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Le secret de la charge nucléaire efficace : pourquoi les électrons externes ne connaissent-ils jamais la charge nucléaire complète ?
En physique atomique, la charge nucléaire effective est un concept qui décrit la force de la charge nucléaire ressentie par un électron dans un atome ou un ion multiélectronique. L’importance de ce concept réside dans sa capacité à nous aider à comprendre de nombreuses propriétés physiques et chimiques des éléments. À mesure que nous approfondissons le sujet de la charge nucléaire effective, nous ne pouvons nous empêcher de nous demander : comment exactement les électrons externes sont-ils protégés de la pleine sensation de la charge nucléaire ?
La charge nucléaire effective est la charge nucléaire de l'atome moins l'effet de blindage causé par d'autres électrons de la couche interne.
Dans un atome multiélectronique, la charge nucléaire effective ressentie par les électrons les plus externes (généralement représentés par le symbole Zeff) est réduite par rapport au nombre réel de protons dans le noyau. Cela est dû à une répulsion entre les électrons, ce qui affecte l’interaction électrostatique entre les électrons externes et le noyau. Par exemple, un électron 1s dans l'acier (le fer a un numéro atomique 26) peut ressentir l'attraction de presque tous les 26 protons, mais un électron 4s dans la couche la plus externe ne peut ressentir qu'une charge nucléaire effective d'environ 5,43.
Dans les atomes multiélectroniques, la différence entre la charge nucléaire et la charge nucléaire effective est due à l'effet d'écran des électrons de la couche interne.
La formule de calcul la plus basique pour la charge nucléaire effective peut être exprimée comme suit : Zeff = Z - S, où Z est le nombre de protons dans l'atome et S est la constante de filtrage. Cette formule révèle l’effet de blindage des électrons internes sur les électrons externes. En utilisant ce cadre, nous pouvons appliquer les règles de Slater pour simplifier le calcul de la constante de filtrage. La règle de Slater fournit un moyen simple d’estimer l’effet d’écrantage de chaque électron et donc de calculer la charge nucléaire effective avec plus de précision.
En plus de la règle de Slater, une autre méthode plus théorique est la méthode Hartree-Fock, qui nécessite des opérations mathématiques plus compliquées mais est meilleure que la règle de Slater en termes de précision. Cette méthode combine le calcul de la constante de blindage avec la fonction d'onde, ce qui rend les résultats de calcul plus fiables.
Dans un atome, les électrons externes ne sont pas seulement attirés par le noyau, mais également repoussés par les électrons internes, ce qui forme un effet de blindage.
Le concept de charge nucléaire effective est essentiel pour comprendre le comportement chimique des éléments. De plus, la charge nucléaire effective nous aide à prédire et à expliquer les changements de propriétés telles que l’énergie d’ionisation et la réactivité chimique. Dans le tableau périodique, la charge nucléaire effective diminue de haut en bas, mais augmente de gauche à droite. Cela est dû au fait que l'effet de protection des électrons internes sur les électrons externes change avec le changement du rayon atomique.
Cette façon de penser basée sur la structure atomique aide non seulement les scientifiques à concevoir de nouveaux matériaux, mais nous guide également pour comprendre comment les atomes interagissent les uns avec les autres dans les réactions chimiques. Alors, est-il possible de faire progresser la science grâce à une compréhension plus approfondie de la charge nucléaire effective ?
