什么是能级交错

能级交错，简单来说，就是在多电子原子中，出现了电子层数较大的某些轨道能量，反而低于电子层数较小的某些轨道能量的奇特现象 。按照我们常规的思维，电子层越大，离原子核越远，电子的能量应该越高。就好比在一个多层的停车场里，越高的楼层（对应电子层），车辆（对应电子）停放的位置应该越 “高级”（能量越高）。但现实却不是这样，在原子这个 “停车场” 里，会出现低楼层的某些车位比高楼层的一些车位更 “高级” 的情况。

最典型的例子就是 4s 轨道和 3d 轨道。从电子层来看，4s 轨道所在的第 4 电子层比 3d 轨道所在的第 3 电子层要 “高一层”，按照常理，4s 轨道能量应该高于 3d 轨道。然而，实际情况却是 4s 轨道能量低于 3d 轨道，所以在填充电子时，电子会先占据 4s 轨道，然后才会填充 3d 轨道 。这种不按 “套路出牌” 的现象，就是能级交错的生动体现。

能级交错产生的原因

屏蔽效应

在原子中，电子们并不是 “和平相处” 的。内层电子会对原子核的正电荷起到一定的屏蔽作用，使得外层电子感受到的原子核的吸引力减弱。就好像内层电子给原子核穿上了一件 “防护服”，外层电子难以直接感受到原子核强大的吸引力。当主量子数 n 相同时，角量子数 l 越小的轨道，电子云越靠近原子核，被其他电子屏蔽的程度就越小 。例如，对于同一电子层中的 s、p、d、f 轨道，s 轨道的电子云最靠近原子核，受到的屏蔽作用最小；而 f 轨道的电子云离原子核最远，受到的屏蔽作用最大。这就导致了在同一电子层中，s 轨道能量最低，f 轨道能量最高。

钻穿效应

电子的运动轨迹非常奇特，它们就像一个个调皮的小精灵，会时不时地 “钻” 到离原子核很近的地方。这种 “钻” 到内层空间的能力，就是钻穿效应 。不同轨道的电子钻穿能力不同，角量子数 l 越小的轨道，钻穿能力越强。比如 s 轨道的电子，它们有更多的机会靠近原子核，从而感受到原子核更强的吸引力，能量也就更低 。以 2s 和 2p 轨道为例，2s 轨道的电子除了在离核较远的区域出现外，还有一定概率出现在离核很近的地方，就像一个经常偷偷跑到 “领导” 身边的员工，能更好地感受到 “领导” 的影响力；而 2p 轨道的电子离核相对较远，且钻穿到内层的概率较小，所以 2s 轨道能量低于 2p 轨道。当 n 和 l 综合变化时，钻穿效应和屏蔽效应共同作用，就导致了能级交错现象的出现。例如 4s 轨道的电子虽然主量子数 n 较大，但由于其角量子数 l = 0，钻穿能力较强，能够更好地靠近原子核，使得其能量低于 3d 轨道（3d 轨道 l = 2，电子云分布相对离核较远，受屏蔽效应影响较大） 。