
【化】 shielding of nuclear charge
核电荷屏蔽(Nuclear Charge Shielding)是原子物理学和量子化学中的重要概念,指原子中电子之间相互作用导致的有效核电荷降低现象。根据Slater规则和Hartree-Fock理论,内层电子通过库仑斥力对外层电子产生的屏蔽作用可用屏蔽常数(σ)定量描述。其物理本质源于原子内电子云的空间分布特性,使得外层电子实际感受到的核电荷($Z_{eff}=Z-sigma$)小于原子核的真实电荷数Z。
该效应直接影响原子半径、电离能和电子亲和能等周期性参数。例如,在同周期元素中,随着原子序数增加,核电荷屏蔽效率的降低导致原子半径逐渐减小(来源:《高等无机化学》第9版)。在光谱分析领域,核电荷屏蔽效应是解释X射线发射谱线位移的关键因素(来源:IUPAC技术报告2023)。
具体计算中,多电子原子的Schrödinger方程可简化为: $$ hat{H} = sum_{i=1}^n left( -frac{hbar}{2m_e} ablai - frac{Z{eff}e}{4pivarepsilon_0 ri} right) + sum{i<j} frac{e}{4pivarepsilon0 r{ij}} $$ 其中第一项为单电子近似下的哈密顿量,第二项表征电子间相互作用(来源:MIT量子力学公开课程)。
核电荷屏蔽(又称屏蔽效应)是多电子原子中内层电子对外层电子的排斥作用,导致外层电子实际感受到的原子核正电荷吸引力减弱的现象。以下是详细解释:
有效核电荷:在多电子原子中,某一电子实际受到的净正电荷称为有效核电荷(( Z{text{eff}} )),其计算公式为: $$ Z{text{eff}} = Z - sigma $$ 其中,( Z ) 是原子核的真实电荷数(即质子数),( sigma ) 为屏蔽常数,代表其他电子对该电子的屏蔽效应总和。
屏蔽来源:内层电子和同层电子的排斥作用会“抵消”部分原子核的正电荷吸引力。例如,内层电子(如K层电子)对最外层电子的屏蔽效果强于同层电子。
屏蔽效应的定量分析常借助斯莱特规则(Slater's rules)估算σ值。例如,钠原子的最外层电子σ约为8.85,故其有效核电荷为( Z_{text{eff}} = 11 - 8.85 = 2.15 )。
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