Tehollinen ydinvaraus
Tehollinen ydinvaraus Z_eff kuvaa mallissa sitä keskimääräistä vetovoimaa, jonka tietty elektroni kokee ytimestä muiden elektronien varjostuksen jälkeen. Ytimen todellinen varaus on edelleen +Ze; Z_eff ei ole uusi fyysinen varaus vaan tapa tiivistää monielektronisen atomin vaikutuksia.
Miksi Z_eff tarvitaan
Vedyn yhden elektronin ongelma on yksinkertainen, mutta monielektronisessa atomissa elektroni tuntee sekä ytimen vetovoiman että muiden elektronien hylkimisen. Z_eff antaa intuitiivisen tavan yhdistää nämä vaikutukset periodisiin trendeihin.
Varjostus
Sisäelektronit pienentävät ulkoelektronin kokemaa nettovetovoimaa, mutta ne eivät muodosta kovaa kuorta. Elektronitiheydet menevät päällekkäin ja jokaisen orbitaalin radiaalinen jakauma vaikuttaa siihen, kuinka paljon varjostusta se kokee.
Tunkeutuminen
s-orbitaaleilla on elektronitiheyttä hyvin lähellä ydintä ja ne tunkeutuvat sisäkuorien alueelle paremmin kuin monet p-, d- tai f-orbitaalit samalla n:llä. Siksi saman pääkuoren elektronit voivat kokea eri Z_eff:n.
Jakson suunta
Vasemmalta oikealle protonien määrä kasvaa ja uudet elektronit tulevat usein samaan pääkuoreen. Ne eivät varjosta lisäprotonien vaikutusta täydellisesti, joten valenssielektronien Z_eff tavallisesti kasvaa.
Säde ja ionisaatio
Suurempi Z_eff vetää elektronitiheyttä lähemmäs ydintä ja liittyy pienempään säteeseen ja suurempaan ionisaatioenergiaan. Paikalliset poikkeamat syntyvät alakuorista, parittumisesta ja konfiguraation yksityiskohdista.
Ei yhtä arvoa koko atomille
Sisäinen 1s-elektroni ja ulompi p-elektroni eivät koe samaa ympäristöä. Siksi Z_eff on aina sidottava tiettyyn elektroniin, orbitaaliin tai laskentamalliin eikä sitä pidä antaa atomille yhtenä yleislukuna.
Slaterin säännöt
Empiiriset varjostussäännöt antavat nopeita arvioita Z_eff:stä. Ne ovat hyödyllisiä trendien ymmärtämiseen mutta tarkat energiat vaativat kvanttimekaanisen, itsejohdonmukaisen elektronirakennelaskun.
Mallin rajat
Raskaissa atomeissa relativistiset ilmiöt, lähekkäiset alakuoret ja elektronikorrelatio voivat olla tärkeitä. Z_eff antaa silloin edelleen hyvän lähtökuvan, mutta kaikkia yksityiskohtia ei pidä pakottaa sen selitettäväksi.
Miten Z_eff näkyy kokeessa?
Tehollista ydinvarausta ei lueta suoraan mittarista, mutta sen seurauksia mitataan jatkuvasti. Atomisäde, ionisaatioenergia, röntgenviivojen paikat ja fotoelektronien sitoutumisenergiat reagoivat muuttuvaan efektiiviseen vetovoimaan. Hyvä malli on vahva juuri silloin, kun useat riippumattomat havainnot tukevat samaa tulkintaa.
Miksi Z_eff yleensä kasvaa jakson vasemmalta oikealle?
Protonien määrä kasvaa, mutta samaan pääkuoreen tulevat elektronit eivät varjosta lisäydinvarausta yhtä tehokkaasti kuin sisäkuoret.
Harjoitus
Ratkaisu