Etkili nükleer çekim

Bir atomun etkin atom numarası Z eff (bazen etkin nükleer yük olarak da adlandırılır), iç kabuk elektronları tarafından taranması nedeniyle elementteki bir elektronun etkin bir şekilde 'gördüğü' proton sayısıdır . Atomdaki negatif yüklü elektronlar ile pozitif yüklü protonlar arasındaki elektrostatik etkileşimin bir ölçüsüdür. Bir atomdaki elektronları, çekirdeğin dışındaki enerji tarafından 'yığılmış' olarak görebiliriz; en düşük enerjili elektronlar (1s ve 2s elektronları gibi) çekirdeğe en yakın alanı işgal eder ve daha yüksek enerjili elektronlar çekirdekten daha uzakta bulunur.

Bir elektronun bağlanma enerjisi veya elektronu atomdan çıkarmak için gereken enerji, negatif yüklü elektronlar ile pozitif yüklü çekirdek arasındaki elektrostatik etkileşimin bir fonksiyonudur. Atom numarası 26 olan demirde, örneğin çekirdek 26 proton içerir. Çekirdeğe en yakın olan elektronlar neredeyse hepsini 'görecek'. Bununla birlikte, daha uzaktaki elektronlar, aradaki diğer elektronlar tarafından çekirdekten taranır ve sonuç olarak daha az elektrostatik etkileşim hissederler. 1s elektronu(çekirdeğe en yakın olan) 25 etkin atom numarası (proton sayısı) görür. Bunun 26 olmamasının nedeni, atomdaki bazı elektronların diğerlerini itmesi ve net bir düşük elektrostatik vermesidir. çekirdek ile etkileşim. Bu etkiyi tasavvur etmenin bir yolu, çekirdekteki 26 protonun bir tarafında 1s elektronunun oturduğunu, diğer tarafında başka bir elektronun oturduğunu hayal etmektir; diğer elektron bir itme kuvvetine katkıda bulunduğundan, her elektron 26 protonun çekici kuvvetinden daha az hissedecektir. Çekirdekten en uzak olan demirdeki 4s elektronları, aralarındaki 25 elektron ve yükü perdeleyen çekirdek nedeniyle sadece 5,43'lük etkin bir atom numarası hissederler.

Etkili atom numaraları, yalnızca çekirdekten uzaktaki elektronların, çekirdeğe daha yakın olanlardan çok daha zayıf bağlı olduklarını anlamada değil, aynı zamanda bize diğer özellikleri ve etkileşimleri hesaplamak için basitleştirilmiş yöntemleri ne zaman kullanmamız gerektiğini söyleyebildikleri için de yararlıdır. Örneğin, atom numarası 3 olan lityumun 1s kabuğunda iki elektronu ve 2s kabuğunda bir elektronu vardır. İki 1s elektronu, 1'e yakın 2s elektronu için etkili bir atom numarası vermek üzere protonları taradığından, bu 2s değerlik elektronunu bir hidrojenik modelle ele alabiliriz.

Matematiksel olarak, etkin atom numarası Z eff, " kendinden tutarlı alan " hesaplamaları olarak bilinen yöntemler kullanılarak hesaplanabilir, ancak basitleştirilmiş durumlarda, atom numarası eksi çekirdek ve ele alınan elektron arasındaki elektron sayısı olarak alınır.

Tek elektronlu bir atomda, bu elektron pozitif çekirdeğin tam yükünü yaşar . Bu durumda etkin nükleer yük Coulomb yasası ile hesaplanabilir .

Belirli bir elektron için koruma sabitini belirlemenin en basit yöntemi, " Slater kurallarının " (John C. Slater'den sonra adlandırılmıştır ) kullanılmasıdır. Bu cebirsel kurallar, ab initio hesaplamasını kullanarak koruma sabitlerini bulmaktan çok daha basittir .

Güncellenmiş etkin nükleer yük değerleri Clementi ve ark. 1963 ve 1967'de.  Çalışmalarında, SCF hesaplamalarıyla uyumlu etkili nükleer yük değerleri üretmek için tarama sabitleri optimize edildi. Öngörücü bir model olarak faydalı olsa da, elde edilen tarama sabitleri, nitel bir atomik yapı modeli olarak çok az kimyasal içgörü içerir.

Nükleer yük, bir atomun çekirdeğinin elektrik yükü olup, çekirdekteki proton sayısı ile temel yükün çarpımına eşittir . Buna karşılık, etkili nükleer yük, değerlik elektronları üzerinde etkili olan nükleer protonların çekici pozitif yüküdür; bu, koruyucu etki nedeniyle çekirdekte bulunan toplam proton sayısından her zaman daha azdır .