Efektivni jedrski naboj
Jedro vsebuje Z protonov, vendar elektron v večelektronskem atomu ne občuti polnega naboja +Ze, kot da drugih elektronov ne bi bilo. Efektivni jedrski naboj opisuje rezultantno privlačnost po upoštevanju elektronskega zasenčenja in penetracije orbitale.
Z_eff = Z − S je uporaben model
V preprostem zapisu Z_eff = Z − S, kjer je Z pravi naboj jedra, S pa efektivna konstanta zasenčenja. S ni preprosto število elektronov „med“ jedrom in izbranim elektronom; predstavlja povprečen učinek elektronske porazdelitve in medsebojnih interakcij.
Z_eff ni eno samo natančno število za celoten atom. Različne orbitale istega atoma lahko občutijo različno efektivno privlačnost, ker njihove verjetnostne gostote različno globoko prodirajo proti jedru.
Penetracija spremeni občuteno privlačnost
Pri istem glavnem kvantnem številu orbitale s bolj prodirajo blizu jedra kot p, te navadno bolj kot d in f. Elektron, ki se pogosteje nahaja znotraj gostote drugih elektronov, je manj učinkovito zasenčen in občuti večji Z_eff.
Ta razlika pomaga pojasniti, zakaj energije podlupin v večelektronskem atomu niso odvisne le od n. Penetracija 2s in 2p je različna, zato degeneracija preprostega vodikovega modela izgine.
Model Z_eff = Z − S
Po periodi Z_eff navadno narašča
Ko se po periodi pomikamo desno, Z z vsakim elementom naraste za en proton, valenčni elektroni pa pretežno vstopajo v isto glavno lupino. Elektroni iste lupine se medsebojno zasenčijo nepopolno, zato rast S ne izniči celotnega povečanja Z.
Močnejša efektivna privlačnost navadno skrči valenčne orbitale, zmanjša atomski polmer in poveča prvo ionizacijsko energijo. To je fizikalni mehanizem trenda in ne zgolj pravilo za pomnjenje.
Po skupini navzdol se doda nova lupina
Navzdol po skupini Z narašča, hkrati pa se dodajajo notranje lupine. Valenčni elektroni so dlje od jedra in bolj zasenčeni z notranjimi elektroni. Razdalja in zasenčenje zato pogosto prevladata nad samim povečanjem Z.
Pri prehodnih elementih in lantanoidih je slika bolj prefinjena, saj elektroni d in f zasenčijo manj učinkovito. Slabo zasenčenje 4f prispeva k lantanoidni kontrakciji.
Slaterjeva pravila so približek
Slaterjeva pravila elektronom pripišejo preproste koeficiente in dajo oceno S ter Z_eff. Uporabna so za kvalitativne primerjave in učne račune, ne nadomestijo pa izračuna valovne funkcije ali eksperimentalnih energij.
Ključna je fizikalna interpretacija: Z_eff opisuje tekmovanje jedrske privlačnosti z zasenčenjem in penetracijo. Ni skriti celotni naboj atoma z eno natančno univerzalno vrednostjo.
Rešeni primeri
1. Z = 11, S = 8,8
Rešitev
Preprosti model da Z_eff = 11 − 8,8 = 2,2. To je model za določen elektron, ne naboj celotnega atoma.
2. Zakaj se 2s in 2p razlikujeta?
Rešitev
2s bolj prodira k jedru, zato navadno občuti močnejšo efektivno privlačnost kot 2p.
3. Trend Li → Ne
Rešitev
Z narašča znotraj iste valenčne lupine, zasenčenje v njej pa je nepopolno. Z_eff zato na splošno narašča po periodi.