Ефективний ядерний заряд
Ефективний ядерний заряд Z_eff описує середнє притягання, яке конкретний електрон відчуває від ядра після врахування екранування іншими електронами. Це модельна величина: справжній заряд ядра залишається +Ze, а Z_eff допомагає зрозуміти багатоелектронну структуру.
Навіщо потрібен Z_eff
У воднеподібному атомі електрон майже безпосередньо відчуває заряд ядра. У багатоелектронному атомі до цього додається електрон-електронне відштовхування. Z_eff стискає складний середній потенціал у корисний параметр для порівняння орбіталей і трендів.
Екранування
Внутрішні електрони частково зменшують притягання зовнішнього електрона до повного +Ze. Але вони не створюють твердої оболонки: електронні густини перекриваються, тому ступінь екранування залежить від просторової форми конкретної орбіталі.
Проникнення орбіталей
s-орбіталі мають значну густину дуже близько до ядра і проникають усередину інших оболонок сильніше, ніж багато p-, d- і f-орбіталей того самого n. Тому два електрони в одній головній оболонці можуть відчувати різний Z_eff.
Тренд у періоді
При русі зліва направо Z зростає, а нові електрони часто додаються до тієї самої головної оболонки. Вони не екранують нові протони повністю, тому ефективне притягання валентних електронів загалом збільшується.
Радіус і іонізація
Більший Z_eff стягує електронну густину до ядра. Це сприяє меншому атомному радіусу і більшій енергії іонізації. Локальні відхилення не скасовують ідею, а показують роль підоболонок, спарювання та конфігурації.
Не одне число для всього атома
1s-електрон і зовнішній p-електрон мають різні радіальні розподіли й різне екранування. Тому Z_eff слід завжди прив’язувати до електрона, орбіталі або конкретної моделі, а не оголошувати єдиною властивістю атома.
Правила Слейтера
Емпіричні правила Слейтера дають швидкі оцінки екранування. Вони корисні для навчання й порядку величин, але точні енергії потребують квантово-хімічного розрахунку, де електронна густина визначається самосумісно.
Межі моделі
У важких атомах важливі релятивістські ефекти, кореляція й близькі за енергією підоболонки. Z_eff залишається добрим пояснювальним інструментом, але не повинен замінювати повну картину там, де експеримент вимагає більшої точності.
Порівняння із реальними вимірюваннями
Зростання Z_eff не спостерігають як окремий приладовий показ, але його наслідки вимірюються безпосередньо: змінюються атомні радіуси, енергії іонізації, фотоелектронні спектри й положення рентгенівських ліній. Якщо модель Z_eff передбачає сильніше зв’язування, експеримент повинен показати відповідний енергетичний зсув. Таким чином, ефективний заряд корисний саме тому, що пов’язує абстрактний потенціал із кількома незалежними спостереженнями.
Вправа
Чому Z_eff зазвичай зростає вздовж періоду?
Розв’язання
Кількість протонів збільшується, тоді як електрони тієї самої оболонки екранують додатковий заряд лише частково.