Αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο
Το αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο Z_εφ είναι ένας χρήσιμος τρόπος να περιγράψουμε πόσο ισχυρά έλκεται κατά μέσο όρο ένα ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα μέσα σε ένα πολυηλεκτρονικό άτομο. Το πραγματικό πυρηνικό φορτίο είναι +Ze, αλλά άλλα ασπίδα ηλεκτρονίων ένα μέρος της έλξης. Σε απλή μορφή γράφουμε Z_εφ≈Z−S, όπου S είναι σταθερά θωράκισης.
Δεν είναι νέο πραγματικό φορτίο
Ο πυρήνα εξακολουθεί να έχει χρέωση +Ze. Το Z_εφ δεν σημαίνει ότι ο πυρήνας έχασε πρωτόνια· είναι αποτελεσματική παράμετρος για την καθαρή ηλεκτροστατική έλξη που βιώνει ένα συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο.
Διαφορετικά τροχιακά του ίδιου άτομο μπορούν να έχουν διαφορετικό Z_εφ επειδή έχουν διαφορετική διείσδυση και διαφορετική χωρική κατανομή.
Θωράκιση και διείσδυση
Ηλεκτρόνια εσωτερικού κελύφους βρίσκονται συχνά ανάμεσα στον πυρήνα και στα ηλεκτρόνια σθένους και μειώνουν την έλξη. Ασπίδα ηλεκτρονίων ίδιου κελύφους λιγότερο αποτελεσματικά.
Για ίδια κύριο κέλυφος, s τροχιακά διεισδύουν συνήθως πιο κοντά στον πυρήνα από p, d και f. Έτσι ένα ns ηλεκτρόνιο μπορεί να νιώθει μεγαλύτερο Z_εφ από ένα np ηλεκτρόνιο.
Για συνοπτική σύγκριση στην ίδια κύριο κέλυφος, η τυπική σειρά διείσδυση γράφεται s>p>d>f.
Η κακή θωράκιση των 4f ηλεκτρόνια είναι η συγκεκριμένη περίπτωση που συνδέεται με τη συστολή της λανθανίδης.
Αποτέλεσμα
Αποτέλεσμα:
Πορεία μέσα σε περίοδο
Καθώς κινούμαστε αριστερά→δεξιά σε μια περίοδο, το Z αυξάνεται κατά ένα σε κάθε στοιχείο, ενώ τα νέα ηλεκτρόνια σθένους προστίθενται περίπου στην ίδια κέλυφος.
Η θωράκιση δεν αυξάνεται όσο γρήγορα όσο το Z, επομένως το Z_εφ για ηλεκτρόνια σθένους τείνει να αυξάνεται. Αυτό συμβάλλει στη συρρίκνωση του ατομική ακτίνα και στην αύξηση της ενέργεια ιονισμού.
Πορεία προς τα κάτω σε ομάδα
Προς τα κάτω μια ομάδα προστίθενται κατεχόμενα κοχύλια. Το πυρηνικό φορτίο αυξάνεται, αλλά αυξάνονται επίσης απόσταση και θωράκιση.
Γι’ αυτό δεν αρκεί να πούμε «μεγαλύτερο Z σημαίνει πάντα μικρότερο ακτίνα». Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια βρίσκονται σε μεγαλύτερο n και συνήθως το ακτίνα αυξάνεται.
Κανόνες Σλέιτερ και προσεγγίσεις
Οι Κανόνες Σλέιτερ δίνουν ημιεμπειρικό τρόπο εκτίμησης S. Είναι χρήσιμες για τάσεις αλλά δεν είναι ακριβής κβαντικός υπολογισμός.
Σε πραγματική άτομο πολλών ηλεκτρονίων, διαλογή και συσχέτιση ηλεκτρονίων περιγράφονται από τροχιακά και κυματοσυναρτήσεις, όχι από ένα μοναδικό σταθερό S.
d και f ηλεκτρόνια
Τα ηλεκτρόνια d και ιδιαίτερα τα f θωρακίζουν τα εξωτερικά ηλεκτρόνια λιγότερο αποτελεσματικά από όσο θα υπέθετε μια απλή εικόνα που βασίζεται μόνο στον αριθμό των φλοιών.
Η ατελής f θωράκιση συμβάλλει στη συστολή της λανθανίδης: ακτίνες μετά τη σειρά των λανθανίδες είναι μικρότερα από μια αφελή περιοδική παρέκταση.
Σύνδεση με παρατηρήσιμες τάσεις
Μεγαλύτερο Z_εφ συνήθως σημαίνει ισχυρότερη έλξη, μικρότερο χαρακτηριστική ακτίνα και δυσκολότερη απομάκρυνση ηλεκτρόνιο, αλλά πάντα μαζί με κέλυφος και δομή υποκελύφου.
Το Z_εφ είναι ερμηνευτικό εργαλείο. Δεν πρέπει να χρησιμοποιείται ως μοναδική εξήγηση για όλες τις εξαιρέσεις ενέργεια ιονισμού ή συγγένεια ηλεκτρονίων.
Λυμένο παράδειγμα
Απλό μοντέλο
Z=11 και εκτιμώμενο S=8,8.
Λύση
Z_εφ≈2,2.
Σε μια περίοδο
Τι τείνει να συμβαίνει στο Z_εφ των ηλεκτρόνια σθένους;
Λύση
Αυξάνεται.
Διείσδυση
Ποιο διεισδύει περισσότερο στην ίδια κέλυφος, s ή p;
Λύση
Το s τροχιακό.