В атомной физике эффективный заряд ядра — это фактическое количество положительного (ядерного) заряда, испытываемого электроном в многоэлектронном атоме. Термин «эффективный» используется потому, что экранирующий эффект отрицательно заряженных электронов не позволяет электронам с более высокой энергией испытывать полный ядерный заряд ядра из -за отталкивающего эффекта внутреннего слоя. Эффективный ядерный заряд, испытываемый электроном, также называется зарядом ядра. Определить силу заряда ядра можно по степени окисления атома. Большинство физических и химических свойств элементов можно объяснить на основе электронной конфигурации. Рассмотрим поведение энергий ионизации в таблице Менделеева. Известно, что величина потенциала ионизации зависит от следующих факторов:
В периодической таблице эффективный заряд ядра уменьшается по группе и увеличивается слева направо в течение периода.
Эффективный атомный номер Z eff (иногда называемый эффективным ядерным зарядом) атома — это количество протонов , которые электрон в элементе эффективно «видит» благодаря экранированию электронами внутренней оболочки . Это мера электростатического взаимодействия между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в атоме. Можно рассматривать электроны в атоме как «сложенные друг на друга» энергией вне ядра; Электроны с самой низкой энергией (такие как 1s и 2s электроны) занимают пространство, ближайшее к ядру, а электроны с более высокой энергией расположены дальше от ядра.
Энергия связи электрона, или энергия, необходимая для удаления электрона из атома, является функцией электростатического взаимодействия между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром. Например, в железе (атомный номер 26) ядро содержит 26 протонов. Электроны, находящиеся ближе всего к ядру, «увидят» почти все из них. Однако электроны, находящиеся дальше, экранируются от ядра другими электронами, находящимися между ними, и в результате ощущают меньше электростатического взаимодействия. 1 -й электрон железа (ближайший к ядру) имеет эффективный атомный номер (число протонов) 25. Причина, по которой он не равен 26, заключается в том, что некоторые электроны в атоме в конечном итоге отталкивают другие, создавая чистое низшее электростатическое взаимодействие с ядром. Один из способов представить этот эффект — представить себе 1s-электрон, сидящий по одну сторону от 26 протонов ядра, а другой электрон, сидящий по другую сторону; каждый электрон будет чувствовать меньше силы притяжения 26 протонов, потому что другой электрон вносит вклад в силу отталкивания. 4s-электроны в железе, которые находятся дальше всего от ядра, имеют эффективный атомный номер всего 5,43, поскольку между ним и ядром находится 25 электронов, экранирующих заряд.
Эффективные атомные номера полезны не только для понимания того, почему электроны, находящиеся дальше от ядра, связаны гораздо слабее, чем те, что ближе к ядру, но также и потому, что они могут подсказать нам, когда следует использовать упрощенные методы расчета других свойств и взаимодействий. Например, литий с атомным номером 3 имеет два электрона в оболочке 1s и один в оболочке 2s. Поскольку два 1s-электрона экранируют протоны, обеспечивая эффективный атомный номер 2s-электрона, близкий к 1, мы можем рассматривать этот валентный 2s-электрон с помощью водородной модели.
Математически эффективный атомный номер Z eff можно рассчитать с помощью методов, известных как расчеты « самосогласованного поля », но в упрощенных ситуациях он просто принимается как атомный номер минус количество электронов между ядром и рассматриваемым электроном.
В атоме с одним электроном этот электрон испытывает полный заряд положительного ядра . В этом случае эффективный заряд ядра можно рассчитать по закону Кулона .
Однако в атоме с большим количеством электронов внешние электроны одновременно притягиваются к положительному ядру и отталкиваются отрицательно заряженными электронами. Эффективный ядерный заряд такого электрона определяется следующим уравнением:
S можно найти путем систематического применения различных наборов правил.
Самый простой метод определения константы экранирования для данного электрона — использование « правил Слейтера », разработанных Джоном Слейтером и опубликованных в 1930 году. [1] Эти алгебраические правила значительно проще, чем определение констант экранирования с помощью вычислений ab initio . .
Более теоретически обоснованным методом является расчет постоянной экранирования по методу Хартри-Фока . Дуглас Хартри определил эффективный Z орбитали Хартри – Фока как:
Обновленные значения эффективного ядерного заряда были предоставлены Клементи и др. в 1963 и 1967 годах. [2] [3] В их работе константы экранирования были оптимизированы для получения эффективных значений заряда ядра, которые согласуются с расчетами SCF. Полученные в результате константы скрининга полезны в качестве модели прогнозирования, но содержат мало химической информации в качестве качественной модели атомной структуры.
Заряд ядра — это электрический заряд ядра атома, равный числу протонов в ядре, умноженному на элементарный заряд . Напротив, эффективный заряд ядра — это притягивающий положительный заряд ядерных протонов, действующий на валентные электроны, который всегда меньше общего числа протонов, присутствующих в ядре, из-за эффекта экранирования . [4]
