或多个不同的较精细物理状态。例如在量子力学中，原子中的电子由其能量确定的同一能级状态，可以有两种不同自旋量子数的状态，该能级状态是两种不同的自旋状态的简并态。