2.4: 电子轨道模型

轨道是除原子核外电子最可能存在的区域。它们的特征是不同的能级、形状和三维方向。

电子在原子中的位置与能级和轨道形状相对应

电子的位置通常由一个壳层或主能级来描述，然后由每个壳层中的一个子壳层来描述，最后由在子壳层中发现的单个轨道来描述。第一个壳层离原子核最近，只有一个子壳层有一个单球轨道，称为1s轨道，可以容纳两个电子。下一个壳层共有八个电子：两个在球形2s轨道，两个在三个哑铃形2p轨道中。在更高的能级中，最外层的轨道（在d和f子壳中发现的轨道）呈现出更复杂的形状。五个d轨道内共有10个电子，七个f轨道内共有14个电子。

轨道图可以用来显示原子中每个电子的位置和相对能级。在每个壳层中，电子的能量水平都在上升。s子壳的能量最低。p子壳层中的电子具有更高的能量，其次是d子壳层和f子壳层（如果它们存在）。

玻尔模型引入了轨道的概念

我们已经看到不同轨道上的电子有不同的能级。我们怎么知道电子中有能量，更不用说电子有不同的能量？在1913年，尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）能够通过实验确定当电子改变氢原子和其它离子与单个电子的轨道时，获得和损失了多少能量。结合他的实验结果和欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）工作中对带正电荷的原子核的先验知识，玻尔开发了第一个电子轨道模型。

当电子获得能量时，它们进入激发态并跳到更高的轨道。能量可以以热或光的形式添加到电子中，当电子迅速失去能量时，它们会从更高的轨道返回并发射一种称为光子的光粒子。发射光子的颜色对应于特定的能量量，因此可以用分光镜对其进行量化。

玻尔能够通过加热氢来确定主要能级中所含的能量—也被称为壳。额外的热能迫使电子从第一能级跃升到更高的能级。玻尔随后测量了原子再次冷却时发出的光的波长。

原子的量子力学模型

玻尔的电子轨道模型假定电子以固定的圆形路径绕原子核运行。虽然他的实验对于氢和类氢离子的单电子是准确的，但他无法预测其它元素的电子构型。必须有其它因素影响亚原子粒子的物理学。

1926年， 埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger） 扩展了玻尔的能级模型，并发展了至今仍被接受的原子轨道模型。薛定谔考虑了20世纪20年代早期科学家在电子物理行为方面的一些其它发现，他的量子力学模型准确地预测了具有多个电子的元素的电子构型。 薛定谔模型的一个基本变化是假设电子以波的形式运动，受原子核正电荷的影响。正因为如此，我们今天所说的轨道是最有可能找到电子的云状区域，而不是玻尔提出的固定圆形路径。另一个重要区别是将玻尔的能级划分为更小的类，即子壳和轨道。

电子的确切位置 不能在原子核周围指定。 而是在不同的能量水平 存在着称为轨道的独特空间体积 他们被定位的概率最高的地方。 在最低能量水平1 两个电子预期在一个球形S轨道内 围绕原子核对称旋转但方向相反。

在第二个能量级及以后 电子可以延伸到p轨道， 由三个相等的泪珠形状组成 在X、Y和Z维度中定向 彼此成90度角。 之后，在第三能级 另外还有五个d轨道 它可以容纳10个蝴蝶形状的电子。 因为电子寻求尽可能低的能级， 每个元素都显示一个特定的 电子配置模式 以能量级的增加顺序。

例如，钠含有11个电子 按照以下顺序填充轨道。 轨道1s中的两个电子。 两个在2s。 六在2p。 最后一个电子在3s轨道上。