基礎電子學 - 材料

物質由分子組成，分子由原子組成。根據玻爾理論，“原子由帶正電的原子核和若干圍繞原子核在不同軌道上執行的帶負電的電子組成”。當電子從較低能級躍遷到較高能級時，則稱其為激發。在激發過程中，如果電子完全脫離原子核，則稱原子被電離。所以，將原子從正常狀態提升到這種電離狀態的過程稱為電離。

下圖顯示了原子的結構。

根據玻爾模型，電子被認為是在特定軌道上運動，而根據量子力學，電子被認為存在於原子的自由空間中，稱為軌道。量子力學理論被證明是正確的。因此，電子可能存在的三維邊界被稱為原子軌道。

量子數

每個電子運動的軌道在能量和形狀上都不同。軌道的能級可以用一組離散的整數和半整數來表示，這些整數和半整數稱為量子數。有四個量子數用於定義波函式。

描述電子的第一個量子數是主量子數。其符號為n。它指定數字的大小或序數（能級）。隨著n值的增加，電子到原子核的平均距離也增加，電子的能量也增加。主能級可以理解為殼層。

這個量子數的符號為l。這個l表示軌道的形狀。它的範圍是從0到n-1。

l = 0, 1, 2 …n-1

對於第一殼層，n = 1。

即，對於n-1，l = 0是l的唯一可能值，因為n = 1。

因此，當l = 0時，它被稱為s軌道。s軌道的形狀是球形的。下圖表示s軌道的形狀。

如果n = 2，則l = 0, 1，因為這是n = 2的兩個可能值。

我們知道，對於l = 0，它是s軌道，但是如果l = 1，它是p軌道。

電子更有可能被發現的p軌道的形狀是啞鈴形。如下圖所示。

這個量子數用m_l表示，它表示軌道圍繞原子核的方向。m_l的值取決於l。

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

對於l = 0，m_l = 0，這表示s軌道。

對於l = 1，m_l = -1, 0, +1，這是三個可能的值，這表示p軌道。

因此，我們有三個p軌道，如下圖所示。

這用m_s表示，這裡的電子在其軸上自旋。電子的自旋運動可以是順時針或逆時針，如下所示。

這個自旋量子數的可能值如下：

$$m_{s}= +\frac{1}{2}\:\:向上$$

對於稱為自旋向上的運動，結果是正的二分之一。

$$m_{s}= -\frac{1}{2}\:\:向下$$

對於稱為自旋向下的運動，結果是負的二分之一。

這就是四個量子數。

根據泡利不相容原理，原子中沒有兩個電子可以具有相同的一組四個相同的量子數。這意味著，如果任意兩個電子具有相同的n、s、ml值（正如我們上面討論的那樣），那麼它們的l值肯定不同。因此，沒有兩個電子將具有相同的能量。

如果n = 1是一個殼層，那麼l = 0就是一個亞殼層。

同樣，n = 2是一個殼層，l = 0, 1是一個亞殼層。

對應於n = 1, 2, 3……的電子殼層分別用K、L、M、N表示。對應於l = 0, 1, 2, 3等的亞殼層或軌道分別用s、p、d、f等表示。

讓我們看一下碳、矽和鍺（IV-A族）的電子構型。

可以觀察到，每種情況下最外層的p亞殼層只包含兩個電子。但電子的可能數量是六個。因此，最外層殼層中各有四個價電子。因此，原子中的每個電子都具有特定的能量。任何型別的物質中分子內部的原子排列幾乎都是這樣的。但是原子之間的間距因材料而異。

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