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有効核電荷の秘密: 外側の電子が完全な核電荷を決して経験しないのはなぜか?
原子物理学において、有効核電荷とは、多電子原子またはイオン内の電子が感じる核電荷の強さを表す概念です。この概念の重要性は、元素の多くの物理的および化学的特性を理解するのに役立つ点にあります。有効核電荷というテーマを深く掘り下げていくと、次のような疑問が湧いてきます。外殻電子はどのようにして核電荷を完全に感じないように保護されているのでしょうか。
有効核電荷は、原子の核電荷から他の内殻電子によって引き起こされる遮蔽効果を差し引いたものです。
多電子原子では、最外殻電子が感じる有効核電荷（通常は記号 Zeff で表される）は、原子核内の実際の陽子数に比べて減少します。これは、電子間に反発力があり、それが外殻電子と原子核の間の静電相互作用に影響を与えるためです。たとえば、鋼鉄（鉄の原子番号は 26）の 1s 電子は、ほぼすべての 26 個の陽子の引力を感じることができますが、最外殻の 4s 電子は約 5.43 の有効核電荷しか感じられません。
多電子原子では、核電荷と有効核電荷の差は、内殻電子の遮蔽効果によるものです。
有効核電荷の最も基本的な計算式は、次のように表すことができます。Zeff = Z - S、ここでZは原子内の陽子の数、Sはスクリーニング定数です。この式は、内側の電子が外側の電子に及ぼす遮蔽効果を明らかにします。このフレームワークを使用すると、スレーターのルールを適用してスクリーニング定数の計算を簡素化できます。スレーターの法則は、各電子の遮蔽効果を推定し、有効核電荷をより正確に計算する簡単な方法を提供します。
スレーターの法則に加えて、より理論的な方法としてハートリー・フォック法があります。この方法では、より複雑な数学的操作が必要になりますが、精度の点ではスレーターの法則よりも優れています。この方法では、遮蔽定数の計算と波動関数の計算を組み合わせることで、計算結果の信頼性が高まります。
原子では、外側の電子は原子核に引きつけられるだけでなく、内側の電子からも反発され、遮蔽効果を形成します。
有効核電荷の概念は、元素の化学的挙動を理解する鍵となります。それだけでなく、有効核電荷は、イオン化エネルギーや化学反応性などの特性の変化を予測し、説明するのに役立ちます。周期表では、有効原子核電荷は上から下に向かって減少しますが、左から右に向かって増加します。これは、内側の電子による外側の電子への遮蔽効果が原子半径の変化に応じて変化するためです。
原子構造に基づいたこの考え方は、科学者が新しい材料を設計するのに役立つだけでなく、化学反応において原子が互いにどのように相互作用するかを理解する上でも役立ちます。では、有効核電荷をより深く理解することで科学を進歩させることは可能でしょうか?
