能层、能级与构造原理

实验目的

掌握能层、能级的关系，会按构造原理写出基态原子的电子排布。

实验原理

第 n 能层含有 n 个能级，各能层最多容纳 2n² 个电子。s、p、d、f 能级最多容纳的电子数依次为2、6、10、14。构造原理的填充顺序为：1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p……。电子优先占据能量低的能级。

实验器材

• 能层 K、L、M、N
• s、p、d、f 能级
• 能级能量示意图
• 电子填充模块

实验步骤

1. 观察能层与能级的对应关系，数出各能层的能级数
2. 按构造原理的顺序依次填入电子
3. 观察 4s 与 3d 的能量高低，认识能级交错
4. 查看每个轨道中电子的自旋方向
5. 核对泡利原理和洪特规则，检查填充是否正确

实验现象与结论

同一能层内，能量 ns < np < nd < nf。由于能级交错，4s 的能量低于 3d，所以电子先填 4s 再填 3d。每个轨道最多容纳2个自旋相反的电子，简并轨道中电子优先分占不同轨道且自旋平行。

常见问题

为什么 4s 先于 3d 填充？

因为对于该原子，4s 能级的能量低于 3d 能级，电子按能量最低原理先占据 4s。

每个能层最多容纳多少电子？

第 n 能层最多容纳 2n² 个电子，例如 K 层2个，L 层8个，M 层18个。