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原子物理学では、多電子原子またはイオン中の電子の有効核電荷は、素電荷の数（電子が原子核から受ける電荷。Z effまたはZ * で表されます。[ 1 ]「有効」という用語が使われるのは、負に帯電した電子の遮蔽効果により、高エネルギー電子が内層の反発効果によって原子核の全電荷を受けることが妨げられるためです。電子が受ける有効核電荷は、コア電荷とも呼ばれます。原子の酸化数によって核電荷の強さを決定することができます。元素の物理的および化学的性質のほとんどは、電子配置に基づいて説明できます。周期表におけるイオン化エネルギーの挙動を考えてみましょう。イオン化ポテンシャルの大きさは、次の要因に依存することが知られています。
周期表において、有効核電荷は族を下るにつれて減少し、周期表の左から右に向かうにつれて増加する。
多電子原子における電子の有効原子番号Zeff（有効核電荷とも呼ばれる）は、内殻電子による遮蔽効果によって、この電子が実際に「見る」陽子の数です。これは、原子内の負電荷を持つ電子と正電荷を持つ陽子の間の静電相互作用の尺度です。原子内の電子は、原子核の外側でエネルギーによって「積み重ねられている」と考えることができます。最もエネルギーの低い電子（1s 電子や 2s 電子など）は原子核に最も近い空間を占め、エネルギーの高い電子は原子核から遠い位置にあります。
電子の結合エネルギー、つまり原子から電子を取り除くのに必要なエネルギーは、負に帯電した電子と正に帯電した原子核との間の静電相互作用の関数です。たとえば、鉄（原子番号 26）では、原子核には 26 個の陽子があります。原子核に最も近い電子は、それらのほとんどすべてを「見る」ことになります。しかし、遠くにある電子は、間に挟まれた他の電子によって原子核から遮蔽され、結果として静電相互作用が弱くなります。鉄の1s 電子（原子核に最も近い電子）は、有効原子番号（陽子の数）が 25 であることを認識します。26 にならない理由は、原子内の一部の電子が他の電子を反発し、結果として原子核との正味の静電相互作用が低くなるためです。この効果をイメージする 1 つの方法は、1s 電子が原子核内の 26 個の陽子の片側に位置し、別の電子が反対側に位置していると想像することです。各電子は、他の電子が反発力を与えるため、26個の陽子の引力よりも弱い引力しか感じません。鉄の4s電子は原子核から最も遠い位置にあり、原子核と電子の間にある25個の電子が電荷を遮蔽するため、実効原子番号はわずか5.43となります。
有効原子番号は、原子核から遠い電子が原子核に近い電子よりもはるかに弱い結合をしている理由を理解するのに役立つだけでなく、他の特性や相互作用を計算する際に簡略化された方法を使用するタイミングを教えてくれるという点でも役立ちます。たとえば、原子番号3のリチウムは、1s殻に2個、2s殻に1個の電子を持っています。2個の1s電子が陽子を遮蔽し、2s電子の有効原子番号を1に近づけるため、この2s価電子を水素様モデルで扱うことができます。
数学的には、有効原子番号Zeffは「自己無撞着場」計算と呼ばれる方法を用いて計算できますが、簡略化された状況では、原子番号から原子核と対象となる電子の間の電子数を引いたものとして扱われます。
電子が1つしかない原子では、その電子は正の原子核の電荷を完全に受ける。この場合、有効核電荷はクーロンの法則によって計算できる。[ 2 ]
しかし、電子が多数存在する原子では、外殻電子は正の原子核に引きつけられると同時に、負の電荷を持つ電子から反発されます。このような電子の実効的な核電荷は、次の式で表されます。 どこ
Sは、様々なルールセットを体系的に適用することによって見つけることができる。
特定の電子の遮蔽定数を決定する最も簡単な方法は、ジョン・C・スレーターによって考案され、1930年に発表された「スレーターの規則」を使用することです。 [ 3 ]これらの代数規則は、ab initio計算を使用して遮蔽定数を見つけるよりもはるかに簡単です。
より理論的に正当化された方法は、ハートリー・フォック法を用いて遮蔽定数を計算することである。ダグラス・ハートリーは、ハートリー・フォック軌道の有効Zを次のように定義した。 どこ
更新された有効核電荷値は、 1963年と1967年にクレメンティらによって提供された。 [ 4 ] [ 5 ]彼らの研究では、SCF計算と一致する有効核電荷値を生成するために遮蔽定数が最適化された。予測モデルとしては有用であるが、結果として得られた遮蔽定数は、原子構造の定性モデルとしての化学的洞察をほとんど含んでいない。
原子核電荷は原子核の電荷であり、原子核内の陽子の数に素電荷を掛けたものに等しい。一方、有効原子核電荷は、原子核陽子が価電子に及ぼす引力的な正電荷であり、遮蔽効果により常に原子核内の陽子の総数よりも小さくなる。[ 6 ]
Wiktionaryにおける「有効核電荷」の辞書定義
