2.3　表征原子核外电子运动状态的4个量子数

原子核外电子的能量与 4 个量子数有关，它们是主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数s。4个量子数综合起来就能说明电子在原子中的状态和能量高低。主量子数表征该电子在第几电子层（第一层、第二层、第三层……），角量子数表征电子云是什么形状（球形、哑铃形、花瓣形……），磁量子数表征该电子的电子云如何取向（x轴、y轴、z轴），自旋量子数表征自旋方向（顺时针、逆时针）。

2.3.1　主量子数n

核外电子出现概率较大区域有的离核近些，有的离核远些，按其远近分为不同的电子层（electronic shell）。主量子数n（principal quantum number）表征电子在核外出现概率最大区域离核的平均距离和能量高低，它可以取值为：n=1、2、3、4、5、6、7。n值越大，电子离核平均距离越大，能量越高。n=1，表示电子处于第一电子层，离核平均距离最小，能量最低。

在光谱学上用拉丁字母表示电子层，其与主量子数的对应关系为：

2.3.2　角量子数l

角量子数l（azimuthal quantum number）表征电子云的不同形状。电子位于相同电子层，但电子云的形状不同，电子的能量也不同。

l可以取0到n−1的正整数，l=0、1、2、…、n−1，共n个数。l=0、1、2、3的轨道分别用光谱符号表示为：s、p、d、f轨道。

通常将n、l均相同的电子归在同一电子亚层。不同的电子层，包含的亚层数不同。

（1）第一电子层（K层），n=1，只有一个亚层：l=n−1=1−1=0（s态），1s亚层原子轨道（或电子云）球形对称[]，核外电子的运动与角度无关，称为s轨道（或s电子云）。

（2）第二电子层（L层），n=2，有两个亚层：l=n−1=1−1=0（s态）；l=n−1=2−1=1（p态）。有2s、2p两个亚层，其中2s亚层轨道（电子云）球形对称[]，没有方向性；2p亚层轨道（电子云）呈哑铃形分布[]。p轨道有方向性，沿某一直角坐标轴的方向有最大值。

（3）第三电子层（M层），n=3，有三个亚层：l=n−1=1−1=0（s态）；l=n−1=2−1=1（p态）；l=n−1=3−1=2（d态）。即第三电子层有3s、3p、3d三个亚层，其中d亚层原子轨道（电子云）呈花瓣形分布，称为d轨道（d电子云）。

（4）第四电子层（N层），n=4，有四个亚层：l=n−1=1−1=0（s态）；l=n−1=2−1=1（p态）；l=n−1=3−1=2（d态）；l=n−1=4−1=3（f态）。即第四电子层有4s、4p、4d、4f四个亚层，其中f亚层原子轨道（电子云）形状复杂，称为f轨道（f电子云）。

2.3.3　磁量子数m

磁量子数m（magnetic quantum number）表征原子轨道（电子云）在空间的伸展方向。m取什么值决定于角量子数l，它可取包括0在内的从“−l”到“+l”的所有整数。因此，m可有2l+1个数值，即电子轨道可取的方向数=电子轨道的形状数×2+1。

当l=0时，电子轨道只有一个，m=0，为球形对称的s轨道，即s电子只有一种空间取向，没有方向性。

当l=1时（p态），m可取包括0在内的从“−1”到“+1”的所有整数，即m=−1、m=0、m=1，p电子可有三种取向。原子轨道（电子云）沿直角坐标的x、y、z三个轴的方向伸展，分别称为px、py、pz，见图2.1。px、py、pz三个轨道具有相同的能量，称作等价轨道（equivalent orbital）。

当l=2时（d态），m可取包括0在内的从“−2”到“+2”的所有整数，即m=−2、m=−1、m=0、m=1、m=2，d电子可以有五种取向，即dxy、dxz、dyz、、。其中dxy、dxz、dyz分别在x轴和y轴、x轴和z轴、y轴和z轴夹角为45°的方向出现极值；在x轴和y轴出现极值；在z轴出现极值，见图2.2。

2.3.4　自旋量子数s

原子中的电子不仅绕核旋转，而且还自旋。电子自旋可有两个方向：顺时针方向和逆时针方向。自旋量子数s（spin quantum number）就是表征核外电子自旋方向的。用向上的箭头“↑”表示顺时针方向，向下的箭头“↓”表示逆时针方向。