Основные электроны — это электроны в атоме , которые не являются валентными электронами и не участвуют в химических связях . [1] Ядро и основные электроны атома образуют атомное ядро. Основные электроны прочно связаны с ядром. Поэтому, в отличие от валентных электронов, основные электроны играют второстепенную роль в химических связях и реакциях, экранируя положительный заряд атомного ядра от валентных электронов. [ 2]
Число валентных электронов элемента можно определить по группе периодической таблицы элементов (см. валентный электрон ):
Все остальные невалентные электроны атома этого элемента считаются основными электронами.
Более сложное объяснение разницы между основными и валентными электронами можно дать с помощью теории атомных орбиталей.
В атомах с одним электроном энергия орбитали определяется исключительно главным квантовым числом n . Орбиталь с n = 1 имеет наименьшую возможную энергию в атоме. При больших n энергия увеличивается настолько, что электрон может легко покинуть атом. В одноэлектронных атомах все энергетические уровни с одним и тем же главным квантовым числом вырождены и имеют одинаковую энергию.
В атомах с более чем одним электроном энергия электрона зависит не только от свойств орбитали, на которой он находится, но и от его взаимодействий с другими электронами на других орбиталях. Это требует рассмотрения квантового числа ℓ . Более высокие значения ℓ связаны с более высокими значениями энергии; например, состояние 2p выше, чем состояние 2s. Когда ℓ = 2, увеличение энергии орбитали становится достаточно большим, чтобы подтолкнуть энергию орбитали выше энергии s-орбитали в следующей более высокой оболочке; когда ℓ = 3, энергия подталкивается в оболочку на две ступени выше. Заполнение 3d-орбиталей не происходит, пока не будут заполнены 4s-орбитали.
Увеличение энергии для подоболочек с увеличивающимся угловым моментом в более крупных атомах обусловлено эффектами взаимодействия электронов между собой, и оно конкретно связано со способностью электронов с низким угловым моментом более эффективно проникать к ядру, где они подвергаются меньшему экранированию от заряда промежуточных электронов. Таким образом, в атомах с более высоким атомным номером ℓ электронов становится все более и более определяющим фактором в их энергии, а главные квантовые числа n электронов становятся все менее и менее важными в их энергетическом размещении. Последовательность энергий первых 35 подоболочек (например, 1s, 2s, 2p, 3s и т. д.) приведена в следующей таблице [не показано?]. Каждая ячейка представляет подоболочку с n и ℓ, заданными ее индексами строки и столбца соответственно. Число в ячейке является положением подоболочки в последовательности. См. периодическую таблицу ниже, организованную по подоболочкам.
_-_electron_orbitals.svg/1280px-ADOMAH_periodic_table_(horizontal)_-_electron_orbitals.svg.png)
Атомное ядро относится к центральной части атома, исключая валентные электроны . [3] Атомное ядро имеет положительный электрический заряд, называемый зарядом ядра , и является эффективным ядерным зарядом, испытываемым внешним электронным слоем . Другими словами, заряд ядра является выражением силы притяжения, испытываемой валентными электронами к ядру атома , которая учитывает экранирующий эффект электронов ядра . Заряд ядра можно рассчитать, взяв число протонов в ядре за вычетом числа электронов ядра, также называемых электронами внутренней оболочки, и всегда является положительным значением в нейтральных атомах.
Масса ядра почти равна массе атома. Атомное ядро с достаточной точностью можно считать сферически симметричным. Радиус ядра по крайней мере в три раза меньше радиуса соответствующего атома (если вычислять радиусы теми же методами). Для тяжелых атомов радиус ядра немного растет с увеличением числа электронов. Радиус ядра самого тяжелого природного элемента — урана — сопоставим с радиусом атома лития, хотя последний имеет всего три электрона.
Химическими методами электроны ядра не могут быть отделены от атома. При ионизации пламенем или ультрафиолетовым излучением атомные ядра, как правило, также остаются нетронутыми.
Заряд ядра — удобный способ объяснения тенденций в периодической таблице. [4] Поскольку заряд ядра увеличивается по мере продвижения по строке периодической таблицы , внешние электроны все сильнее притягиваются к ядру, а радиус атома уменьшается. Это можно использовать для объяснения ряда периодических тенденций, таких как радиус атома, первая энергия ионизации (IE), электроотрицательность и окисление .
Заряд ядра также можно рассчитать как «атомный номер» минус «все электроны, кроме тех, что находятся во внешней оболочке». Например, хлор (элемент 17) с электронной конфигурацией 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 имеет 17 протонов и 10 электронов внутренней оболочки (2 в первой оболочке и 8 во второй), поэтому:
Заряд ядра — это суммарный заряд ядра, при этом завершенные оболочки электронов действуют как «щит». По мере увеличения заряда ядра валентные электроны сильнее притягиваются к ядру, а радиус атома уменьшается по периоду.
Для элементов с высоким атомным числом Z релятивистские эффекты могут наблюдаться для электронов ядра. Скорости электронов ядра s достигают релятивистского импульса, что приводит к сокращению 6s-орбиталей относительно 5d-орбиталей. Физические свойства, на которые влияют эти релятивистские эффекты, включают пониженную температуру плавления ртути и наблюдаемый золотистый цвет золота и цезия из-за сужения энергетической щели. [5] Золото выглядит желтым, потому что оно поглощает синий свет больше, чем другие видимые длины волн света, и поэтому отражает обратно желтый свет.
Основной электрон может быть удален со своего основного уровня при поглощении электромагнитного излучения. Это либо возбудит электрон в пустую валентную оболочку, либо заставит его испускаться как фотоэлектрон из-за фотоэлектрического эффекта . Полученный атом будет иметь пустое пространство в основной электронной оболочке, часто называемое дыркой . Он находится в метастабильном состоянии и распадется в течение 10−15 с , высвобождая избыточную энергию посредством рентгеновской флуоресценции (как характеристического рентгеновского излучения ) или эффекта Оже . [6] Обнаружение энергии, испускаемой валентным электроном, падающим на орбиталь с более низкой энергией, дает полезную информацию об электронных и локальных решеточных структурах материала. Хотя большую часть времени эта энергия высвобождается в форме фотона , энергия также может быть передана другому электрону, который выбрасывается из атома. Этот второй выброшенный электрон называется электроном Оже, и этот процесс электронного перехода с косвенным излучением известен как эффект Оже . [7]
Каждый атом, за исключением водорода, имеет электроны на уровне ядра с четко определенными энергиями связи. Поэтому можно выбрать элемент для зондирования, настроив энергию рентгеновского излучения на соответствующий край поглощения. Спектры испускаемого излучения можно использовать для определения элементного состава материала.
