原子の電子配置 - ワニパン薬学勉強ノート

電子の動き

　電子は一定の速度で原子の周りを動き回っているわけではなく、常にエネルギー変化を起こしながら周回している。電子のエネルギー変化は非連続であり、とびとびの値を持つ。このように物理量が非連続変化するものを量子化されているという。

3つの量子数

　電子の状態を把握するために用いられる整数（ｎ、ｌ、ｍ）を量子数という。

ｎ（主量子数）

　主量子数とは、電子が存在する原子殻を示す値である。

　ｎ＝１はｋ殻、ｎ＝２はｌ殻、ｎ＝３はｎ殻、…と続く。そのため、ｎの値は、ｎ＝１、２、３、…となる。また、ｎの値が大きくなるほど電子エネルギーは大きくなる。

ｌ（方位量子数）

　方位量子数とは、原子軌道を示す値である。

　原子軌道とは、電子の動きを表す波動関数である。電子は原子の周りを円状に周回しているのではなく、複雑な軌道をもつ。この軌道を表すために、ｓ、ｐ、ｄ、ｆ、…といった名前が軌道に付けられている。

（豆知識）原子軌道のアルファベットは、軌道をMRIで表したときのスペクトルの形を表す単語の頭文字である。

　ｓ(sharp)：鋭い　ｐ(principal)：主要な　ｄ(diffuse)：拡散する　ｆ(fundamental)：基本的な

　ｌの値は、（０≦ｌ≦ｎ－１）となり、０、１、２、３、…と、ｎの値が大きいほどｌの範囲も増え、それぞれ、ｓ、ｐ、ｄ、ｆ、…と対応している。

ｍ（磁気量子数）

　磁気量子数とは、軌道の方向性を示す値である。

　軌道の方向性とは、例えばｌ＝１のｐ軌道はアレイ型の軌道であり、軸で考えると－側、中心、＋側と3つの方向性が存在する。これをそれぞれｍを使って表すと、－１、０、＋１と表すことができる。

　同様に、ｌ＝２のｄ軌道であれば、ｍの値は－２、－1、０、＋１、＋２と５つの方向性が存在する。

電子のスピン

　電子の状態を考えるうえで、上記の３つの量子数に加え、スピン量子数（ｓ）も考える必要がある。

　電子は原子の周りの原子軌道を周回しているが、原子を太陽、電子を惑星と考えてみる。太陽の周りを惑星が回ることを公転といい、惑星自体が地軸によって回転することを自転という。この自転が電子におけるスピン（電子スピン）である。（公転にあたるスピンは核スピンという。）

　スピンは右回りと左回りの２通りがあり、ｓ＝±１/２の量子数である。この２つのスピンはたいてい、上向きの矢印↑（上向きのスピン）と下向きの矢印↓（下向きのスピン）を用いて表す。

電子の配置

　電子の配置は以下の３つの原則において成り立っている。

構成原理

　電子はエネルギー順位の低い軌道から順に収容される。

　軌道のエネルギー順位はｎ（主量子数）が大きくなるほどエネルギーは大きくなり、ｌ（方位量子数）が大きくなるほどエネルギーは大きくなる。しかし、「M殻よりN殻のほうがエネルギーが大きい！」と考えることはできない。軌道のエネルギー順位を考えるためには下図のように軌道を書き、左下の矢印を上から順に書くことで求められる。