电子层

电子层，或称电子壳或电子壳层，是原子物理学中，一组拥有相同主量子数n的原子轨道。电子层组成为一粒原子的电子序。这可以证明电子层可容纳最多电子的数量为 $2n^{2}$ （但当第一层电子为倒数第一层只能容纳2个；倒数第1层只能容纳8个，倒数第2层只能容纳18个），这种全满的电子层称为“闭合壳层”。

亨利·莫塞莱和查尔斯·巴克拉的X-射线吸收研究首次于实验中发现电子层。巴克拉把它们称为K、L和、M（以英文字母排列）等电子层。这些字母后来被n值1、2、3等取代。它们被用于分光镜的西格班记号法。

电子层的名字起源于波耳模型中，电子被认为一组一组地围绕着核心以特定的距离旋转，所以轨迹就形成了一个壳。

历史

主电子层

主电子层从内向外分别是：K,L,M,N,O,P以及Q，或记作1,2,3,4,5,6以及7。

亚电子层

显示电子几率密度和相位的一些类氢原子电子层的 3D 视图（未显示 g 亚电子层和更高亚电子层）。

每个主电子层由至少一个的亚层组成，且每一个都占据了一种原子轨道，而一种可能又有多个轨道。

比如，最里面的主电子层K层有一个亚层1s；L层有两个亚层，2s和2p，2p轨道中又分成Px、Py、Pz三个轨道。M层有3s,3p和3d；N层有4s,4p,4d和4f；O层有5s,5p,5d,5f亚层，理论上可以有更多亚层，但锕系元素的电子层都只占有5f亚层的一部分。

每个亚电子层最极限电子数为 $4 ℓ + 2$ 个电子，ℓ为角量子数，即：

亚电子层符号	ℓ	极限电子数	所位在的主电子层	命名来源
s	0	2	第一层（K）及以上	sharp（锐线系）
p	1	6	第二层（L）及以上	principal（主线系）
d	2	10	第三层（M）及以上	diffuse（漫线系）
f	3	14	第四层（N）及以上	fundamental（基线系）
g	4	18	第五层（O）及以上	f 的后一个字母，（如:g,h,i......）
h	5	22	第六层（P）及以上
i	6	26	第七层（Q）及以上

每一层的电子数

主电子层和亚电子层。1个直角三角形相当于一个电子。红色代表s亚层；橙色p；黄色d；绿色f；蓝色g；青蓝色h；紫色i

每个主电子层的极限电子数为 $2 n 2$ 个电子， $n$ 为主量子数，即：

主电子层名称	主量子数	亚电子层名称	亚电子层最大电子数	极限电子数
K	1	1s	2	2
L	2	2s	2	2 + 6 = 8
L	2	2p	6	2 + 6 = 8
M	3	3s	2	2 + 6 + 10 = 18
		3p	6
		3d	10
N	4	4s	2	2 + 6 + 10 + 14 = 32
		4p	6
		4d	10
		4f	14
O	5	5s	2	2 + 6 + 10 + 14 + 18 = 50
		5p	6
		5d	10
		5f	14
		5g	18
P	6	6s	2	2 + 6 + 10 + 14 + 18 + 22 = 72
		6p	6
		6d	10
		6f	14
		6g	18
		6h	22
Q	7	7s	2	2 + 6 + 10 + 14 + 18 + 22 + 26 = 98
		7p	6
		7d	10
		7f	14
		7g	18
		7h	22
		7i	26

电子层能量和填充顺序

对于多电子原子，n is a poor indicator of electron's energy。一些电子层的能谱交错。

由相同红色箭头穿过的状态具有相同的

n+\ell

值。红色箭头的方向表示电子填充的顺序。

尽管有时会说主电子层中的所有每个电子都具有相同的能量，但这只是一个近似值。然而，一个亚电子层中的每个电子确实具有完全相同的能量水平，之后的亚电子层比早期亚电子层的电子会具有更多的能量。这种效应足够大，以至于与电子层相关的能量范围可以重叠。

用主电子层和亚电子层从较低能量的亚电子层进行到较高能量的亚电子层。这遵循“n + ℓ 规则”，通常也称为递建原理（亦称马德隆规则）。具有较低 n + ℓ 值的亚电子层会比具有较高 n + ℓ 值的亚电子层之前优先填充。在 n + ℓ 值相等的情况下，首先填充具有较低 n 值的亚电子层。

正因为如此，后来的主电子层被填满了元素周期表的大部分区域。 K电子层填充第一个周期（氢和氦），而 L电子层填充第二个周期（锂到氖）。然而，M电子层从钠（元素 11）开始填充，但直到铜（元素 29）才完成填充，而 N 电子层甚至更慢：它从钾（元素 19）开始填充，但直到镱才完成电子填充（元素 70)。 O、P 和 Q 电子层开始填充已知元素，但即使在最重的已知元素鿫（元素 118），电子也没填完电子层。

参考资料

Tipler, Paul & Ralph Llewellyn (2003). Modern Physics (4th ed.). New York: W. H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-4345-0