f轨道

✍ dations ◷ 2025-10-21 16:49:28 #原子物理学,原子轨域,轨域

在化学与原子物理学中,f轨道(英语:f orbital)是一种原子轨道,其角量子数为3,其磁量子数可以为0、±1、±2、±3,且每个壳层里中有七个f轨道,fz3、fxz2、fyz2、fxyz、fz(x2-y2)、fx(x2-3y2)、fy(3x2-y2),有三种形状,且方向不同,每个可以容纳2个电子,因此,f轨道共可以容纳14个电子。

f轨道是锕系元素和镧系元素的价轨道,较不常见,只从第6周期开始出现,由于能级交错,第六周期s轨道填满后就直接先填f轨道了。

f轨道的 f 是指 fundamental ,其为“基系光谱”之意

f轨道从主量子数n=4时开始出现,由于主量子数不能小于4,因此最小的f轨道是4f轨道,且不存在1f、2f和3f轨道。当角量子数=4时,对应于7个磁量子数:3、2、1、0、-1、-2、-3。每个壳层皆有7个f轨道,分别为fz3、fxz2、fyz2、fxyz、fz(x2-y2)、fx(x2-3y2)、fy(3x2-y2),有三种形状,其中磁量子数m = ±1或±3时(fxz2、fyz2、fx(x2-3y2)、fy(3x2-y2))形状相同但方向不同为豆子形;磁量子数m = ±2时(fxyz、fz(x2-y2))形状相同但方向不同,为八哑铃形;而磁量子数m = 0时,fz3轨道是七个f轨道中形状较特别的一个,类似于d轨道的dz2,但多了一个环。

七个f轨道的角量子数ℓ皆为3。f轨道的三次谐波经常表示为:

的f轨道角部分的三次谐波为 X 3 c ( r ) {\displaystyle X_{3c}(\mathbf {r} )} 。在许多情况下,球状谐波选择不同的线性组合构建三次f轨道的基组。

由于d轨道与f轨道的能量非常接近,因此有时会有f轨道还没填满但先填入了d轨道的情形,例如钍会先在d轨道中填2颗电子再继续填f轨道。

f区元素是指这些元素中具有最高能量的电子是填在f轨道上的,符合此性质的是元素周期表中的镧系元素和锕系元素。这一区中同周期的元素之间的性质差别很小,这一点在镧系各元素中表现得很明显。


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