電子軌域的問題

Question

我記的元素週期表中B族(或其他)的電子軌愈好像很複雜,好像分為什麼A,F...軌域.希望詳細介紹.

Answer 1

原子軌域及電子組態(簡略~詳細請至參考資料中所述之網站觀看~~)

波耳的氫原子理論引進了量子數及穩定態等新的觀念，並由電子在穩定態間的躍遷和譜線頻率間的關係，來解釋氫原子光譜，但是如果把這個理論推廣到氫原子以外的多電子原子時，便無法準確地預測原子的能階，因此最近數十年來，有別於古典力學的量子力學(quantum mechanics)開始興起，已經能完整地描述電子在原子核外的運動情形。

A 現代的原子模型

量子力學的內容雖然超過現階段的課程範圍，但是某些結論卻值得做定性的說明，對於了解詳細的原子結構有莫大的幫助。首先量子力學發現原子核外的電子，並不是單純的繞著原子核做圓周運動，像行星繞太陽一樣有固定的軌道(orbit)，而是無法預測電子的運動軌跡，只能知道電子在空間中某點出現的機率有多大，如果將電子出現機率較大的區域勾畫出來，一般稱為軌域(orbital)。其次有別於波耳在氫原子理論中僅使用一種量子數，在量子力學中如果要清楚的描述軌域的形狀及性質，就必須引進三組量子數：

(1) 主量子數(n)：這個量子數主要代表電子所具有的能量，n可以是1,2,3…等任何正整數，當n值愈大時，電子所具有的能量愈大，相對應軌域的體積也愈大，代表電子可以出現的空間愈廣。主量子數相同的軌域，數目可能不只一個，一般將其歸於同一主殼層(shell)，依n=1,2,3…區分為K,L,M,N…等殼層，主量子數愈大的殼層，電子距離原子核的平均半徑愈大。

(2) 角動量量子數(l )：此量子數可用來區別，主量子數(n)相同而形狀不同的軌域。對於同一個n值，l 可以介於0到n-1的任何整數值，所以具有相同n值的軌域會有n種不同的形狀，例如在M殼層的電子(n=3)，可能的l 值為0,1或2，電子可能存在三種不同形狀的軌域之一。n值相同而l 值不同的軌域，分別稱其屬於不同的副殼層(subshell)，不同的副殼層通常使用小寫的英文字母來標示例如
字母 s p d f g …
l 值 0 1 2 3 4 …
因此若要描述n=2，l =1的軌域，則可表示成2p。
(3) 磁量子數(ml)：此量子數用來區分相同n及l 值，但在空間有不同方位的軌域，亦即能量、形狀相同的軌域，在空間上有不同的排列方式。它的數值可以從l 到- l 的任何整數值，例如2s軌域的l =0，所以ml只有一個值0，在s的副殼層只有一個軌域，而在3p的軌域時l =1，則ml有-1,0,1三個值，分別代表3px，3py及3pz等三個軌域。理論上在同一個副殼層中會存有2 l +1個能量相同的軌域。

另外電子除了在核外運動，自身還會有二種不同方式的自轉，由於電子帶電荷，旋轉時會使本身變成一個小磁鐵如圖1-11所示，因此引進第四個量子數即旋量子數(ms)，分別為+1/2或-1/2兩種數值，代表電子在旋轉軸上不同的旋轉方式。

1 軌域的總類及形狀

根據量子力學的描述，原子核外的電子有多種不同的存在方式，可以分別用四種量子數來區別，對於每一n值會有n2個不同的軌域
當電子在n=1時，電子在原子核外出現機率較大的空間，如圖1-13所示，為球形對稱。當n=1、l =0，所以其軌域以1s標示，1s的電子可能出現的範圍很大，但距離原子核愈遠，則出現的機率愈小。

當電子在n=2的殼層時，電子能存在l=0的2s軌域，或l =1的2p軌域。所有s的軌域形狀均為球形對稱，其中2s電子出現密度較大的地方，分為二個環帶如圖1-13，電子距離原子核的平均半徑比1s大，所具有的能量也較高。當n>1時每個殼層均有三個p的軌域，分別在x,y,z三個互相垂直的軸上呈啞鈴形狀的分布如圖1-14，以px、py及pz表示，當n愈大時，np軌域上的電子，平均距離原子核的分佈也愈遠。

在n=3的殼層中，總共有n2=9個軌域，除了一個3s及三個3p軌域以外，還有五個形狀較複雜的d軌域，n=4時則比n=3更增加了7個f軌域，總共有42=16個軌域。

2 氫原子及多電子原子的軌域

氫原子在相同的殼層中，可能有不同的軌域，究竟何者的能量較低？根據氫原子光譜及量子力學計算的結果，相同殼層的軌域能量均相同，例如在圖1-15(A)中3s、3p及3d的能量均相同。氫原子只有一個電子，會填在那一個軌域呢？一般情況會填在能量最低的1s軌域。當氫原子接受外界的能量後，電子便會躍遷到較高能階的軌域，呈現不穩定的激發態，電子若從激發態返回基態，多餘的能量便以光的形式釋放出來，形成光譜。

若原子核外不只一個電子時，由於電子和原子核及電子和電子之間的交互作用，使得軌域的能量，並不像氫原子那樣單純，而呈現下列的順序 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p…，如圖1-15(B)所示，其中3d高於4s，4d高於5s通常可用下圖1-16的方式加以記憶，此圖的寫法為在棋盤式的方格子中，最左上角填入1s，按對角線的方式，依序填入2s、3s、4s…，接著n=2的同一列上，在2s的後面填入2p，共有二個軌域，n=3的同一列中，在3s後面依序填入3p、3d等3個軌域，其餘各列均以相同的方式操作，最後將每一行由上而下畫一箭頭，軌域能量的高低順序便由最左的一行，隨箭頭向右漸增。

以上只擷取簡略資料，這剛好也是我目前所學到的地方~的確不容易理解
好好看應該可以懂得~

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