電子層,或稱電子殼,是原子物理學(xué)中,一組擁有相同主量子數(shù)n的原子軌道.
電子在原子中處于不同的能級(jí)狀態(tài),粗略說(shuō)是分層分布的,故電子層又叫能層.電子層可用n（n=1、2、3…）表示,n=1表明第一層電子層（K層）,n=2表明第二電子層（L層）,依次n=3、4、5時(shí)表明第三（M層）、第四（N層）、第五（O層）.一般隨著n值的增加,即按K、L、M、N、O…的順序,電子的能量逐漸升高、電子離原子核的平均距離也越來(lái)越大.電子層可容納最多電子的數(shù)量為2n^2.
電子層不能理解為電子在核外一薄層空間內(nèi)運(yùn)動(dòng),而是按電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域,離核遠(yuǎn)近來(lái)劃分的.
亨利·莫斯萊和巴克拉首次于X-射線吸收研究的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電子層.巴克拉把它們稱為K、L和、M(以英文子母排列)等電子層（最初 K 和 L 電子層名為 B 和 A,改為 K 和 L 的原因是預(yù)留空位給未發(fā)現(xiàn)的電子層）.這些字母后來(lái)被n值1、2、3等取代.
電子層（electronic shell）的名字起源于波爾模式中,電子被認(rèn)為一組一組地圍繞著核心以特定的距離旋轉(zhuǎn),所以軌跡就形成了一個(gè)殼.
電子在原子核外排布時(shí),要盡可能使電子的能量最低.一般來(lái)說(shuō),離核較近的電子具有較低的能量,隨著電子層數(shù)的增加,電子的能量越來(lái)越大；同一層中,各亞層的能量是按s、p、d、f的次序增高的.這兩種作用的總結(jié)果可以得出電子在原子核外排布時(shí)遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、 3d、4p……
當(dāng)原子處在基態(tài)時(shí),原子核外電子的排布遵循三個(gè)原則：
(1)泡利不相容原理
(2)能量最低原理
(3)洪特規(guī)則
泡利不相容原理
我們已經(jīng)知道,一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要從4個(gè)方面來(lái)進(jìn)行描述,即它所處的電子層、電子亞層、電子云的伸展方向以及電子的自旋方向.在同一個(gè)原子中沒(méi)有也不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子存在,這就是保里不相容原理所告訴大家的.根據(jù)這個(gè)規(guī)則,如果兩個(gè)電子處于同一軌道,那么,這兩個(gè)電子的自旋方向必定相反.也就是說(shuō),每一個(gè)軌道中只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子.
根據(jù)保里不相容原理,我們得知：s亞層只有1個(gè)軌道,可以容納兩個(gè)自旋相反的電子；p亞層有3個(gè)軌道,總共可以容納6個(gè)電子；d亞層有5個(gè)軌道,總共可以容納10個(gè)電子.我們還得知：第一電子層（K層）中只有1s亞層,最多容納兩個(gè)電子；
注意： 第二電子層（L層）中包括2s和2p兩個(gè)亞層,總共可以容納8個(gè)電子(所以8個(gè)電子時(shí)為穩(wěn)定狀態(tài))；
第3電子層（M層）中包括3s、3p、3d三個(gè)亞層,總共可以容納18個(gè)電子……第n層總共可以容納2n^2個(gè)電子.
能量最低原理
在滿足泡利原理前提下,電子將按照使體系總能量最低的原則填充.量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)有d電子填充時(shí)（例如第四周期Ni,3d軌道能E3d=-18.7eV,而E4s=-7.53eV）,E3d＜E4s；當(dāng)沒(méi)有d電子填充時(shí)（例如第四周期K,有E3d=-0.64eV,而E4s=-4.00eV）E3d＞E4s,發(fā)生了能級(jí)“倒置”現(xiàn)象,其他第五、六、七周期也有類似情況.所以不能簡(jiǎn)單地說(shuō)電子是按軌道能由低到高的次序填入,但總可以說(shuō)是按n＋0.7l 值由小到大的次序填充.其中n是主量子數(shù),l是角量子數(shù).
洪特規(guī)則
從光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出來(lái)的洪特規(guī)則有兩方面的含義：一是電子在原子核外排布時(shí),將盡可能分占不同的軌道,且自旋平行；洪特規(guī)則的第二個(gè)含義是對(duì)于同一個(gè)電子亞層,當(dāng)電子排布處于
全滿（s2、p6、d10、f14）
半滿（s1、p3、d5、f7）
全空（s0、p0、d0、f0）時(shí)比較穩(wěn)定.
如果仔細(xì)觀察元素周期表,可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)元素下面都有電子亞層的電子排布數(shù)量,之所以會(huì)有"奇怪的現(xiàn)象",是因?yàn)?d層能量比4s層高,稱為"能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象"
電子亞層
通過(guò)對(duì)許多元素的電離能的進(jìn)一步分析,人們發(fā)現(xiàn),在同一電子層中,電子的能量還稍有差異,電子云的形狀也不相同.因此電子層仍可進(jìn)一步分成一個(gè)或n個(gè)電子亞層.這一點(diǎn)在研究元素的原子光譜中得到了證實(shí).
電子亞層分別用s、p、d、f等符號(hào)表示.不同亞層的電子云形狀不同.s亞層的電子云是以原子核為中心的球形,p亞層的電子云是紡錘形,d亞層為花瓣形,f亞層的電子云形狀比較復(fù)雜.
同一電子層不同亞層的能量按s、p、d、f序能量逐漸升高.
K層只包含一個(gè)s亞層；L層包含s和p兩個(gè)亞層；M層包含s、p、d三個(gè)亞層；N層包含s、p、d、f四個(gè)亞層.
磁量子數(shù)m
磁量子數(shù)m決定原子軌道（或電子云）在空間的伸展方向.當(dāng)l給定時(shí),m的取值為從-l到+l之間的一切整數(shù)（包括0在內(nèi)）,即0,±1,±2,±3,…± l,共有2l+1個(gè)取值.即原子軌道（或電子云）在空間有2l+1個(gè)伸展方向.原子軌道（或電子云）在空間的每一個(gè)伸展方向稱做一個(gè)軌道.例如,l=0 時(shí),s電子云呈球形對(duì)稱分布,沒(méi)有方向性.m只能有一個(gè)值,即m=0,說(shuō)明s亞層只有一個(gè)軌道為s軌道.當(dāng)l=1時(shí),m可有-1,0,+1三個(gè)取值,說(shuō)明 p電子云在空間有三種取向,即p亞層中有三個(gè)以x,y,z軸為對(duì)稱軸的px,py,pz軌道.當(dāng)l=2時(shí),m可有五個(gè)取值,即d電子云在空間有五種取向, d亞層中有五個(gè)不同伸展方向的d軌道.
原子中的電子除繞核作高速運(yùn)動(dòng)外,還繞自己的軸作自旋運(yùn)動(dòng).電子的自旋運(yùn)動(dòng)用自旋量子數(shù)ms表示.ms 的取值有兩個(gè),+1/2和-1/2.說(shuō)明電子的自旋只有兩個(gè)方向,即順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较?通常用“↑”和“↓”表示.
綜上所述,原子中每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用n,l,m,ms四個(gè)量子數(shù)來(lái)描述.主量子數(shù)n決定電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域離核的遠(yuǎn)近（或電子層）,并且是決定電子能量的主要因素；副量子數(shù)l決定原子軌道（或電子云）的形狀,同時(shí)也影響電子的能量；磁量子數(shù)m決定原子軌道（或電子云）在空間的伸展方向；自旋量子數(shù)ms決定電子自旋的方向.因此四個(gè)量子數(shù)確定之后,電子在核外空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也就確定了.
量子數(shù),電子層,電子亞層之間的關(guān)系
每個(gè)電子層最多容納的電子數(shù) 2 8 18 2n^2
主量子數(shù)n 1 2 3 4
電子層 K L M N
角量子數(shù)l 0 1 2 3
電子亞層 s p d f
每個(gè)亞層中軌道數(shù)目 1 3 5 7
每個(gè)亞層最多容納電子數(shù) 2 6 10 14