比如在第一个电子层的电子和第二个电子层的电子虽然都是核外电子,但是它们所处的电子层不同,所以第一种区别就出来了。这就是主量子数。
第二种区别就是角量子数
比如第二个电子层有4个电子,首先这四个电子的主量子数是相同的,但是它们之间的轨道类型可能不同,比如s轨道或p轨道,所以按照原子轨道划分,就又多了一种区分电子的方式。
第三个区别就是磁量子数
刚才我已经讲了,第二能层的p轨道有三个,三个p轨道如果都有电子,这时候它们的主量子数和磁量子数已经是一样的了。
如果仅仅只是通过前两种方式,已经无法区分第二能层的三个p轨道上的三个电子了。
事实上,这三个p轨道并不完全相同,因为不同的p轨道在磁场上的分量是不同的。这就是第三种区别。
现在你想象一下,如果泡利不相容原理只适用于这三种量子数。
那同一能层,同一能级的同一个原子轨道上就只能容纳一个电子了。
因为同一个原子轨道一旦存在两个电子,那么这两个电子的三个量子数必然相同,所以就会违背泡利不相容原理。
这个时候,第四种区别就显得尤为重要。如果没有第四种区别,一个原子轨道就不可能存在两个电子,而只能是一个电子。这就是第四种量子数,也叫自旋量子数。
自旋量子数只有两种,要么是-1/2,要么是1/2。两种自旋可以粗略地认为是上旋或者下旋。
所以同一个轨道内两个电子的前三种量子数都相同,但是第四种量子数不同,且只能有两种不同,要么自旋为上,要么为下。所以一个原子轨道内必定只能容纳两个电子,且自旋不同。
其实,正是由于第四种量子数只有两种区别,才导致同一轨道上只能存在两个电子,这也是泡利不相容原理的核心思想。
其实,四种量子数相同的电子不能处于同一轨道还有更深层的解释。
由于电子的本质是波函数,且具有反对称性。
反对称波函数就是说,量子数完全相同的两个电子相遇,会相互制约。其中一个电子波向上,另一个就必然向下,并且严格对应。
一旦两列波处在同一轨道内,那相遇后就会完全抵消,从而导致电子的波函数消失,那电子就不存在了。
电子的反对称波函数也从本质上解释了泡利不相容原理。
想象一下,如果没有泡利不相容原理,那么按照洪特规则,所有的核外电子都会占据到能量最低的基态原子轨道上。所有的电子如果都处于基态,那化学性质就和氦原子一样稳定。