原子轨道（K、L、M、N 等）命名由来

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#原子轨道

于 2025-07-12 08:44:45 首次发布

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注：本文为 “原子轨道” 相关合辑。

英文引文，机翻未校。
中文引文，略作重排。
如有内容异常，请看原文。

Why atomic orbits are named as k, l, m and n and so on?

为什么原子轨道被命名为 k、l、m、n 等等？

Nandakishore Ravi
Jul 3, 2023

In your chemistry class when you are learning the atomic model, if you are attentive enough you might have noticed that the various orbits where electrons revolve around the central nucleus are labelled as k, l, m and so on. Why can’t they be named a, b, c and so on?
在化学课上学习原子模型时，如果你足够用心，可能会注意到电子绕中心原子核旋转的各种轨道被标记为 k、l、m 等等。为什么不能用 a、b、c 等等来命名呢？

So, the story goes like this…
事情是这样的……

Once there lived a spectroscopist named Charles Barkla, who studied characteristic x-rays emitted when an atom is bombarded with high energy electrons.
曾经有一位名叫查尔斯·巴克拉（Charles Barkla）的光谱学家，他研究原子被高能电子轰击时发出的特征X射线。

Wait a second… At this point you might have got another question in your mind.
等一下……看到这里，你脑子里可能会冒出另一个问题。

“Why was X ray named as it is and not Y or Z rays?”
“为什么 X 射线被命名为 X 射线，而不是Y射线或Z射线呢？”

Photo by CDC on Unsplash

Well, the term X ray was initially called X radiation, coined by German Physicist Wilhelm Roentgen. ‘X’ in the name actually denotes an unknown type, as one shall use x as a variable for defining an unknown quantity.
其实，X 射线一词最初被称为 X 辐射，由德国物理学家威廉·伦琴（Wilhelm Roentgen）创造。名称中的 “X” 实际上表示一种未知类型，就像人们用 $x$ 作为变量来定义未知量一样。

Now coming back to Charles Barkla’s discovery….
现在回到查尔斯·巴克拉的发现……

While studying X-rays emitted from excited atoms, he saw mostly two types of rays. One with high energy, he called as “A” and the other with lower energy, he called “B”. He later thought his “A” might not be the highest energy ray and in order to provide room for future discoveries, he later renamed it as “K” and the other as “L”.
在研究受激原子发出的 X 射线时，他主要观察到两种射线。一种能量较高，他称之为 “A”；另一种能量较低，他称之为 “B”。后来，他认为自己发现的 “A” 可能不是能量最高的射线，而且为了给未来的发现留出空间，他后来将其重新命名为 “K”，另一种则命名为“L”。

It was later found that the high energy K-rays were emitted when electrons were released free from the innermost orbit upon interaction with bombarded electrons were later recaptured.
后来发现，当电子与轰击电子相互作用而从最内层轨道释放出来，之后又被重新捕获时，就会发出高能的K射线。

This scientific convention has also led Bohr to name his atomic orbits as k, l, m and n respectively.
这一科学惯例也促使玻尔（Bohr）将他提出的原子轨道分别命名为 k、l、m 和 n。

Photo by Norbert Kowalczyk on Unsplash

Hope this might help you in naming your discoveries too in future.
希望这也能帮助你在未来为自己的发现命名。

Written by Nandakishore Ravi
作者：南达基肖尔·拉维（Nandakishore Ravi）

✨️ PhD student (ECE), Development of Sustainable energy technology 🔋🫧🔬

Electron Shells: Understanding the Atom’s Architecture

电子能阶：了解原子的结构

By Sania Anwar
January 16, 2025

The atom, the fundamental building block of all matter, is a complex and fascinating entity. While it’s often depicted as a simple sphere, its internal structure is far more intricate. At the heart of the atom lies the nucleus, composed of protons and neutrons. Surrounding this nucleus is a cloud of negatively charged particles known as electrons. These electrons don’t orbit the nucleus like planets around a star, but rather exist in regions of space called electron [shells](https://in.pinterest.com/search/pins/?q=Fern future home vibes).
原子是所有物质的基本构成单位，是一个复杂而迷人的实体。虽然它常被描绘成一个简单的球体，但其内部结构要复杂得多。原子的核心是原子核，由质子和中子组成。围绕原子核的是一团带负电的粒子，称为电子。这些电子并非像行星绕恒星一样绕原子核运行，而是存在于被称为电子能层的空间区域中。

Understanding Electron Shells

了解电子能层

Imagine an onion. It has layers, right? Similarly, electron shells are like concentric layers surrounding the nucleus. Each shell represents a specific energy level for the electrons.
想象一下洋葱，它有多层结构，对吧？同样，电子能层就像围绕原子核的同心层。每个能层代表电子的一个特定能量级。

Shell 1 (K-shell): This is the innermost shell and can hold a maximum of 2 electrons.
1 能层（K 能层）： 这是最内层的能层，最多可容纳 2 个电子。

Shell 2 (L-shell): The second shell can accommodate up to 8 electrons.
2 能层（L 能层）： 第二层能层最多可容纳 8 个电子。

Shell 3 (M-shell): This shell can hold a maximum of 18 electrons.
3 能层（M 能层）： 这个能层最多可容纳 18 个电子。

Shell 4 (N-shell): The fourth shell can accommodate up to 32 electrons.
4 能层（N 能层）： 第四层能层最多可容纳 32 个电子。

And so on. The number of electrons that can reside in each shell is determined by a complex set of rules governed by quantum mechanics.
以此类推。每个能层可容纳的电子数量由量子力学所支配的一系列复杂规则决定。

Electron Configuration and the Periodic Table

电子排布与元素周期表

The arrangement of electrons within these shells is crucial for understanding the properties of elements. This arrangement is known as electron configuration.
这些能层中电子的排布对于理解元素的性质至关重要。这种排布被称为电子构型。

The Aufbau Principle: This principle states that electrons fill the lowest energy levels first. So, the first two electrons go into the K-shell, the next eight into the L-shell, and so on.
泡利不相容原理： 这一原理指出，电子优先填充能量最低的能级。因此，前两个电子进入 K 能层，接下来的八个电子进入 L 能层，依此类推。

Hund’s Rule: When electrons occupy orbitals within a subshell, they tend to fill each orbital singly with parallel spins before pairing up.
洪德规则： 当电子占据亚能层内的轨道时，它们倾向于先以平行自旋单独填充每个轨道，然后再配对。

Pauli Exclusion Principle: No two electrons in an atom can have the same set of four quantum numbers.
泡利不相容原理： 一个原子中没有两个电子可以具有相同的一组四个量子数。

The periodic table, a cornerstone of chemistry, reflects the electron configurations of elements. Elements in the same group (vertical column) have similar electron configurations in their outermost shell, which explains their shared chemical properties.
元素周期表是化学的基石，它反映了元素的电子构型。同一族（垂直列）中的元素在最外层能层具有相似的电子构型，这解释了它们具有相似的化学性质。

The Importance of Electron Shells

电子能层的重要性

Chemical Bonding: The arrangement of electrons in the outermost shell, also known as the valence shell, determines how an atom interacts with other atoms. Atoms tend to gain, lose, or share electrons to achieve a stable configuration, usually with a full outer shell. This drives the formation of chemical bonds, leading to the creation of molecules and compounds.
化学键合： 最外层能层（也称为价能层）中电子的排布决定了一个原子与其他原子的相互作用方式。原子倾向于获得、失去或共享电子以达到稳定构型，通常是使最外层能层充满电子。这推动了化学键的形成，进而形成分子和化合物。

Atomic Size: The number of electron shells in an atom significantly influences its size. As you move down a group in the periodic table, the number of shells increases, leading to larger atomic radii.
原子大小： 原子中电子能层的数量对其大小有显著影响。在元素周期表中，当你沿着一族向下移动时，能层数量增加，导致原子半径增大。

Ionization Energy: The energy required to remove an electron from an atom is called ionization energy. Electrons in outer shells have lower ionization energies than those closer to the nucleus.
电离能： 从原子中移除一个电子所需的能量称为电离能。外层能层中的电子比靠近原子核的电子具有更低的电离能。

Electronegativity: This property measures an atom’s tendency to attract electrons towards itself in a chemical bond. Electronegativity generally increases across a period and decreases down a group, which is related to the effective nuclear charge experienced by the valence electrons.
电负性： 这一性质衡量原子在化学键中吸引电子向自身的倾向。电负性通常在同一周期中从左到右递增，在同一族中从上到下递减，这与价电子所感受到的有效核电荷有关。

FAQs

常见问题

What is an electron shell?

什么是电子能层？

An electron shell is a grouping of electrons surrounding an atom’s nucleus, characterized by a principal quantum number (n). Each shell represents an energy level where electrons reside.
电子能层是围绕原子核的一组电子，由主量子数（n）表征。每个能层代表电子所处的一个能量级。

How are electron shells labeled?

电子能层如何标记？

Electron shells are labeled numerically (1, 2, 3, etc.) or alphabetically using letters K, L, M, N, and so on, corresponding to n = 1, 2, 3, 4, respectively.
电子能层可以用数字（1、2、3 等）标记，也可以用字母 K、L、M、N 等按字母顺序标记，分别对应 n = 1、2、3、4。

How many electrons can each shell hold?

每个能层可以容纳多少个电子？

The maximum number of electrons in a shell is determined by the formula 2n², where n is the principal quantum number:
一个能层中最多可容纳的电子数由公式 2n² 确定，其中 n 是主量子数：

K shell (n=1): 2 electrons
K 能层（n=1）： 2 个电子

L shell (n=2): 8 electrons
L 能层（n=2）： 8 个电子

M shell (n=3): 18 electrons
M 能层（n=3）： 18 个电子

N shell (n=4): 32 electrons
N 能层（n=4）： 32 个电子

What are subshells and orbitals?

什么是亚能层和轨道？

Each electron shell comprises subshells (s, p, d, f), which are further divided into atomic orbitals. Subshells are defined by the azimuthal quantum number (ℓ), and each type can hold a specific maximum number of electrons:
每个电子能层包含亚能层（s、p、d、f），亚能层又进一步分为原子轨道。亚能层由角量子数（ℓ）定义，每种类型的亚能层可容纳特定数量的最大电子数：

s subshell (ℓ=0): 2 electrons
s 亚能层（ℓ=0）： 2 个电子

p subshell (ℓ=1): 6 electrons
p 亚能层（ℓ=1）： 6 个电子

d subshell (ℓ=2): 10 electrons
d 亚能层（ℓ=2）： 10 个电子

f subshell (ℓ=3): 14 electrons
f 亚能层（ℓ=3）： 14 个电子

How do electrons fill these shells and subshells?

电子如何填充这些能层和亚能层？

Electrons occupy the lowest available energy levels first, following the Aufbau principle. The sequence is guided by the n + ℓ rule, where subshells with lower n + ℓ values are filled before those with higher values. In cases of equal n + ℓ values, the subshell with a lower n value is filled first.
遵循泡利原理，电子首先占据能量最低的可用能级。填充顺序由 n + ℓ 规则指导，即 n + ℓ 值较小的亚能层先于 n + ℓ 值较大的亚能层被填充。当 n + ℓ 值相等时，n 值较小的亚能层先被填充。

What is the significance of valence electrons?

价电子的重要性是什么？

Valence electrons are the electrons in the outermost shell of an atom. They play a crucial role in chemical bonding and reactions, as atoms tend to gain, lose, or share valence electrons to achieve a stable electron configuration.
价电子是原子最外层能层中的电子。它们在化学键合和化学反应中起着至关重要的作用，因为原子倾向于获得、失去或共享价电子以达到稳定的电子构型。

Why are electron shells named K, L, M, N instead of A, B, C?

为什么电子能层命名为 K、L、M、N 而不是 A、B、C？

The naming convention (K, L, M, N) originates from early X-ray spectroscopy studies. The initial labels started with K to avoid confusion with other spectral lines labeled A, B, C in different contexts.
这种命名惯例（K、L、M、N）源于早期的 X 射线光谱学研究。最初从 K 开始标记是为了避免与不同情况下标记为 A、B、C 的其他谱线混淆。

How do electron shells relate to the periodic table?

电子能层与元素周期表有什么关系？

Each row (period) in the periodic table corresponds to the filling of a new electron shell. Elements in the same column (group) have similar valence electron configurations, leading to comparable chemical properties.
元素周期表中的每一行（周期）对应于一个新电子能层的填充。同一列（族）中的元素具有相似的价电子构型，因此具有相似的化学性质。

Can electron shells overlap in energy?

电子能层在能量上会重叠吗？

Yes, especially in larger atoms. For instance, the 4s subshell has a lower energy than the 3d subshell, so it fills first. This overlap is due to the specific solutions to the Schrödinger equation for multi-electron atoms.
是的，特别是在较大的原子中。例如，4s 亚能层的能量低于 3d 亚能层，因此它先被填充。这种重叠是由于多电子原子的薛定谔方程的特定解所致。

How do electron shells influence chemical bonding?

电子能层如何影响化学键合？

The arrangement of electrons in shells determines how atoms interact. Atoms with incomplete valence shells tend to form bonds to achieve stability, leading to the formation of molecules and compounds.
能层中电子的排布决定了原子之间的相互作用方式。价能层未填满的原子倾向于形成键以达到稳定状态，从而形成分子和化合物。

To conclude

总结

Understanding electron shells is fundamental to grasping atomic structure and chemical behavior. Electron shells, defined by principal quantum numbers, organize electrons into energy levels around an atom’s nucleus. Each shell can hold a specific maximum number of electrons, determined by the formula 2n². These shells are further divided into subshells and orbitals, each with distinct shapes and capacities.
理解电子能层是掌握原子结构和化学行为的基础。由主量子数定义的电子能层将电子组织在原子核周围的不同能量级上。每个能层可容纳的最大电子数由公式 2n² 确定。这些能层进一步分为亚能层和轨道，每个都有独特的形状和容量。

The arrangement of electrons within these shells and subshells dictates how atoms interact, bond, and react with one another. Valence electrons, located in the outermost shell, are particularly significant as they determine an element’s chemical properties and its tendency to engage in chemical reactions.
这些能层和亚能层中电子的排布决定了原子如何相互作用、成键和反应。位于最外层能层的价电子尤为重要，因为它们决定了元素的化学性质及其参与化学反应的倾向。

The periodic table is structured in a way that reflects the filling of electron shells. Each period corresponds to the addition of a new electron shell, and elements within the same group share similar valence electron configurations, leading to comparable chemical behaviors.
元素周期表的结构反映了电子能层的填充情况。每个周期对应于一个新电子能层的增加，同一族中的元素具有相似的价电子构型，因此具有相似的化学行为。

It’s also noteworthy that electron shells are labeled using letters (K, L, M, N) rather than starting with A. This convention stems from early spectroscopic studies and has been retained to avoid confusion with other labeling systems.
值得注意的是，电子能层使用字母（K、L、M、N）标记，而不是从 A 开始。这一惯例源于早期的光谱学研究，并被保留下来以避免与其他标记系统混淆。

In summary, electron shells provide a framework for understanding the distribution of electrons in an atom, which in turn explains the atom’s chemical properties and its interactions with other atoms. A solid grasp of this concept is essential for delving deeper into the fields of chemistry and atomic physics.
总之，电子能层为理解原子中电子的分布提供了一个框架，进而解释了原子的化学性质及其与其他原子的相互作用。牢固掌握这一概念对于深入研究化学和原子物理学领域至关重要。

What are Shells?

什么是能层？

According to Bohr’s Atomic model electrons revolve around the nucleus in a specific circular path known as orbit or called a shell. Shells have stationary energy levels, the energy of each shell is constant.
根据玻尔原子模型，电子在特定的圆形路径上绕原子核旋转，这种路径被称为轨道或能层。能层具有固定的能级，每个能层的能量是恒定的。

Each stationary orbit or shell is associated with a definite amount of energy. The greater the distance of the orbit from the nucleus, the more shall be the energy associated with it. These shells are called energy levels. It is numbered as 1, 2, 3, 4, ……. or K, L, M, N, …… from the nucleus outwards.
每个固定的轨道或能层都与一定的能量相关联。轨道离原子核越远，与之相关的能量就越大。这些能层被称为能级。从原子核向外，它们被编号为 1、2、3、4……或 K、L、M、N……

An electron shell may contain only a fixed number of electrons, each shell is associated with a particular range of electron energy, and thus each shell must fill completely before electrons can be added to an outer shell.
一个电子能层只能包含固定数量的电子，每个能层都与特定范围的电子能量相关联，因此必须先填满一个能层，才能将电子添加到外层能层。

Characteristic of Shells

能层的特征

The principal quantum number is denoted by ‘n’. It represents the name, size and energy of the shell to which the electron belongs. The value of n lies between 1 to ∞.
主量子数 用“n”表示。它代表电子所属能层的名称、大小和能量。n 的值在 1 到 ∞ 之间。

The value of ‘n’	Designation of shell
1	K
2	L
3	M
4	N
5	O
6	P
7	Q

Higher the value of ‘n’ the greater the distance of the shell from the nucleus.
“n”的值越大，能层离原子核的距离越远。

r1 < r2 < r3 < r4 <…….

$r = (n^{2} / Z) x 0.529 \overset{˚}{A}$
Greater the value of ‘n’ higher the magnitude of energy.
“n”的值越大，能量的量级越高。

E1 < E2 < E3 < E4 < E5 ……
Energy separation between two shells decreases on moving away from the nucleus.
随着离原子核距离的增加，两个能层之间的能量差减小。

(E2 – E1) > (E3 – E2) > (E4 – E3) > ………
The maximum number of electrons present in the shell on the 2n² rule.
能层中最多能容纳的电子数遵循 2n² 规则。

Name of Shell	The value of ‘n’	Maximum electrons present (2n²)
K	1	2
L	2	8
M	3	18
N	4	32

The angular momentum of each shell can be calculated by the formula.
每个能层的角动量可以通过以下公式计算：

mvr = (nh/2π)

Definition of Subshell

亚能层的定义

All the electrons having the same shall do not have the same energy. Based on the energy of the electrons, the shells are divided into sublevels or subshells. Each shell is composed of one or more subshells, which are themselves composed of atomic orbitals.
同一能层中的所有电子能量并不相同。根据电子的能量，能层被分为不同的能级或亚能层。每个能层由一个或多个亚能层组成，而亚能层本身又由原子轨道组成。

The subshells are described with the help of Azimuthal quantum numbers (l).
亚能层借助角量子数（l）来描述。
The value of ‘l’ depends upon the value of the shell (n) with which it is associated.
“l” 的值取决于与其相关联的能层（n）的值。
These subshells have been designated as s (l = 0), p (l =1), d (l = 2) and f (l =3) .
这些亚能层被命名为s（l = 0）、p（l = 1）、d（l = 2）和f（l = 3）。
The energies of the various subshells in the same shell are in the order s < p < d <f.
同一能层中不同亚能层的能量顺序为 s < p < d < f。
The subshell having equal ‘l’ value but with different n values have similar shape but their size increases as the value of n increases. 2s- subshell is greater in size than 1s- subshell.
l 值相同但 n 值不同的亚能层具有相似的形状，但随着 n 值的增大，其尺寸也会增大。2s 亚能层的尺寸大于 1s 亚能层。
The maximum electrons present in a subshell = $2 (2 l + 1)$ .
一个亚能层中最多能容纳的电子数 = $2 (2 l + 1)$ 。

Subshell	Maximum electrons	The historical name of subshell
s	2	sharp
p	6	principal
d	10	diffuse
f	14	fundamental

Number of electrons present in the shell

能层中电子的数量

Each shell contains one or more subshells.
每个能层包含一个或多个亚能层。
K shell contains only one subshell – 1s
K 能层只包含一个亚能层——1s
L shell contains two subshells – 2s, 2p
L 能层包含两个亚能层——2s、2p
M shell contains three subshells – 3s, 3p, 3d
M 能层包含三个亚能层——3s、3p、3d
N shell contains four subshells – 4s, 4p, 4d, 4f
N 能层包含四个亚能层——4s、4p、4d、4f

The electrons are arranged in the shell in the following manner:
电子在能层中的排布方式如下：

Name of the shell	Name of the subshell	Maximum no. of electrons present in the shell	Distribute the electron in the subshell
K	1s	2	1s²
L	2s, 2p	8	2s² 2p⁶
M	3s, 3p, 3d	18	3s², 3p⁶, 3d¹⁰
N	4s, 4p, 4d, 4f	32	4s², 4p⁶, 4d¹⁰, 4f¹⁴

The order of energy of the subshell

亚能层的能量顺序

The filling of the shells and subshells with electrons proceeds from subshells of lower energy to subshells of higher energy. This follows the Aufbau principle.
电子在能层和亚能层中的填充是从能量较低的亚能层到能量较高的亚能层进行的。这遵循泡利原理。

According to this subshells with a lower n + ℓ value are filled before those with higher n + ℓ values. In the case of equal n + ℓ values, the subshell with a lower n value is filled first.
根据这一原理，n + ℓ 值较低的亚能层比 n + ℓ 值较高的亚能层先被填充。当 n + ℓ 值相等时，n 值较低的亚能层先被填充。

A subshell that has a lower n + ℓ means lower energy. Among 4s and 3d;
n + ℓ 值较低的亚能层意味着能量较低。在 4s 和 3d 中：

$4 s; (n + l) = (4 + 0) = 4$

$3 d; (n + l) = (3 + 2) = 5$

4s < 3d (energy)

The energy order of the subshells is given below
亚能层的能量顺序如下

Arrangement of electrons in the shell and subshell

电子在能层和亚能层中的排布

The first 20 element electrons are arranged in shell and subshell according to their energy level in the below table.
下表是前 20 种元素的电子根据其能级在能层和亚能层中的排布情况。

Atomic Number	Element Name	K	L	M
1	Hydrogen (H)	1s¹
2	Helium (He)	1s²
3	Lithium (Li)	1s²	2s¹
4	Beryllium (Be)	1s²	2s²
5	Boron (B)	1s²	2s²	2p¹
6	Carbon ©	1s²	2s²	2p²
7	Nitrogen (N)	1s²	2s²	2p³
8	Oxygen (O)	1s²	2s²	2p⁴
9	Fluorine (F)	1s²	2s²	2p⁵
10	Neon (Ne)	1s²	2s²	2p⁶
11	Sodium (Na)	1s²	2s²	2p⁶	3s¹
12	Magnesium (Mg)	1s²	2s²	2p⁶	3s²
13	Aluminium (Al)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p¹
14	Silicon (Si)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p²
15	Phosphorous §	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p³
16	Sulfur (S)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p⁴
17	Chlorine (Cl)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p⁵
18	Argon (Ar)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p⁶
19	Potassium (K)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p⁶	4s¹
20	Calcium (Ca)	1s²	2s²	2p⁶	3s²	3p⁶	4s²

In order to know more about the electronic configuration of an element, you may visit our website.
想要了解更多关于元素电子构型的信息，你可以访问我们的网站。

Electronic configuration.
电子构型。

Frequently Asked Questions on shells

关于能层的常见问题

What are energy shells in chemistry?

化学中的能层是什么？

The energy shell is associated with a definite amount of energy. The greater the distance of the orbit from the nucleus, the more shall be the energy associated with it. These shells are called energy level
能层与一定的能量相关联。轨道离原子核越远，与之相关的能量就越多。这些能层被称为能级

What are KLM and N shells in chemistry?

化学中的 K、L、M 和 N 能层是什么？

The K shell is the first shell or first energy level, L is the second shell and 2nd energy level, and M is the third shell and 3rd energy level. N is the fourth shell and 4th energy level.
K 能层是第一个能层或第一能级，L 是第二个能层或第二能级，M 是第三个能层或第三能级，N 是第四个能层或第四能级。

How do electrons fill the shell?

电子如何填充能层？

The filling of the electrons in the shells proceeds from the lower energy to higher energy. According to this subshells with a lower n + ℓ value are filled before those with higher n + ℓ values. In the case of equal n + ℓ values, the subshell with a lower n value is filled first.
电子在能层中的填充是从低能量到高能量进行的。根据这一规则，n + ℓ 值较低的亚能层比 n + ℓ 值较高的亚能层先被填充。当 n + ℓ 值相等时，n 值较低的亚能层先被填充。

How many electrons does chlorine have?

氯有多少个电子？

There are 17 electrons present in a chlorine atom.
一个氯原子中有 17 个电子。

What is a valence shell with an example?

什么是价能层？请举例说明。

The outermost orbital shell of an atom is called its valence shell. These electrons take part in bonding with other atoms. Example sodium (Na) , the electronic configuration of sodium is 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ . The valence shell of Na is the M (3rd) shell.
原子的最外层轨道能层称为价能层。这些电子参与与其他原子的成键。例如钠（Na），钠的电子构型是 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹。钠的价能层是 M（第三）能层。

Summary of Core Content

内容总结

Electron Shell Basics: Electron shells are concentric energy levels around the nucleus, labeled as K, L, M, N, etc., corresponding to principal quantum numbers n=1, 2, 3, 4, etc. Each shell has a maximum electron capacity determined by the formula 2n².
电子能层基础：电子能层是围绕原子核的同心能级，标记为 K、L、M、N 等，分别对应主量子数 n=1、2、3、4 等。每个能层的最大电子容量由公式 2n² 确定。
Subshells and Orbitals: Shells are divided into subshells (s, p, d, f) defined by azimuthal quantum numbers (l). Each subshell has a specific electron capacity: s (2), p (6), d (10), f (14), calculated by 2(2l + 1).
亚能层和轨道：能层分为由角量子数（l）定义的亚能层（s、p、d、f）。每个亚能层有特定的电子容量：s（2 个）、p（6 个）、d（10 个）、f（14 个），由公式 2(2l + 1) 计算得出。
Electron Filling Rules: Electrons fill subshells following the Aufbau principle (lowest energy first, guided by n + l rule), Hund’s Rule, and Pauli Exclusion Principle.
电子填充规则：电子遵循泡利原理（按能量从低到高填充，由 $n + l$ 规则指导）、洪德规则和泡利不相容原理填充亚能层。
Relation to Periodic Table: The periodic table reflects electron configurations. Periods correspond to new shell filling, and groups share similar valence electron configurations, leading to similar chemical properties.
与周期表的关系：周期表反映电子构型。周期对应新能层的填充，族内元素具有相似的价电子构型，因此化学性质相似。
Importance: Electron shell arrangements determine atomic size, ionization energy, electronegativity, and chemical bonding, with valence electrons playing a key role in chemical reactions.
重要性：电子能层排布决定原子大小、电离能、电负性和化学键合，价电子在化学反应中起关键作用。

核外电子排布规律

作者：垃圾本垃
单位：NJFU 会计学
⚠️ 发布于 2 年前

一、初中阶段的核外电子排布规律

初中阶段学习的核外电子排布规律，其核心内容围绕核外电子排布图的绘制规则展开，具体如下：

电子优先填充内层轨道，再依次填充外层轨道。这是由于不同电子层的电子能量存在差异：外层电子能量较高，内层电子能量较低。为使原子体系处于能量最低的稳定状态，电子需优先占据能量更低的轨道。
各电子层容纳电子的数量存在上限：最内层（第一层）最多容纳 2 个电子，次外层最多容纳 8 个电子，最外层最多容纳 8 个电子。若最内层电子数为 3 个，或次外层、最外层电子数为 9 个，均不符合排布规则。

示例：

前 18 号元素（短周期元素）的核外电子排布图

通过该图可总结出以下规律：元素所在的周期数等于原子的电子层数（仅限原子，不包含离子）；主族序数等于原子最外层电子数（亦称价电子数）；核电荷数、质子数、原子序数及核外电子数均相等。

（建议尝试绘制 S 离子的核外电子排布图以巩固知识。）

二、高中阶段的核外电子排布规律

随着科学理论的发展，高中阶段的核外电子排布规律更为复杂和精细。学习该部分内容需先掌握能层与能级的概念。

核外电子依据能量差异划分为不同能层，其表示符号为 K、L、M、N……能层由内向外依次排列，能层越高，电子能量越高，能量高低顺序为：

$E （ K ）＜ E （ L ）＜ E （ M ）＜ E （ N ）＜ E （ O ）＜ E （ P ）＜ E （ Q ）$

（对于高中阶段的学习要求，掌握前四个能层的符号顺序即可。）

同一能层的电子可进一步划分为不同能级，各能级的符号及所能容纳的最多电子数如下：

由图可知，任一能层的能级均从 s 能级开始，能级数与该能层序数相等；能级符号按 s、p、d、f……的顺序排列，符号前的数字表示其所属能层序数。各能级最多容纳的电子数为自然数中奇数数列 1、3、5、7……的 2 倍（即 2、6、10、14……），这是因为每个原子轨道最多可容纳 2 个电子，而 1、3、5、7……实际代表原子轨道的数量。

在多电子原子中，同一能层内各能级的能量顺序为：

$E （ n s ）＜ E （ n p ）＜ E （ n d ）＜ E （ n f ）$

综上，核外电子的排布层次为：电子分布于原子轨道，轨道构成能级，能级组成能层，能层共同构成核外电子的整体分布。

注意：需明确区分 K、L、M、N 等能层符号与 s、p、d、f 等能级符号。

以下简要介绍原子轨道：原子轨道是电子填充的基本单位，每个轨道最多容纳 2 个电子，且这两个电子的自旋方向相反。自旋是微观粒子的固有属性，与电荷、质量类似。电子最终填充于轨道而非能级，能级的作用是规定轨道的形状和能量大小。

能级对轨道形状的规定如下：s 轨道呈球形，p 轨道呈哑铃状，具体如图所示：

s 电子的电子云轮廓图

三个相互垂直的 p 电子云

需注意，对于同一原子，能层越高，s 电子云的半径越大。这是由于电子能量升高后，在离核较远区域出现的概率相应增大。

能级对轨道能量的规定需结合构造原理说明：构造原理是以光谱学事实为基础，描述从氢原子开始，随着核电荷数递增，新增电子填入能级的顺序。

由于电子优先占据能量较低的轨道，根据构造原理可判断各轨道的能量高低。例如，4s 轨道的能量低于 3d 轨道，这种电子层数较大的轨道能量反而低于电子层数较小的轨道的现象，称为能级交错现象。

（需注意，当原子失去电子形成离子时，优先失去的是最外能层的电子，而非能量最高的电子。）

需要说明的是，构造原理所呈现的能级交错现象源于光谱学实验事实，属于经验总结，并非理论推导的结果，其本质是一种用于理解电子排布的思维模型和假想过程。

接下来引入能级组的概念：能级组是由能量相近的轨道组合而成，其构成形式为 $\ np \ (n - 1)d \ (n - 2)f$ 。

能级组的具体应用将在后续章节中详细阐述。

（建议尝试书写短周期元素的电子排布式以加深理解。）

最后介绍原子实与简化电子排布式：稀有气体（如 He、Ne）的电子层结构为全充满的稳定结构。对于其他原子，可将其内层电子排布与某一稀有气体原子相同的部分称为原子实，并用该稀有气体的元素符号加方括号表示。在原子实基础上书写最外层电子排布，即可得到简化电子排布式。例如：

Na 的电子排布式为 $1s^{2} \ 2s^{2} \ 2p^{6} \ 3s^{1}$ ，因其内层电子排布与 Ne 相同，用原子实简化书写为 $Ne] \ 3s^{1}$ 。

原子实之外的电子称为价电子。价电子属于原子中能量最高的能级组，且绝大多数价电子会参与化学反应中的电子得失，并决定元素的价态，因此研究价电子对确定元素性质具有重要意义。

编辑于 2022-08-19 09：54

泡利原理、洪特规则、能量最低原理

作者：垃圾本垃
单位：NJFU 会计学
⚠️ 发布于 2 年前

泡利原理、洪特规则、能量最低原理这三大规则与前述构造原理的侧重点不同：三大规则主要解决电子在能级内的排布行为，而非电子填入哪个能级。例如，已知铁的电子排布式为 $Ar]3d^{6}4s^{2}$ ，那么 $3d^{6}$ 中的 6 个电子如何填充？是填满 3 个轨道而剩余 2 个轨道空着，还是平均占据 5 个轨道后，剩余 1 个电子与其他电子成对？要解答这一问题，需先了解能量最低原理。