1.1.2　原子的基本性质

在玻尔模型中，核外电子都在原子核外固定的轨道上运动。在现代量子力学模型中，原子核外的电子并没有固定的轨道，甚至没有固定的空间位置。它们运动的特征需要用量子力学的波函数来表示。波函数代表着电子出现在空间特定位置的概率，电子就像是弥散在原子核周围的云，因此被称为电子云。描述不同运动状态的电子，需要用到不同的量子数，这些量子数不能连续取值，只能取离散值。而且，电子作为典型的费米子，遵守量子力学的泡利不相容原理，即没有两个电子可以在同一时间共享相同的量子态，也就是说不可能有两个电子所有量子数均相同。不同量子数的电子能量有高有低，如同水往低处流一样，电子总是倾向于占据能量更小的量子态，每个量子态能够占据的电子只有一个，每层根据次要量子数的不同，量子数可以取值的范围不同，能容纳的电子数量也是有限的。描述核外电子的量子数一共有三个，其中最重要的就是主量子数n，它决定了电子的分层。主量子数越小，电子越容易出现在靠近原子核的位置，其势能也就越低。从靠近原子核往外分别是第1层、第2层、第3层……一直到第n层。主量子数为1的轨道又称为K层轨道，主量子数为2的轨道称为L层轨道，依此类推。每一层能容纳的电子数是有限的，最多容纳2n2个电子。电子首先填充主量子数较低的轨道，主量子数较低的轨道全部填满以后，才填充主量子数较高的轨道。因此，原子只有最外层轨道上有空位，而除最外层轨道以外的所有内层轨道全部被填满。

电子的第二个量子数是角量子数l。在同一层内，根据角量子数的不同，电子层还能细分成亚电子层。由内而外，角量子数分别为0，1，2，3，4，5，6。每个亚电子层能容纳的电子数如表1.1所示。电子的角量子数必定小于主量子数，角量子数可以取值的范围是从0到n-1，也就是说，K层电子只有一个s亚层，角量子数为0；L层电子有s、p两个亚层，角量子数分别为0和1；M层电子有s、p、d三个亚层，角量子数分别为0，1和2。

电子的第三个量子数是自旋量子数j。自旋是电子的内禀属性，它能取值的范围与轨道角动量有关，所以自旋角动量可以取值的范围是j=l±1/2。因此，s层电子的自旋量子数只可能取1/2；p层电子角量子数是1，自旋量子数可以取1/2和3/2；d层电子角量子数是2，自旋量子数只能取3/2和5/2；以此类推。每个电子轨道都有主量子数n、角量子数l和自旋量子数j三个轨道量子数，可以容纳两个自旋相反的电子。电子可以在不同轨道之间跃迁，并将不同轨道之间的能量差以X射线的形式发出，由于原子核外电子轨道能级与原子核性质有关，因此其被称为原子的特征X射线，如图1.4所示。

表1.1　原子的亚电子层(https://www.daowen.com)

图1.4　原子的特征X射线

电子吸收能量后能从主量子数较低的轨道跃迁到主量子数较高的轨道，如果主量子数较低的轨道上出现空位，主量子数较高的轨道上的电子也可以跃迁到主量子数较低的轨道上去，并且放出能量。