電子殻

電子殻（でんしかく、（英: electron shell）は、ボーアの原子模型において、原子核を取り巻く電子軌道の集まりをいう。言わば電子の収容場所のことで、それにいかに電子が入っているかを示すのが電子配置である。実際の電子軌道は必ずしも球状ではなく、このモデルも厳密には正確ではない。しかし、原子に束縛された電子の状態を理解する上で重要なモデルである。

概要

電子殻は主量子数 $n=1,2,3,\cdots$ ごとに複数の層を構成しているとみなされ、エネルギー準位の低い方からK殻・L殻・M殻・N殻・O殻・P殻…と呼ばれている。電子殻それぞれに入ることのできる電子の数は $2n^{2}$ 個に等しい。ここで示す電子収容数はあくまで計算値であり、各電子殻上で32個より多く電子をもつ原子は発見されていない。

電子殻は一つ以上の「小軌道^[1]」(electron subshell) より構成され、各小軌道での電子収容数の和がその電子殻での収容数となる。次節参照。

電子は、量子数の小さい電子殻から順に入ることになっている。このため電子殻の数は、元素によってそれぞれ異なり、元素の周期を決定する要素となる。それぞれの原子の最も外側の電子殻の電子を最外殻電子ともいい、希ガスを除きしばしば価電子の役割をする。

電子殻のアルファベットがKから始まるのは、発見当初はまだこれより小さい殻があると考えられていたため、10個分の予約を確保し、11個目のKがあてられた。しかし、K殻よりも小さい殻は発見されなかった。

英版（英語圏）では電子殻を数字で表示し、ローマ字表示もされると記述されている。（"1 shell"（K殻）、 "2 shell"（L殻）、 "3 shell"（M殻）、・・・。）

計算上で電子殻に収納可能な電子数
殻	主量子数　n	電子数 2n²	小軌道
K殻	1	2	1s (2)
L殻	2	8	2s+2p (2+6)
M殻	3	18	3s+3p+3d (2+6+10)
N殻	4	32	4s+4p+4d+4f (2+6+10+14)
O殻	5	50	5s+5p+5d+5f+5g (2+6+10+14+18)
P殻	6	72	6s+6p+6d+6f+6g+6h (2+6+10+14+18+22)
Q殻	7	98	7s+7p+7d+7f+7g+7h+7i (2+6+10+14+18+22+26)

しかし、実際に周期表としてまとめられている元素の電子配置においては、電子殻内の電子数は、以下のような形でしか確認されていない。

（太字（d軌道、f軌道）は、余剰部分として、電子の充填が後の周期へと後回しにされる軌道。d軌道は1周期後、f軌道は2周期後に充填される。d軌道は主に1周期後のDブロック元素（遷移元素）の部分を、f軌道は主に2周期後のFブロック元素（ランタノイド・アクチノイド）の部分を担う。）

実際上の電子殻に収納可能な電子数
周期	殻	電子数	小軌道
第1周期	K殻	2	1s (2)
第2周期	L殻	8	2s+2p (2+6)
第3周期	M殻	18	3s+3p+3d (2+6+10)
第4周期	N殻	32	4s+4p+4d+4f (2+6+10+14)
第5周期	O殻	32	5s+5p+5d+5f (2+6+10+14)
第6周期	P殻	18	6s+6p+6d (2+6+10)
第7周期	Q殻	8	7s+7p (2+6)

小軌道

英語でelectron subshellといい、「小軌道」、「副電子殻」^[2]、「亜殻」と言われる。ここでは本項目である「電子殻」と区別しやすくするため「小軌道」と表記する。小軌道は電子殻を構成する電子軌道の集まりで、エネルギー準位の低い内側のs軌道から始まり、p、d、f、g軌道と続く。各小軌道の電子容量の和がその電子殻の電子容量となる。K殻ではs軌道の2個のみ、L殻ではs軌道の2個とp軌道の6個の計8個、M殻ではs軌道の2個、p軌道の6個、d軌道の10個の合計の18個となる。

小軌道に収納可能な電子数
小軌道	方位量子数	電子数	名前の由来
s軌道	0	2	sharp
p軌道	1	6	principal
d軌道	2	10	diffuse
f軌道	3	14	fundamental
g軌道	4	18	fの次^[3]
h軌道	5	22	gの次
i軌道	6	26	hの次

電子の収容順

高位の「電子殻」の低位の「小軌道」のエネルギー準位は、低位の「電子殻」の高位の「小軌道」より低くなっており、そちらへ先に電子が収容される。これを構造原理という。右図の3行目のM殻ではp軌道（3p）に電子が入ると、次はd軌道（3d）では無くN殻のs軌道（4s）へ電子が入る。その後でM殻のd軌道（3d）へ戻る。以降 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - 6sと続いていく。ただし第4周期以降では例外もある。詳細は電子配置を参照。

例えるなら、近くの建物の3階へ引っ越すより、遠い建物の1階へ入居するほうが簡単という事である。これがO殻、P殻に32個より多くの電子を持つ元素が見つかっていない理由でもある。

2012年の時点で発見が報告されている（未公認を含む）元素は、右図の小軌道6dおよび7s^{[注釈 1]}を満たし、7pに電子を収容している元素である。

脚注

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注釈

^ 7sは6pの後に既に満たされている。

出典

^ “楽しい高校化学「電子殻の構造」”. 2012年10月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年9月23日閲覧。
^ weblio sub-electron shell
^ Jue, T. (2009). “Quantum Mechanic Basic to Biophysical Methods”. Fundamental Concepts in Biophysics. Berlin: Springer. p. 33. ISBN 1-58829-973-2

概要

小軌道

電子の収容順

脚注

注釈

出典

関連項目