コア電子

内核電子は原子内の電子のうち価電子ではなく、化学結合に直接関与しない電子である。^[1]原子の核と内核電子は原子核を形成する。内核電子は原子核にしっかりと結合している。そのため価電子とは異なり、内核電子は原子核の正電荷を価電子から遮蔽することで化学結合や反応において二次的な役割を果たす。^[2]

元素の価電子の数は、元素の周期表のグループによって決定できます（価電子を参照）。

• 主族元素の場合、価電子の数は 1 から 8 個（n s 軌道とn p 軌道）の範囲です。
• 遷移金属の場合、価電子の数は3〜12（n sおよび（n −1）d軌道）の範囲です。
• ランタノイドとアクチノイドの場合、価電子の数は3から16（n s、（n −2）f、（n −1）d軌道）の範囲です。

その元素の原子の価電子以外の他のすべての電子は、中心電子とみなされます。

原子軌道理論では、内殻電子と価電子の違いをより複雑に説明することができます。

電子が 1 つの原子では、軌道のエネルギーは主量子数nによってのみ決定されます。n = 1 の軌道は、原子内で可能な限りエネルギーが低くなります。n が大きいと、エネルギーが非常に高くなり、電子が原子から簡単に脱出できるようになります。単一電子原子では、同じ主量子数を持つすべてのエネルギー レベルは縮退しており、同じエネルギーを持ちます。

複数の電子を持つ原子では、電子のエネルギーは、その電子が存在する軌道の特性だけでなく、他の軌道にある他の電子との相互作用にも依存します。これには、ℓ量子数を考慮する必要があります。ℓの値が高いほど、エネルギーの値も高くなります。たとえば、2p 状態は 2s 状態よりも高くなります。ℓ = 2 の場合、軌道のエネルギーの増加は、軌道のエネルギーを次の高次の殻にある s 軌道のエネルギーよりも上に押し上げるのに十分大きくなります。ℓ = 3 の場合、エネルギーは 2 段階高い殻に押し込まれます。3d 軌道の充填は、4s 軌道が充填されるまで発生しません。

より大きな原子において角運動量が増加するサブシェルのエネルギーが増加するのは、電子間相互作用効果によるもので、特に、角運動量の低い電子が原子核に向かってより効果的に侵入する能力と関係があり、そこでは介在する電子の電荷による遮蔽が少なくなります。したがって、原子番号が大きい原子では、電子のℓがエネルギーの決定要因としてますます重要になり、電子の主量子数n はエネルギー配置においてますます重要ではなくなります。最初の 35 個のサブシェル (1s、2s、2p、3s など) のエネルギー順序を次の表に示します [図示せず]。各セルはサブシェルを表し、nとℓ はそれぞれ行と列のインデックスで示されます。セル内の数字は、シーケンス内のサブシェルの位置です。サブシェル別に整理された下の周期表を参照してください。

原子核とは、価電子を除いた原子の中心部分を指します。 ^[3]原子核は、コア電荷と呼ばれる正の電荷を持ち、外殻電子が受ける有効核電荷です。言い換えれば、コア電荷は、コア電子の遮蔽効果を考慮に入れた、原子核に対する価電子の引力の表現です。コア電荷は、原子核内の陽子の数からコア電子（内殻電子とも呼ばれる）の数を引いて計算でき、中性原子では常に正の値になります。

核の質量は原子の質量とほぼ等しい。原子核は十分な精度で球対称であると考えることができる。核の半径は対応する原子の半径の少なくとも 3 分の 1 である (同じ方法で半径を計算した場合)。重い原子の場合、核の半径は電子の数が増えるにつれてわずかに大きくなる。最も重い天然元素であるウランの核の半径はリチウム原子の半径に匹敵するが、リチウム原子には電子が 3 つしかない。

化学的方法では、原子核の電子を原子から分離することはできません。炎や紫外線によってイオン化されても、原子核は原則としてそのまま残ります。

内殻電荷は周期表の傾向を説明するのに便利な方法です。^[4]周期表の行を移動すると内殻電荷が増加するため、外殻電子はますます強く原子核に引き寄せられ、原子半径は減少します。これを使用して、原子半径、第一イオン化エネルギー（IE）、電気陰性度、酸化など、いくつかの周期的な傾向を説明することができます。

コア電荷は、「原子番号」から「外殻以外のすべての電子」を引いて計算することもできます。たとえば、電子配置が1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ^5の塩素(元素番号 17) には、17 個の陽子と 10 個の内殻電子 (第 1 殻に 2 個、第 2 殻に 8 個) があるため、次のようになります。

コア電荷 = 17 − 10 = +7

コア電荷は、電子の完全な殻が「シールド」として機能するとみなされる原子核の正味電荷です。コア電荷が増加すると、価電子は原子核にさらに強く引き付けられ、周期にわたって 原子半径が減少します。

原子番号Zの大きい元素では、コア電子に対して相対論的効果が観察される。コアs電子の速度は相対論的運動量に達し、5d軌道に対する6s軌道の収縮につながる。これらの相対論的効果の影響を受ける物理的特性には、水銀の融点の低下や、エネルギーギャップの狭まりによる金とセシウムの金色観測などがある。^[5]金が黄色に見えるのは、他の可視光の波長よりも青色光を吸収し、黄色がかった光を反射するためである。

コア電子は、電磁放射の吸収によってコア準位から除去される。これにより、電子は空の価電子殻に励起されるか、光電効果により光電子として放出される。結果として生じる原子は、コア電子殻に空の空間を持つことになる。これはしばしばコアホールと呼ばれる。これは準安定状態にあり、10 ⁻¹⁵秒以内に崩壊し、X線蛍光（特性X線として）またはオージェ効果によって余分なエネルギーを放出する。^[6]価電子がより低いエネルギー軌道に落ちることによって放出されるエネルギーを検出することで、物質の電子構造および局所格子構造に関する有用な情報が得られる。ほとんどの場合、このエネルギーは光子の形で放出されるが、このエネルギーは原子から放出される別の電子に伝達されることもある。この2番目に放出される電子はオージェ電子と呼ばれ、間接的な放射放出を伴うこの電子遷移のプロセスはオージェ効果として知られている。^[7]

水素以外のすべての原子は、明確に定義された結合エネルギーを持つコアレベルの電子を持っています。したがって、X 線エネルギーを適切な吸収端に調整することで、調査する元素を選択できます。放出される放射線のスペクトルを使用して、物質の元素組成を判定できます。

• 原子軌道
• オージェ効果
• ランタニド収縮
• 相対論的量子化学
• シールド効果
• 表面コアレベルシフト
• 価電子