基础电子学 - 材料

物质由分子组成，分子由原子组成。根据玻尔理论，"原子由带正电的原子核和一些带负电的电子组成，这些电子以不同的轨道围绕原子核旋转"。当电子从较低状态升至较高状态时，它被称为激发。在激发状态下，如果电子完全脱离原子核，则原子被称为电离。因此，将原子从正常状态提升到电离状态的过程称为电离。

下图显示了原子的结构。

根据玻尔模型，电子在特定的轨道中移动，而根据量子力学，电子位于原子的自由空间中的某个位置，称为轨道。量子力学的这一理论被证明是正确的。因此，可能找到电子的三维边界称为原子轨道。

量子数

电子移动的每个轨道的能量和形状都不同。轨道的能级可以用离散的积分和半积分集（称为量子数）来表示。有四个量子数用于定义波函数。

主量子数

描述电子的第一个量子数是主量子数。它的符号是n。它指定数字的大小或顺序（能级）。随着n值的增加，电子到原子核的平均距离也增加，同时，电子的能量也增加。主能级可以理解为壳层。

角动量量子数

这个量子数的符号是​​l。这个l表示轨道的形状。其范围从 0 到 n-1。

l = 0, 1, 2 …n-1

对于第一个壳层，n = 1。

即，对于 n-1，当 n = 1 时，l = 0 是 l 的唯一可能值。

因此，当 l = 0 时，它被称为 S 轨道。S 的形状为球形。下图表示 S 的形状。

如果 n = 2，则 l = 0、1，因为这是 n = 2 的两个可能值。

我们知道 l = 0 时是 S 轨道，但如果 l = 1，则是 P 轨道。

电子更可能找到的 P 轨道呈 哑铃 形状。如下图所示。

磁量子数

该量子数用 m_l 表示，表示轨道围绕原子核的方向。 m_l 的值取决于 l。

$$m_{l}= \int (-l\:\:to\:+l)$$

对于 l = 0，m_l = 0，这代表 S 轨道。

对于 l = 1，m_l = -1、0、+1，这是三个可能的值，这代表 P 轨道。

因此，我们有三个 P 轨道，如下图所示。

自旋量子数

这由 m_s 表示，这里的电子在轴上旋转。电子自旋的运动可以是顺时针的，也可以是逆时针的，如下图所示。

这个自旋量子数的可能值如下，

$$m_{s}= +\frac{1}{2}\:\:up$$

对于称为自旋向上的运动，结果为正半部分。

$$m_{s}= -\frac{1}{2}\:\:down$$

对于称为自旋向下的运动，结果为负半部分。

这是四个量子数。

泡利不相容原理

根据泡利不相容原理，原子中没有两个电子可以具有相同的四个相同量子数集。这意味着，如果任何两个电子具有相同的 n、s、ml 值（正如我们上面讨论的那样），那么它们的 l 值肯定会不同。因此，没有两个电子会具有相同的能量。

电子壳层

如果 n = 1 是壳层，则 l = 0 是子壳层。

同样，n = 2 是壳层，l = 0,1 是子壳层。

对应于 n = 1、2、3….. 的电子壳层分别用 K、L、M、N 表示。对应于 l = 0、1、2、3 等的子壳层或轨道分别用 s、p、d、f 等表示。

让我们来看看碳、硅和锗（IV 族 - A）的电子结构。

观察到，每种情况下最外层的 p 子壳层仅包含两个电子。但可能的电子数量为六个。因此，每个最外层壳层中有四个 价电子。因此，原子中的每个电子都具有特定的能量。任何类型物质分子内的原子排列几乎都是这样的。但原子之间的间距因材料而异。