普通化学/量子原子

量子数

这四个数字用于描述原子中电子的位置。

编号	符号	可能的值
主量子数	$n\,$	$\displaystyle 1,2,3,4,\ldots$
角动量量子数	$\ell \,$	$\displaystyle 0,1,2,3,\ldots ,(n-1)$
磁量子数	$m_{\text{l}}\,$	$\displaystyle -\ell ,\ldots ,-1,0,1,\ldots ,\ell \,$
自旋量子数	$m_{\text{s}}\,$	$\displaystyle +1/2,-1/2$

主量子数 (n)

决定电子所在的电子层。电子层是决定电子能量的主要因素（n 越高，能量越高），以及轨道的大小，对应于最大核距离（n 越高，距离原子核越远）。元素在周期表中所处的行数决定了电子层数。氦 (n = 1)、氖 (n = 2)、氩 (n = 3) 等。请注意，电子层将具有不同的编号，如上表所述；例如，氩将包含 $n=1$、$n=2$ 和 $n=3$ 亚层，总共 3 个。

角动量量子数 (l)

也称为方位量子数。决定电子所在的亚层。每个亚层都有独特的形状和字母名称。s 轨道呈球形，当 l = 0 时出现。p 轨道（有三个）呈泪滴形，当 l = 1 时出现。d 轨道（有五个）当 l = 2 时出现。f 轨道（有七个）当 l = 3 时出现。（顺便说一句，当 l = 4 时，轨道为“g 轨道”，但它们（以及 l = 5 的“h 轨道”）在普通化学中可以安全地忽略）。可以使用主量子数计算每个电子层中亚层数，如下所示。 $l=0,1,...(n-2),(n-1).$ 例如，在 $n=2$ 电子层中，亚层为一个 $l=0$ 亚层和 3 个 $l=1$ 亚层。您将在下一节学习如何确定每个亚层的轨道数。

该数字还提供了关于轨道角节点的信息。一个节点定义为 驻波 上波幅最小的点。当应用于化学时，这是零位移点，因此没有电子存在。反过来，角节点是指没有电子存在或没有电子密度的平面或锥形表面。此页面上显示的模型显示了这些轨道的最简单表示及其节点。更准确但更复杂的描述对于本书的范围来说没有必要。

以下是轨道的图片。请记住，它们不显示电子的实际路径，因为存在海森堡不确定性原理。相反，它们显示了电子最有可能出现的体积，即概率振幅 最大。两种颜色代表波函数 的两个符号（相位）（选择是任意的）。每个描绘的轨道都是两个相反m 量子数（见下文）的叠加。

ml	0	-1 和 1	-2 和 2	-3 和 3
S 轨道 →
P 轨道 →
D 轨道 →
F 轨道 →

磁量子数 (m_l)

ml	-3	-2	-1	0	1	2	3
S 轨道 →
P 轨道 →
D 轨道 →
F 轨道 →

磁量子数决定电子所在的轨道。每个亚层的轨道数可以按如下方式计算： $m$_$l$$=-l,-(l-1),...,-1,0,1,...(l-1),l$。m_l 决定复杂相位围绕 z 轴增加的速度。在没有磁场的情况下，这些轨道都具有相同的能量，它们是简并的，可以组合成不同的形状和空间方向。亚层中简并的轨道称为简并轨道。这仅仅意味着每个 p 亚层中的轨道都具有相同的能级。更高 $l$ 亚层的形状和方向差异在普通化学中并不重要，并且在同一个更高 $l$ 亚层中的轨道无论形状差异如何仍然是简并的。

自旋量子数 (m_s)

它并不决定电子的自旋。 +½对应于电子构型框中的向上箭头。如果一个轨道中只有一个电子（一个框中只有一个箭头），那么它总是被认为是 +½。第二个箭头，或者向下箭头，被认为是 -½。每个轨道可以包含一个“自旋向上”电子和一个“自旋向下”电子。

一些例子

让我们检查一下镁原子 ¹²Mg 中电子的量子数。记住，每个数字列表对应于 (n, l, m_l, m_s)。

两个 s 电子	(1, 0, 0, +½)	(1, 0, 0, -½)
两个 s 电子	(2, 0, 0, +½)	(2, 0, 0, -½)
六个 p 电子	(2, 1, -1, +½)	(2, 1, -1, -½)	(2, 1, 0, +½)	(2, 1, 0, -½)	(2, 1, 1, +½)	(2, 1, 1, -½)
两个 s 电子	(3, 0, 0, +½)	(3, 0, 0, -½)

元素周期表

注意元素周期表上的规律。不同的区域或块，有不同类型的电子。最左侧的两列构成 s 区。最右侧的六列构成 p 区。中间的较大区域（过渡金属）构成 d 区。底部部分构成 f 区（镧系和锕系）。每一行引入了一个新的电子层（又称能级）。基本上，行告诉你会有多少个电子层，而列告诉你将出现哪些亚层（以及它们出现在哪些层）。m_l 的值可以通过我们将在下一章学习的一些规则来确定。m_s 的值并不重要，只要在同一个轨道中没有重复的值。