在多电子原子中，决定电子所处状态的准则有两条：一是泡利不相容原理；二是能量最小原理(原子系统处于正常状态，电子填充壳层时，每一个电子部尽量占据最低空能级)，即体系能量最低时，体系最稳定，它决定壳层的次序，元素周期表就是按照这两条准则排列的。

元素的性质决定于原子的结构，也就是原子中电子所处的状态，电子状态的具体内容是下列四个量子数所代表的一些运动情况：

①主量子数n=1，2，3，4，…代表电子运动区域的大小，它决定原子中电子能量的主要部分，前者按轨道的描述也就是电子运动轨道的大小(长半轴)。

对于能量相同的一些电子，可以视为均匀分布于同一壳层上。随着n数值的不同，可以把电子分布在许多壳层，具有相同n值的电子称为同一壳层的电子，相应于n=1，2，3，4，…的壳层，分别称为K壳层，L壳层，M壳层，N壳层，…等。

②轨道角动量量子数l=0，1，2，…。(n-1)代表轨道的形状(短半轴)和轨道角动量，这也同电子的能量有关。

在同一壳层中，可以有0，1，2，3，4，…。(n-1)个角量子数，于是，每一个壳层又分为几个不同的次壳层，并用符号s，p，d，f，g，h等来代表l=0，1，2，3，4，5等次壳层。

③轨道磁量子数m₁=0，±1，±2，…。±l代表轨道在空间的可能取向，换一句话，它代表轨道角动量在某一特殊方向(外磁场方向)的分量(投影)，引起原子能级的分裂。

④自旋磁量子数m_s= 1/2，-1/2代表电子自旋的取向，它也代表电子自旋角动量在某一特殊方向(外磁场方向)的分量(投影)。

1.泡利不相容原理

1925年泡利根据对光谱实验结果的分析总结出如下的规律：在一个原子中不能有两个或两个以上的电子处在完全相同的量子态．即一个原子中任何两个电子都不可能具有一组完全相同的量子数(挖，1，m，m。)，这称为泡利不相容原理，如基态氦原子，它的两个核外电子都处于1s态，其(n，l，m)都是(1，0，0)，则m_s必定不同，即一个为 1/2，另一个为-1/2，根据泡利不相容原理不难算出各壳层上最多可容纳的电子数为

各支壳层上最多可容纳的电子数为

在n=1，2，3，4…的K，L，M，N…各壳层上，最多可容纳2，8，18，32…个电子，而在l=0，1，2，3…的s，P，d，f…各支壳层上，最多可容纳2，6，10，14…个电子。

实验证明，自旋量子数为1/2的奇数倍的粒子(称为费米子)均受泡利不相容原理的限制；自旋量子数为0或1的正整数倍的粒子(称为玻色子)则不受此限制。

2.能量最小原理

原子处于正常状态时，每个电子都趋向占据可能的最低能级，使原子系统的总能量尽可能的低。这一规律称为能量最小原理。因此，能级越低也就是离核越近的壳层首先被电子填充，其余电子依次向未被占据的最低能级填充，直至所有的Z个核外电子分别填入可能占据的最低能级为止，由于能量还和副量子数l有关，所以在有些情况下，n较小的壳层尚未填满时，下一个壳层上就开始有电子填入了。关于n和l都不同的状态能级高低问题，要在考虑电子轨道、自旋耦合作用后，通过求解薛定谔方程便可确定。对此，我国科学家徐光宪教授总结出这样的规律：对于原子的外层电子，能级高低可以用n 0.7l值的大小来比较，其值越大，能级越高．此规律称为徐光宪定则。例如，3d态能级比4s态能级高，因此钾的第19个电子不是填入3d态，而是填人4s态，等等。

按量子力学求得的各元素原子中电子排列的顺序，已在各元素的物理、化学性质的周期性中得到完全证实。 2100433B

除了氢原子以外，其他原子中都包含有多个电子。在多电子原子中，每个电子的运动除了受到原子核的作用力外．还受到其他运动电子的排斥力作用。由于核的质量远远大于电子的质量，核总是起着一个中心的、主要的作用。所以作为一种近似，原子中每个电子所受到的各种作用的平均效应可以等效于一个以核为中心的有心力．这样处理称为单电子近似。在这种近似下，每个电子的状态仍可用研究氧原子得到的四个量子数(n，l，m₁，m₂)来表示。不同的是。此时主量子数n相同而角量子数l不同的电子能量也稍有不同，所以角量子数l对能量也稍有影响。

元素原子主要是宏观上技术应用，光源开发、光谱分析、电子器件、超导体应用、分子价键、化学反应等应用都是宏观的。尽管单个元素原子都有确定的结构与壳粒子运动轨道，但宏观上由于它们质量统计性，使同一元素同一量子数壳粒运动轨道具有统计性，所产生光谱线具有一定宽度。海森堡测不准关系实质上是这类统计性引起的，使得（交换）能量与时间、动量与位移、角动量与角移不能同时测量准确。

应用设计的合理能动性，决断的可能可行性，执行的手段实效的实性思维过程中都要考虑这些基本因素。如应用设计是否合理可以观其是否符合上述基本原理及其推论，在此基础上充分发挥能动性，可以跟其它领域原理器件组合、条件控制能动地结合起来，构成一定性能、功能的原子应用仪器设备，像各种光源、激光、光谱分析仪、核磁共振之类设备。

粒子或原子核外壳粒存在粒子本身周期性变换运动和周围场质交换作用。粒子（或壳粒）周围交换能密度随距离粒子愈远愈小，即除以球面积或与r²半径平方成反比，表示交换愈弱，位能愈大。粒子间（根源于涡旋浓缩趋势）交换趋于愈强，位能愈小趋势。这样波函数可解释为粒子（壳粒）本身的周期性变换，而粒子（壳粒）周围场质交换在波动方程中表示为位能，并只能取交换波节所在的位能允许的轨道上运动。因此量子力学的波动方程解的能量只可取允许值的能级，如径量子数、角量子数（或轨道量子数）、磁量子数、自旋量子数等。在三条基本原理基础上所推出的波动方程，可以等价量子力学的波动方程，而意义更为深刻。

原子壳层新论发光的应用

单个元素原子质量一定的，其轨道是确定，所辐射光谱线是确定的。但宏观大量元素原子构成气体状态，原子之间不仅质量存在差异，而且运动速度也存在差异，所辐射的光谱是一定宽度的线光谱，液体或固体状态的原子之间交换，原子轨道有所偏离，所辐射的是带光谱。脱离原子的壳粒跃迁到某轨道是任意值，所辐射的是连续光谱。所观察的光谱是大量同元素原子辐射的光谱，并非单一原子光谱，不要把光谱线与单一原子发射（只是谱线上点）混为一谈。可见统计性或测不准关系是宏观量度处理微观粒子所产生现象，正如热运动统计性，也是单一粒子有确定速度、动能等参量的，而大量不规则运动只能取统计平均值情况类似，要准确指定一粒子速度或动能，那只能指出其出现的几率。

太阳所辐射的是连续光谱，又由于太阳周围存在大量氢、氦和其它轻元素，出现被这些元素吸收的暗光谱线。不同元素所辐射的是不同颜色的光线，不同元素组合可生成不同色彩。可见根据不同的需要可以设计不同元素材料的各种各样光源。各种元素原子量平均值和外壳层粒子数及其分布不同，相应于核周围壳粒所处分布的允许轨道也不同。通常壳粒稳定地处于交换倍数较小的里层，在外部作用（如电流）下被激发到较外层允许轨道上运动。但趋匀平衡趋势，又使其往里跃迁而辐射量子。不同元素原子所辐射量子不同，即所发的光谱或光颜色不同。利用这个属性，可以设计制成各种颜色的光源，如霓虹灯各种颜色就是充入不同气体（多半是惰性气体）的结果。

一定元素气体的光谱线是固定的，可以采取石棉沾上化合物、混合物粉进行燃烧或其它方法，使其发射出光线或光谱。从光谱比较分析，可以判别化合物、混合物中所含的元素成份，再通过光谱强弱程度比较分析可以判别元素所含的量大小。实现对各种各样物体所含那些元素成份和份量大小的光谱分析技术。光谱分析是化学分析的重要技术方法之一。

原子壳层新论电的应用

惰性元素最外层分布对称的两个或8个壳粒而不跟其它原子交换的气态材料。材料的元素原子最外壳层只有一个壳粒子为一价元素，元素原子最外壳层只有两个壳粒子为二价元素。平衡对称趋势，使其易失壳粒子，具有金属性。最外层同是一个壳粒的原子量愈大元素，因壳粒离核愈远，愈易失壳粒子，从而金属性愈强。壳粒脱离原子，使其各处于交换不平衡的正反带电的暂时状态，在平衡趋势中移动或逐渐失去带电性。这类材料易从其原子中移出壳粒子，常温下热运动就使其大量壳粒脱离原子核，在物体材料中自由运动，称为导体。物体材料中原子的壳粒极难离开原子核，即使外加很强电场或磁场也难迫使壳粒脱离原子，这类物体称为绝缘体。导电性介于两者之间物体材料为半导体。不同物体原子具有不同磁性，温度或热运动愈低，原子磁性愈处于平衡状态，即磁性愈弱。

壳粒脱离原子易难程度不同的材料各种属性，可以根据需要灵活地设计成各式各样的（电子）器件，以满足电路器件组合产生各种各样电磁性能。如半导体材料硅、锗掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N形半导体。两种半导体接触在一起的点或面构成PN结，在接触点或面上N型半导体多余壳粒趋向P型半导体，并形成阻挡层或接触电位差。当P型接正极，N型接负极，N型半导体多余壳粒和PN结上壳粒易往正移动，且阻挡层变薄接触电位差变小，即电阻变小，可形成较大电流；反之当P型接负极，N型接正极，因为P半导体缺壳粒，热运动也难分离出壳粒往正极运动，且阻挡层变厚接触电位差变大，电阻变大，形成较小电流，即具有单向通过电流属性。

有些材料，如惰性气体氦，在低温时形成液体，原子之间靠电磁场质交换成体的，几乎没有热运动，原子核与壳粒总磁性和近零，弱外磁场几乎不起作用，即处于抗磁性状态。一壳粒微小移动带电，立即引起场质交换不平衡性在整个材料中传递，电阻等零，即出现超导体现象。随温度升高或外磁场增强，氦原子开始有了热运动，壳粒只能在能级轨道间移动，是正常电阻的分数，并随热运动增强，电阻分数值愈大，最后恢复正常电阻值，此时也就失去超导性，失去抗磁性。这就是崔琦分数电荷的来源。可见，超导性是某些材料在一定条件下，原子或分子等的粒子间场质可在整个材料所有粒子间实现交换，而不仅只在相邻粒子间实现交换。热运动愈小，粒子周围场质愈易超过相邻粒子间交换，即愈不易让弱外磁场影响其磁性状态，相应粒子抗磁性愈强，所形成的超导性愈强。

原子壳层新论化学的应用

化学元素原子通常情况下原子核平均质量与壳粒数目大体成比例的，并处于交换平衡状态，涡旋能级结构使壳粒先占据里层，除氢、氦最轻元素外，元素原子最外层壳粒通常有1个到8个的分布。最外层分布1个壳粒的元素有锂、钠、钾等一价碱金属，最外层分布2个壳粒的元素有铍、镁、钙等二价碱土金属，最外层分布7个壳粒的有氟、氯、溴、碘等负一价卤族元素，最外层存在8个壳粒的元素有氖、氩、氪等惰性气体。包括氦惰性气体原子的最外层壳粒分布对称，不相互作用，不产生化学反应而处于单一原子零价元素的气体状态。

一价的碱金属元素的对称性分布趋势，使其易失一个壳粒，而且原子量愈大最外层壳粒离核愈远，愈易掉失壳粒，即金属性愈强。而七价或负一价的卤族元素的对称性分布趋势，使其易得一个壳粒，而且原子量愈小最外层壳粒离核愈近，得壳粒趋势愈强，即非金属性愈强。当一价元素与负一价元素，如钠与氯原子接触时，钠原子掉失一壳粒刚好为氯原子所得，各处于对称性分布，但它们各自与核处于交换不平衡状态，有再拉回壳粒的趋势，形成了壳粒在原子间交换的分子，这类交换称为异价键（旧称离子键）。又如两氯原子之一出一个壳粒于对方，使一氯原子最外层有8个壳粒对称分布，但两者与其核又处于交换不平衡，平衡对称趋势又有拉回壳粒作用，以达到对称分布，这样两氯原子之间形成公共使用两壳粒交换的分子，称为共价键。

结晶体或金属体主要靠原子之间壳粒交换而成固体状态的，其壳粒交换分别称为结晶键或金属键。金属键的壳粒很易离开原子，并在原子之间移动，热运动愈强，壳粒离开的愈多愈频繁，常处于易生电的导体状态。分子内壳粒交换是价键的本质，不同材料分子内壳粒交换紧密程度不同，使某些化合物分子中元素易另外元素置换，如按程度顺序有K、Na、Ca、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt等，前面元素（金属性愈强）易在化合物分子中置换出后面元素（金属性较弱），实现元素置换的化学反应。如水中氢遇到金属钠，钠元素极易将水中氢置换出来生成氢气

2H2O 2Na→2Na(OH) H2

这个原理说明元素原子是涡旋运动演变而成的，它周围分离的环逐步演变为壳粒子，一个环只能演变成一个核心壳粒（基壳粒）和周围的环，这些环再演变为另一些不同轨道壳粒（谐壳粒），否则就会在演变中结合在一起为同一壳粒，稳定时则构成某元素原子 。这个原理与泡利不相容原理等效的。涡旋运动成形粒子一直保持着旋转运动，自然存在自旋。其微旋化过程中也自然存在核和壳层粒子磁性，核磁性与壳粒总磁性的不同关系，是构成顺磁性、抗磁性、铁磁性材料的基础。也是构成塞曼效应的根源，壳粒与原子核的磁性在外磁场作用下，因状态不同而分离若干可能轨道，相应辐射出多条谱线。

其次周期性变换运动与周期性场质交换是稳定粒子基本状态，元素原子壳层粒子除了自身周期性变换运动可以用波函数或波动方程描述外，还与原子核通过电磁场质交换而联结在一起，原子核质量愈大能够交换的壳粒愈多，平衡时壳粒数与原子量近正比。但原子核交换频率必需是壳粒交换频率整数倍的那些允许轨道或能级上才能同步稳定地运动，并且愈低倍数轨道或能级愈同步稳定，即壳粒自动趋向最里层或能级愈低的轨道上运动（先占有里层，可直接与量子力学中能量最小原理等价），壳粒轨道或能级间跃迁则吸收或辐射量子，可以用位能能级及其差表示。壳粒动能等于总能减去位能E-U，等价于量子力学波动方程中能量关系。称为原子壳层周期变换与交换整数倍同步原理。

它不仅深刻地道出了原子结构量子化或能级化本质或根源，主量子或径量子数n用于描述核与基壳粒交换整数倍的允许轨道能级及其量子数，副量子数或轨道量子数ι用于描述谐壳粒相对核的允许波纹轨道能级及其量子数，取0、1、┉、(n-1)。又由于谐壳粒围绕基壳粒运动轨道（或波纹轨道）相对核轴偏离又跟原子核交换空间取向有关，也要求交换整数倍的磁量子数，即取-ι、…、-1、0、1、…、ι，自旋量子数实际上是原子壳层分布对称趋势引起的正反量子数。每一壳层最多壳粒数为2n²，其中2是对称性分布引起的，n是由里往外壳层次数。

元素是按原子稳定的壳粒数目和分布来分类的，外壳层同为一个壳粒原子分为一类，称为氢元素。外壳层分布两个壳粒原子为另一类，称为氦元素。外壳层三个、四个等等原子分别被分类到元素周期表中的不同元素中去，如外壳层8个壳粒原子为氧元素，外壳层9个壳粒原子为氮元素等。由于涡旋运动生成同元素原子的环境条件差异，原子质量不完全一致，存在一定的分布或具有统计性，所谓原子量实际上是同元素原子质量统计平均值，称为元素原子量统计平均值原理。这个元素原子质量统计性是量子力学中波函数统计与光谱线存在一定宽度的本质或根源。实际上量子力学波函数统计性与海森堡测不准关系所解释的量子现象等都可以用此原理加以解释的。对于重元素原子内层壳粒可以看成原子核外围壳粒群加上外壳层粒子。最外壳层的对称趋势，使其具有除最里层两个外，其它具有8个象限各占一个的对称分布趋势。

这三条原子基本原理所构成的原子结构可以对应等价量子力学基本关系，为了与量子力学关系对应，在上述原子基本原理基础上进一步描述。对于周期性电磁场变换或电磁波，实际上是磁场能密度与电场能密度的周期性变换，而它们能密度之和仍是非周期的能密度。如电磁场能密度坐标描述为w=μH² εG²，其中μ为导磁率，ε为电介质系数，H为磁场强度，对应涡旋在场中描述的磁涡量，G为电场强度，对应平动在场中描述的电动量。它们分别是

H=H。Sin2π(νt-ι/λ)

G=G。Cos2π(νt-ι/λ)

当√μ=√ε，代入上式电磁场能密度为不变数。光不过是原子级辐射电磁波量子流。热量或红外线不过是分子级辐射电磁波量子流。相位调整后，都可以用电磁波函数或波动方程描述。波函数平方表示其能密度或粒子数密度，用以表示强度。

对于一般粒子，尤其原子外壳层粒子来说，通常处于周期性交换状态，只有粒子间交换频率整数倍时，交换才能同步并处于较稳定状态，可用位能描述。粒子周期运动波动函数

φ=φ。Sin2π(νt-ι/λ)=φ。Sin(2π/h)(Et-pι)

其平方或共轭乘积为能密度或粒子数密度。能密度与粒子数密度间差一个量子能量，即量子能量乘以粒子数密度为能密度。但场的描述对于空间一点某时刻的一个粒子来说，只能理解为出现的几率密度，它的意义等价于量子力学对波函数的几率解释。其中量子的能量为E=hν，速度υ=λν，动量为p=h/λ。这几个公式等价于德玻罗意波公式。

对于粒子间同步交换实际意义是具有场的驻波运动方式，存在一系列波节，即周期性交换相位在此空间位置上相位的相反而波动抵消或交换同步。如原子核与周围壳粒交换，而壳粒绕核且沿着这些波节运动，交换才是同步有效的。距离核不同位置波节所具有位能不同，愈远位能或能级愈大，通常用主量子数或径量子数描述。对基壳粒是如此，而绕基壳粒的谐壳粒更多一项相对基壳粒位能而且愈远位能或能级愈大，通常用轨道量子数或角量子数描述。涡旋壳粒本来就具有自旋，其正反向（实际上是轨道对称趋势引起的）分别用正负自旋量子数表示。此时壳粒波函数可用定态波函数或定态波动方程描述。

φ=φ。Sin(-2πι/λ)=φ。Sin(-2πpι/h)

d²φ/dι²=-(-2π/h)²p²φ。Sin(-2πpι/h)=-(4π²/h²)p²φ

=-(4π²/h²)2m(E-U)φ=-(8π²m/h²)(E-U)φ

d²φ/dι² (8π²m/h²)(E-U)φ=0

其中动能等于总能减去位能，即p²/2m=E-U。因此量子力学在这里都可以找到对应等价解释关系。