To describe the distribution of electrons around the atomic nucleus, physicists use a simple historical notation: the electron shells K, L, M, N, O, P, and Q. This notation was introduced in the early 20th century by physicist 查尔斯·巴克拉 (1877-1944) during the study of X-rays. This notation allows for a quick visualization of how electrons are distributed by increasing energy levels, from the shell closest to the nucleus (K) to the outer shells.
Each letter corresponds to a principal quantum number n:
K 壳层: n = 1 (first shell, closest to the nucleus)
L Shell: n = 2 (second shell)
M Shell: n = 3 (third shell)
N Shell: n = 4 (fourth shell)
O Shell: n = 5 (fifth shell)
P Shell: n = 6 (sixth shell)
Q Shell: n = 7 (seventh shell)
Each shell can contain a maximum number of electrons defined by the formula 2n²:
K壳层（n=1）: maximum 2 electrons (2 × 1² = 2)
L壳层（n=2）: maximum 8 electrons (2 × 2² = 8)
M壳层（n=3）: maximum 18 electrons (2 × 3² = 18)
N壳层（n=4）: maximum 32 electrons (2 × 4² = 32) → Uranium reaches this: K(2) L(8) M(18) N(32)
O壳层（n=5）: maximum 50 electrons (2 × 5² = 50) → Never reached (uranium has only 21 electrons in O)
P壳层（n=6）: maximum 72 electrons (2 × 6² = 72) → Never reached
Q壳层（n=7）: maximum 98 electrons (2 × 7² = 98) → Never reached
注意：:
In practice, no known element completely fills the shells 超越 N. The heaviest natural element, uranium (Z=92), has the configuration K(2) L(8) M(18) N(32) O(21) P(9) Q(2). The heaviest confirmed synthetic element, oganesson (Z=118), has the configuration K(2) L(8) M(18) N(32) O(32) P(18) Q(8).
Each shell is divided into subshells designated by the letters s, p, d, f:
s 亚层: can contain up to 2 electrons (1 orbital)
p 亚层: can contain up to 6 electrons (3 orbitals)
d 亚层: can contain up to 10 electrons (5 orbitals)
f 亚层: can contain up to 14 electrons (7 orbitals)
K壳层（n=1）: contains only 1s (2 electrons max)
L壳层（n=2）: contains 2s and 2p (2 + 6 = 8 electrons max)
M壳层（n=3）: contains 3s, 3p, and 3d (2 + 6 + 10 = 18 electrons max)
N壳层 (n=4): contains 4s, 4p, 4d, and 4f (2 + 6 + 10 + 14 = 32 electrons max)
O壳层（n=5）: contains 5s, 5p, 5d, and 5f (2 + 6 + 10 + 14 = 32 electrons max theoretical, although the theoretical 5g subshell does not exist in known elements)
P壳层（n=6）: contains 6s, 6p, 6d, and 6f (2 + 6 + 10 + 14 = 32 electrons max for known subshells)
Q壳层 (n=7): contains 7s, 7p, and potentially 7d (only 7s and 7p electrons are observed in known elements)
这种符号表示每个壳层中的电子总数，而不详细说明亚壳层。它特别有助于快速可视化原子的整体电子分布。
氦（2个电子）: 1s² → K(2)
The K shell is complete and saturated.
氖（10个电子）: 1s² 2s² 2p⁶ → K(2) L(8)
The K and L shells are complete and saturated.
钠（11个电子）: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ → K(2) L(8) M(1)
The K and L shells are complete, the M shell contains only 1 electron out of 18 possible.
氩（18个电子）: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ → K(2) L(8) M(8)
The K and L shells are complete. The M shell contains 8 electrons but is not complete (the 3s and 3p subshells are saturated, but 3d remains empty).
钙（20个电子）: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² → K(2) L(8) M(8) N(2)
Note that the 4s subshell fills before the 3d, which is why the M shell remains at 8 electrons.
钛（22个电子）: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s² → K(2) L(8) M(10) N(2)
The M shell begins to fill with 3d electrons.
The filling order does not strictly follow the order of K, L, M, N shells… due to the energy levels of the subshells. The general order is:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d…
这一原理解释了为何例如钾（19个电子）的电子排布为K(2) L(8) M(8) N(1)：第19个电子进入4s轨道而非3d轨道，因为4s亚层能量低于3d。
The K, L, M, N, O, P, Q notation allows:
• Quick visualization of the overall electronic structure of an atom
• Easy identification of the valence shell (outer shell)
• Understanding of chemical properties related to valence electrons
• Explanation of the classification of elements in the periodic table
• Prediction of oxidation states and chemical reactivity of elements
元素的化学反应活性源于其电子结构，尤其是价电子层的构型。外层电子（即价电子层）决定了元素形成化学键的能力：原子倾向于通过获得、失去或共享电子来达到稳定构型，通常是与最近稀有气体相同的电子排布。
这一趋势解释了观察到的化学亲和性：碱金属具有单个价电子，容易失去电子形成阳离子；卤素缺少一个电子以填满其外层电子壳层，因此对电子有强烈需求并形成阴离子；而稀有气体因价电子壳层完整，保持化学惰性。在这两个极端之间，过渡元素和类金属表现出中间行为，根据条件形成不同类型的化学键。
理解这些结构-性质关系是现代化学的基础，并能够预测元素在化学反应中的行为。
| 元素 | 符号（Z） | 价电子层 | 价电子 | 价电子排布 | 与其他元素的亲和性（示例） |
|---|---|---|---|---|---|
| 氢气 | H (Z = 1) | n = 1 | 1 | 1s¹ | 与O（H₂O）、C（CH₄）、N（NH₃）的共价键。 |
| 氦 | 氦（Z = 2） | n = 1 | 2 | 1s² | 几乎无化学亲和力；惰性稀有气体。 |
| 锂 | 锂（Z = 3） | n = 2 | 1 | 2s¹ | 与F形成离子键（LiF），与O形成离子键（Li₂O）。 |
| 铍 | 铍（Z = 4） | n = 2 | 2 | 2s² | 与O（BeO）、C（Be₂C）形成的共价键。 |
| 硼 | 硼（Z = 5） | n = 2 | 3 | 2s² 2p¹ | 与F（BF₃）、H（硼烷）的键合不足。 |
| 碳 | C (Z = 6) | n = 2 | 4 | 2s² 2p² | 与H、O（CO₂）、N形成的共价键。 |
| 氮 | N (Z = 7) | n = 2 | 5 | 2s² 2p³ | 与H（NH₃）、C（CN⁻）的多重键。 |
| 氧气 | O（Z = 8） | n = 2 | 6 | 2s² 2p⁴ | 主要氧化剂；与氢、碳、金属结合。 |
| 氟 | F (Z = 9) | n = 2 | 7 | 2s² 2p⁵ | 电负性极高；离子键。 |
| 霓虹灯 | 氖（Z = 10） | n = 2 | 8 | 2s² 2p⁶ | 惰性稀有气体。 |
| 钠 | 钠（Z = 11） | n = 3 | 1 | 3s¹ | 与Cl（NaCl）、O形成离子键。 |
| 镁 | 镁（Z = 12） | n = 3 | 2 | 3s² | 与O的离子键（MgO）。 |
| 铝 | 铝（Z = 13） | n = 3 | 3 | 3s² 3p¹ | 金属键和共价键（Al₂O₃）。 |
| 硅 | 如果 (Z = 14) | n = 3 | 4 | 3s² 3p² | 共价网络（SiO₂）。 |
| 磷 | P (Z = 15) | n = 3 | 5 | 3s² 3p³ | 与O（PO₄³⁻）、H形成键。 |
| 硫磺 | 硫（Z = 16） | n = 3 | 6 | 3s² 3p⁴ | 与H（H₂S）、O（SO₂）成键。 |
| 氯 | Cl（Z = 17） | n = 3 | 7 | 3s² 3p⁵ | 与Na形成离子键，与H形成共价键。 |
| 氩 | 氩（原子序数 = 18） | n = 3 | 8 | 3s² 3p⁶ | 惰性稀有气体。 |
| 钾 | K（Z = 19） | n = 4 | 1 | 4s¹ | 与Cl（KCl）、O的离子键。 |
| 钙 | 钙（Z = 20） | n = 4 | 2 | 4s² | 与O（CaO）的离子键，碳酸盐。 |
| 钪 | 钪（Z = 21） | n = 4 | 3 | 4s² 3d¹ | 金属键；氧化物 Sc₂O₃ |
| 钛 | 钛（Z = 22） | n = 4 | 4 | 4s² 3d² | 金属键；氧化物TiO₂。 |
| 钒 | V (Z = 23) | n = 4 | 5 | 4s² 3d³ | 多种氧化态；V₂O₅。 |
| 铬 | 铬（Z = 24） | n = 4 | 6 | 4s¹ 3d⁵ | 金属键；氧化物 Cr₂O₃ |
| 锰 | 锰（Z = 25） | n = 4 | 7 | 4s² 3d⁵ | 多种氧化态；MnO₂。 |
| 铁 | Fe (Z = 26) | n = 4 | 2–3 | 4s² 3d⁶ | 金属键；氧化物 Fe₂O₃。 |
| 钴 | 钴（Z = 27） | n = 4 | 2–3 | 4s² 3d⁷ | 金属键；CoO配合物 |
| 镍 | 镍（Z = 28） | n = 4 | 2 | 4s² 3d⁸ | 金属键；催化剂NiO。 |
| 铜 | 铜（Z = 29） | n = 4 | 1–2 | 4s¹ 3d¹⁰ | 金属键；氧化物 CuO。 |
| 锌 | Zn (Z = 30) | n = 4 | 2 | 4s² 3d¹⁰ | 与O、S形成离子键。 |
| 镓 | 镓（Z = 31） | n = 4 | 3 | 4s² 4p¹ | 金属键；半导体砷化镓。 |
| 锗 | 锗（Z = 32） | n = 4 | 4 | 4s² 4p² | 半导体；共价键 GeO₂。 |
| 砷 | 砷（Z = 33） | n = 4 | 5 | 4s² 4p³ | 与S、O的共价键。 |
| 硒 | 硒（Se，原子序数34） | n = 4 | 6 | 4s² 4p⁴ | 类似于硫；H₂Se。 |
| 溴 | Br (Z = 35) | n = 4 | 7 | 4s² 4p⁵ | 卤素；与H、金属成键。 |
| 氪 | Kr（Z = 36） | n = 4 | 8 | 4s² 4p⁶ | 几乎惰性的稀有气体。 |
| 铷 | 铷（Rb，原子序数37） | n = 5 | 1 | 5s¹ | 碱金属；离子键 RbCl。 |
| 锶 | 锶（原子序数38） | n = 5 | 2 | 5s² | 与氧形成离子键（SrO）。 |
| 钇 | Y (Z = 39) | n = 5 | 3 | 5s² 4d¹ | 过渡金属；Y₂O₃。 |
| 锆 | 锆（Zr，原子序数40） | n = 5 | 4 | 5s² 4d² | 金属键；ZrO₂。 |
| 铌 | 铌（Z = 41） | n = 5 | 5 | 5s¹ 4d⁴ | 超导体；Nb₂O₅。 |
| 钼 | 钼（Z = 42） | n = 5 | 6 | 5s¹ 4d⁵ | 金属键；MoS₂。 |
| 锝 | 锝（原子序数43） | n = 5 | 7 | 5s² 4d⁵ | 放射性；与氧形成络合物。 |
| 钌 | 钌（Z = 44） | n = 5 | 8 | 5s¹ 4d⁷ | 催化剂；RuO₂。 |
| 铑 | 铑（原子序数45） | n = 5 | 9 | 5s¹ 4d⁸ | 催化剂；Rh₂O₃。 |
| 钯 | 钯 (Z = 46) | n = 5 | 10 | 4d¹⁰ | 催化剂；PdO。 |
| 银 | Ag（Z = 47） | n = 5 | 1 | 5s¹ 4d¹⁰ | 金属键；Ag₂O。 |
| 镉 | 镉（Cd，原子序数48） | n = 5 | 2 | 5s² 4d¹⁰ | 离子键；CdS。 |
| 铟 | 在（Z = 49）中 | n = 5 | 3 | 5s² 5p¹ | 半导体；In₂O₃ |
| Tin | Sn (Z = 50) | n = 5 | 4 | 5s² 5p² | 金属键；SnO₂。 |
| 锑 | 锑（原子序数 = 51） | n = 5 | 5 | 5s² 5p³ | 半金属；Sb₂O₃。 |
| 碲 | 碲（Z = 52） | n = 5 | 6 | 5s² 5p⁴ | 半金属；H₂Te。 |
| 碘 | 碘（Z = 53） | n = 5 | 7 | 5s² 5p⁵ | 卤素；与氢、金属成键。 |
| 氙 | 氙（Xe，原子序数54） | n = 5 | 8 | 5s² 5p⁶ | 稀有气体；与氟形成的化合物（XeF₄）。 |
| 铯 | Cs（Z = 55） | n = 6 | 1 | 6s¹ | 高反应性碱金属；CsCl。 |
| 钡 | 钡（Z = 56） | n = 6 | 2 | 6s² | 离子键；BaO。 |
| 镧 | 镧（Z = 57） | n = 6 | 3 | 6s² 5d¹ | 镧系元素；La₂O₃。 |
| 铈 | 铈（Z = 58） | n = 6 | 3–4 | 6s² 4f¹ 5d¹ | 镧系元素；CeO₂。 |
| 镨 | Pr (Z = 59) | n = 6 | 3 | 6s² 4f³ | 镧系元素；Pr₂O₃。 |
| 钕 | 钕（Z = 60） | n = 6 | 3 | 6s² 4f⁴ | 强力磁铁；Nd₂O₃。 |
| 钷 | 钷（原子序数61） | n = 6 | 3 | 6s² 4f⁵ | 放射性；Pm₂O₃。 |
| 钐 | 钐（Z = 62） | n = 6 | 2–3 | 6s² 4f⁶ | 磁铁；Sm₂O₃。 |
| 铕 | 铕（Z = 63） | n = 6 | 2–3 | 6s² 4f⁷ | 磷光体；Eu₂O₃ |
| 钆 | 钆（Gd，原子序数64） | n = 6 | 3 | 6s² 4f⁷ 5d¹ | 磁性；Gd₂O₃。 |
| 铽 | 铽（原子序数65） | n = 6 | 3 | 6s² 4f⁹ | 磷光体；Tb₂O₃ |
| 镝 | 镝（Dy，Z = 66） | n = 6 | 3 | 6s² 4f¹⁰ | 磁铁；Dy₂O₃ |
| 钬 | 钬（Z = 67） | n = 6 | 3 | 6s² 4f¹¹ | 磁性；Ho₂O₃。 |
| 铒 | 铒（Z = 68） | n = 6 | 3 | 6s² 4f¹² | 光学；Er₂O₃ |
| 铥 | 铥（Tm，原子序数69） | n = 6 | 3 | 6s² 4f¹³ | 激光器；Tm₂O₃。 |
| 镱 | 镱（Yb，Z = 70） | n = 6 | 2–3 | 6s² 4f¹⁴ | Yb₂O₃。 |
| 镥 | 镥（Z = 71） | n = 6 | 3 | 6s² 4f¹⁴ 5d¹ | Lu₂O₃。 |
| 铪 | 铪（Hf，原子序数72） | n = 6 | 4 | 6s² 4f¹⁴ 5d² | 金属键；HfO₂ |
| 钽 | 钽（Z = 73） | n = 6 | 5 | 6s² 4f¹⁴ 5d³ | 耐腐蚀的；Ta₂O₅。 |
| 钨 | W (Z = 74) | n = 6 | 6 | 6s² 4f¹⁴ 5d⁴ | 高熔点；WO₃。 |
| 铼 | 铼（Z = 75） | n = 6 | 7 | 6s² 4f¹⁴ 5d⁵ | 催化剂；Re₂O₇。 |
| 锇 | 锇（Os，原子序数76） | n = 6 | 8 | 6s² 4f¹⁴ 5d⁶ | 密度极高；OsO₄。 |
| 铱 | 铱（Z = 77） | n = 6 | 9 | 6s² 4f¹⁴ 5d⁷ | 耐腐蚀；IrO₂。 |
| 铂金 | 铂（原子序数78） | n = 6 | 10 | 6s¹ 4f¹⁴ 5d⁹ | 催化剂；PtO₂。 |
| 黄金 | 金（Z = 79） | n = 6 | 1 | 6s¹ 4f¹⁴ 5d¹⁰ | 贵金属；Au₂O₃ |
| 水星 | 汞（Z = 80） | n = 6 | 2 | 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ | 液体；HgO。 |
| 铊 | 铊（Tl，原子序数81） | n = 6 | 3 | 6s² 6p¹ | 有毒；Tl₂O。 |
| 铅 | 铅（原子序数82） | n = 6 | 4 | 6s² 6p² | 金属键；PbO。 |
| 铋 | 铋（Z = 83） | n = 6 | 5 | 6s² 6p³ | 半金属；Bi₂O₃。 |
| 钋 | 钋（原子序数84） | n = 6 | 6 | 6s² 6p⁴ | 放射性；PoO₂。 |
| 砹 | 砹（原子序数85） | n = 6 | 7 | 6s² 6p⁵ | 放射性；稀有卤素。 |
| 氡 | Rn (Z = 86) | n = 6 | 8 | 6s² 6p⁶ | 放射性惰性气体。 |
| 钫 | Fr（Z = 87） | n = 7 | 1 | 7s¹ | 放射性；碱金属。 |
| 镭 | 镭（Z = 88） | n = 7 | 2 | 7s² | 放射性；RaO。 |
| 锕 | 锕（Z = 89） | n = 7 | 3 | 7s² 6d¹ | 锕系元素；Ac₂O₃。 |
| 钍 | 钍（Z = 90） | n = 7 | 4 | 7s² 6d² | 锕系元素；ThO₂。 |
| 镤 | 镤（Z = 91） | n = 7 | 5 | 7s² 5f² 6d¹ | 放射性；Pa₂O₅。 |
| 铀 | U（Z = 92） | n = 7 | 3–6 | 7s² 6d¹ 5f³ | 与O（UO₂²⁺）、F（UF₆）形成的复杂键。 |
原子的各种形态：从古代直觉到量子力学 
