有效核电荷

在原子物理学中，有效核电荷是多电子原子中电子所经历的正（核）电荷的实际量。 使用术语有效是因为带负电的电子的屏蔽作用由于内层的排斥作用而阻止高能电子经历原子核的全部核电荷。 电子经历的有效核电荷也称为核心电荷。 可以通过原子的氧化数来确定核电荷的强度。 元素的大部分物理和化学性质都可以根据电子组态来解释。 考虑元素周期表中电离能的行为。 众所周知，电离势的大小取决于以下因素：

• 原子大小；
• 核电荷；
• 内壳的屏蔽效果，以及
• 最外层电子渗透到由位于内部的电子建立的电荷云中的程度。

在元素周期表中，有效核电荷在一个周期内向下减少并从左到右增加。

原子的有效原子序数 Zeff（有时称为有效核电荷）是元素中电子由于被内壳电子屏蔽而有效“看到”的质子数。 它是原子中带负电的电子和带正电的质子之间静电相互作用的量度。 人们可以将原子中的电子视为被原子核外的能量“堆叠”； 能量最低的电子（如 1s 和 2s 电子）占据离原子核最近的空间，而能量较高的电子则位于离原子核较远的位置。

电子的结合能，或从原子中去除电子所需的能量，是带负电的电子和带正电的原子核之间静电相互作用的函数。 例如，在铁（原子序数 26）中，原子核包含 26 个质子。 离原子核最近的电子将“看到”几乎所有的原子核。 然而，距离较远的电子会被中间的其他电子从原子核中屏蔽掉，因此感受到较少的静电相互作用。 铁的第 1 个电子（离原子核最近的一个）的有效原子序数（质子数）为 25。它不是 26 的原因是原子中的一些电子最终会排斥其他电子，给出一个 与原子核的净较低的静电相互作用。 设想这种效应的一种方法是想象 1s 电子位于原子核中 26 个质子的一侧，另一个电子位于另一侧； 每个电子都会感觉到小于 26 个质子的吸引力，因为另一个电子贡献了排斥力。 铁中距离原子核最远的 4s 电子感觉有效原子序数仅为 5.43，因为它与原子核之间有 25 个电子屏蔽电荷。

有效原子序数不仅有助于理解为什么远离原子核的电子比靠近原子核的电子束缚弱得多，而且因为它们可以告诉我们何时使用简化的方法来计算其他属性和相互作用。 例如，原子序数为 3 的锂在 1s 壳层中有两个电子，在 2s 壳层中有一个电子。 因为两个 1s 电子屏蔽质子，使 2s 电子的有效原子序数接近 1，我们可以用氢模型处理这个 2s 价电子。

在数学上，有效原子序数 Zeff 可以使用称为自洽场计算的方法计算，但在简化情况下，它只是原子序数减去原子核与所考虑电子之间的电子数。

在具有一个电子的原子中，该电子经历正核的全部电荷。 在这种情况下，有效核电荷可以通过库仑定律计算。

然而，在具有许多电子的原子中，外层电子同时被正核吸引并被带负电的电子排斥。

• Z 是原子核中的质子数（原子序数），
• S 是屏蔽常数。

S可以通过各种规则集的系统应用找到。

确定给定电子的屏蔽常数的最简单方法是使用 Slater 规则（以 John C. Slater 命名）。 这些代数规则比使用从头计算寻找屏蔽常数要简单得多。