Efektywny ładunek jądra

Z_eff = Z − S jest użytecznym modelem

W prostym zapisie Z_eff = Z − S, gdzie Z jest rzeczywistym ładunkiem jądra, a S efektywną stałą ekranowania. S nie jest po prostu liczbą elektronów „pomiędzy” jądrem a badanym elektronem; reprezentuje średni efekt rozkładu elektronów i ich wzajemnych oddziaływań.

Z_eff nie jest jedną dokładną własnością całego atomu. Różne orbitale tego samego atomu mogą odczuwać różne efektywne przyciąganie, ponieważ ich gęstości prawdopodobieństwa w różnym stopniu sięgają blisko jądra.

Penetracja zmienia odczuwane przyciąganie

Dla tej samej głównej liczby kwantowej orbitale s penetrują obszar blisko jądra silniej niż p, a te zwykle silniej niż d i f. Elektron, który częściej znajduje się wewnątrz gęstości innych elektronów, jest mniej skutecznie ekranowany i odczuwa większe Z_eff.

Ta różnica pomaga wyjaśnić, dlaczego energie podpowłok w atomie wieloelektronowym nie zależą tylko od n. Penetracja 2s i 2p jest inna, dlatego degeneracja znana z prostego modelu wodoru zostaje zniesiona.

W poprzek okresu Z_eff zwykle rośnie

Przechodząc w prawo przez okres, liczba protonów Z rośnie o jeden dla każdego kolejnego pierwiastka, a elektrony walencyjne trafiają głównie do tej samej powłoki. Elektrony tej samej powłoki ekranują się wzajemnie niepełnie, więc wzrost S nie kompensuje całego wzrostu Z.

Silniejsze efektywne przyciąganie zwykle kurczy orbitale walencyjne, zmniejsza promień atomowy i zwiększa pierwszą energię jonizacji. To mechanizm stojący za trendem, a nie samo hasło „w prawo atomy są mniejsze”.

W dół grupy dochodzi nowa powłoka

Schodząc w dół grupy, rośnie Z, ale pojawiają się również dodatkowe wewnętrzne powłoki. Elektrony walencyjne leżą dalej od jądra i są silniej ekranowane przez elektrony wewnętrzne. Dlatego odległość i ekranowanie często dominują nad samym wzrostem Z.

Dla pierwiastków przejściowych oraz lantanowców sytuacja jest subtelniejsza, ponieważ elektrony d i f ekranują mniej skutecznie. Słabe ekranowanie 4f przyczynia się do kontrakcji lantanowców.

Reguły Slatera są przybliżeniem, nie pomiarem

Reguły Slatera przypisują elektronom proste współczynniki i dają oszacowanie S oraz Z_eff. Są przydatne do porównań jakościowych i ćwiczeń, ale nie zastępują obliczeń funkcji falowej ani eksperymentalnych energii.

Najważniejsza interpretacja jest fizyczna: Z_eff opisuje konkurencję między przyciąganiem jądrowym a ekranowaniem i penetracją. Nie należy traktować go jak ukrytego całkowitego ładunku, który można jednoznacznie przypisać całemu atomowi.

Przykłady rozwiązane

1. Z = 11, S = 8,8

2. Dlaczego 2s i 2p różnią się energią?

3. Trend Li → Ne