核外電子的運動狀態
電子是質量極輕、體積極小、帶負電荷的微粒，它在原子這樣大小的空間（直徑約為10-10m）內做高速運動。它的運動和普通寵觀物體不同，它具有自己的特殊規律。
一、電子雲的概念
對宏觀物體的運動，可以用經典力學來描述。例如火車在軌道上奔馳，人造衛星按一定軌道圍繞地球運行，都可以測定或根據一定的數據計算出它們在某一時刻所在的位置和速度，並能描繪出它們的運動軌跡。而在原子核外運動的電子則不同，它不遵循經典力學的規律，必須用20世紀初創立的量子力學理論來描述。現已經證明電子在核外空間所處的位置及其運動速度不能同時準確地確定，也就是不能描繪出它的運動軌跡。在量子力學中采用統計的方法，即對一個電子多次的行為或許多電子的一次行為進行總的研究，可以統計出電子在核外空間某單位體積中出現機會的多少，這個機會在數學上稱為概率密度。例如氫原子核外有一個電子，這個電子在核外好像是毫無規則地運動，一會兒在這裏出現，一會兒在那裏出現，但是對千百萬個電子的運動狀態統計而言，電子在核外空間的運動是有規律的，在一個球形區域裏經常出現，如一團帶負電荷的雲霧，籠罩在原子核的周圍，人們稱之為電子雲。這團“電子雲霧”呈球形對稱，如圖1－1所示。電子雲是電子在核外空間出現概率密度分布的一種形象描述。原子核位於中心，小黑點的密疏表示核外電子概率密度的大小。
二、四個量子數
量子力學對核外電子運動狀態的描述引出四個量子數，即電子的運動狀態可以用四個量子數來規定。主量子數n，角量子數l，磁量子數m和自旋量子數ms。其中n，l和m三個量子數確定電子在空間運動的軌道，稱為原子軌道。當然電子運動並不是真有確定的軌道，量子力學理論認為電子在整個原子空間都有可能出現，隻是在各處出現的概率密度不同，因而運動狀態也不同。電子不僅在核外空間不停地運動，而且還做自旋運動，自旋量子數ms規定電子自旋運動狀態。所以，電子的運動狀態通常由n，l，m三個量子數決定軌道運動，由ms決定自旋運動。這四個量的具體含義和取值大致如下。
主量子數n它規定了核外電子離核的遠近和電子能量的高低。由近及遠，由低至高，n可取正整數1，2，3，4…n值越大，表示電子離原子核越遠，能量越高。反之，n越小，則電子離核越近，能量越低。由於n隻能取正整數，所以電子的能量是分立的不連續的，或者說能量是量子化的。這也相當於把核外電子分為不同的電子層，凡n相同的電子屬於同一層。習慣用K，L，M，N，O，P來代表n=1，2，3，4，5，6的電子層。
角量子數l它描述的是電子在原子核外出現的概率密度隨空間角度的變化，即決定原子軌道或電子雲的形狀。l可取小於n的正整數，即0，1，2，…，n－1，如n=4，l可以是0，1，2，3，相應的符號是s，p，d，f…例如l=0，就用s表示，l=1用p表示等等。對含有多於1個電子的原子（或稱多電子原子），當n相同時，l越大，電子的能量越高。因此，常把n相同，l不同的狀態稱為電子亞層，一個電子層可以分為幾個亞層。如n=2（L層），有兩個亞層，即l=0和1，相應的原子軌道符號為2s和2p；當n=3（M層）時，有l=0，1，2三個亞層，可分別用3s，3p和3d表示。以此類推。
磁量子數m它規定電子運動狀態在空間伸展的取向。m的數值可取0，±1，±2，…，±l。對某個運動狀態可有2l+1個伸展方向。s軌道的l=0，所以隻有一種取向，它是球對稱的。p軌道l=1，m=－1，0，+1，所以有三種取向，用Px，Py和Pz表示。圖1－2為s和p原子軌道輪廓圖。s軌道在空間伸展取向呈球對稱，而px軌道伸展取向垂直於yZ平麵，py取向垂直於xz平麵，而Pz取向則垂直於xy平麵。
圖1－2原子軌道輪廓圖（s狀態對原點是對稱的，p狀態是反對稱的。圖中s狀態、p狀態的標度大小並不相同）
自旋量子數ms電子除繞原子核運動外，它本身還做自旋運動。電子
也常用↑和↓符號表示自旋方向相反的電子。表1－1歸納了四個量子數的關係。
四個量子數的物理意義及數值之間的相互關係都是量子力學在處理波動方程時求解得到的，並有物理和化學的實驗依據，本書不做闡述。這裏僅把這些結論作為描述電子運動狀態的符號使用。
三、核外電子排布
多電子原子的核外電子排布可用四個量子數描述，它們遵循以下三條原理。
保裏不相容原理在一個原子中沒有兩個電子具有完全相同的四個量子數。或者說一個原子軌道上最多隻能排兩個電子，而且這兩個電子自旋方向必須相反。因此一個s軌道最多隻能有2個電子，p軌道最多可以容納6個電子。按照這個原理，表1－1歸納了各個原子軌道上可容納最多的電子數，從表中可得出第n電子層能容納的電子總數為2n2個。