الشحنة النووية الفعالة

في الفيزياء الذرية ، الشحنة النووية الفعالة للإلكترون في ذرة أو أيون متعدد الإلكترونات هي عدد الشحنات الأولية ( $e$ الشحنة النووية الفعالة التي يتعرض لها الإلكترون عند اصطدامه بالنواة. ويُرمز لها بـ Z _{<sub>eff</sub>} أو Z*. ^{[ 1 ]} يُستخدم مصطلح "فعالة" لأن تأثير حجب الإلكترونات سالبة الشحنة يمنع الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى من التعرض للشحنة النووية الكاملة للنواة بسبب تأثير التنافر في الطبقة الداخلية. تُسمى الشحنة النووية الفعالة التي يتعرض لها الإلكترون أيضًا بشحنة النواة. من الممكن تحديد قوة الشحنة النووية من خلال عدد تأكسد الذرة. يمكن تفسير معظم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعناصر بناءً على التوزيع الإلكتروني. لننظر إلى سلوك طاقات التأين في الجدول الدوري . من المعروف أن مقدار جهد التأين يعتمد على العوامل التالية:

حجم الذرة
الشحنة النووية؛ عدد التأكسد
تأثير الحجب للأغلفة الداخلية
مدى اختراق الإلكترون الخارجي لسحابة الشحنة التي أنشأها الإلكترون الداخلي

في الجدول الدوري، تتناقص الشحنة النووية الفعالة إلى أسفل المجموعة وتزداد من اليسار إلى اليمين عبر الدورة.

وصف

العدد الذري الفعال Z _eff (ويُشار إليه أحيانًا بالشحنة النووية الفعالة) للإلكترون في ذرة متعددة الإلكترونات هو عدد البروتونات التي يراها هذا الإلكترون فعليًا نتيجةً للحجب بواسطة إلكترونات الغلاف الداخلي . وهو مقياس للتفاعل الكهروستاتيكي بين الإلكترونات سالبة الشحنة والبروتونات موجبة الشحنة في الذرة. يمكن تصور الإلكترونات في الذرة على أنها "متراصة" حسب الطاقة خارج النواة؛ فالإلكترونات ذات الطاقة الأدنى (مثل إلكترونات 1s و2s) تشغل الحيز الأقرب إلى النواة، بينما تقع الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى على مسافة أبعد من النواة.

طاقة ربط الإلكترون، أو الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من الذرة، هي دالة للتفاعل الكهروستاتيكي بين الإلكترونات سالبة الشحنة والنواة موجبة الشحنة. على سبيل المثال، في الحديد (العدد الذري 26)، تحتوي النواة على 26 بروتونًا. الإلكترونات الأقرب إلى النواة "ترى" جميع البروتونات تقريبًا. أما الإلكترونات الأبعد، فتُحجب عن النواة بواسطة إلكترونات أخرى بينها، وبالتالي تشعر بتفاعل كهروستاتيكي أقل. يرى إلكترون 1s في الحديد (الأقرب إلى النواة) عددًا ذريًا فعالًا (عدد بروتونات) يساوي 25. والسبب في عدم كونه 26 هو أن بعض الإلكترونات في الذرة تتنافر مع الإلكترونات الأخرى، مما يُقلل التفاعل الكهروستاتيكي الكلي مع النواة. إحدى طرق تصور هذا التأثير هي تخيل إلكترون 1s على أحد جانبي البروتونات الـ 26 في النواة، مع وجود إلكترون آخر على الجانب الآخر. سيشعر كل إلكترون بقوة جذب أقل من قوة جذب 26 بروتونًا، لأن الإلكترونات الأخرى تساهم بقوة تنافر. إلكترونات 4s في الحديد، وهي الأبعد عن النواة، تشعر بعدد ذري فعال يبلغ 5.43 فقط، وذلك بسبب وجود 25 إلكترونًا بينها وبين النواة تحجب الشحنة.

لا تقتصر فائدة الأعداد الذرية الفعالة على فهم سبب ضعف ارتباط الإلكترونات الأبعد عن النواة مقارنةً بالإلكترونات الأقرب إليها، بل تتعداها إلى تحديد متى نستخدم طرقًا مبسطة لحساب الخصائص والتفاعلات الأخرى. على سبيل المثال، يحتوي الليثيوم ، ذو العدد الذري 3، على إلكترونين في الغلاف 1s وإلكترون واحد في الغلاف 2s. ولأن إلكتروني 1s يحجبان البروتونات، مما يجعل العدد الذري الفعال لإلكترون 2s قريبًا من 1، يمكننا التعامل مع إلكترون التكافؤ 2s هذا باستخدام نموذج هيدروجيني.

رياضياً، يمكن حساب العدد الذري الفعال Z _{eff باستخدام طرق تُعرف باسم حسابات "}المجال المتسق ذاتياً "، ولكن في الحالات المبسطة يتم اعتباره ببساطة العدد الذري مطروحاً منه عدد الإلكترونات بين النواة والإلكترون قيد الدراسة.

الحسابات

في الذرة التي تحتوي على إلكترون واحد، يتعرض هذا الإلكترون لشحنة النواة الموجبة كاملة . في هذه الحالة، يمكن حساب الشحنة النووية الفعالة باستخدام قانون كولوم . ^{[ 2 ]}

مع ذلك، في الذرة التي تحتوي على العديد من الإلكترونات، تنجذب الإلكترونات الخارجية في آنٍ واحد إلى النواة الموجبة الشحنة وتتنافر مع الإلكترونات سالبة الشحنة. تُعطى الشحنة النووية الفعالة على هذا الإلكترون بالمعادلة التالية: $Z_{\mathrm {eff} }=ZS$ أين

$Z$ يمثل عدد البروتونات في النواة ( العدد الذري ) و
$S$ هو ثابت الحماية.

يمكن إيجاد S من خلال التطبيق المنهجي لمجموعات القواعد المختلفة.

قواعد سلاتر

أبسط طريقة لتحديد ثابت الحجب لإلكترون معين هي استخدام " قواعد سلاتر "، التي وضعها جون سي. سلاتر ، ونُشرت في عام 1930. ^{[ 3 ]} هذه القواعد الجبرية أبسط بكثير من إيجاد ثوابت الحجب باستخدام حسابات ab initio .

طريقة هارتري-فوك

تتمثل الطريقة الأكثر تبريراً من الناحية النظرية في حساب ثابت الحجب باستخدام طريقة هارتري-فوك . وقد عرّف دوغلاس هارتري قيمة Z الفعالة لمدار هارتري-فوك على النحو التالي: $Z_{\mathrm {eff} }={\frac {\langle r\rangle _{\rm {H}}}{\langle r\rangle _{Z}}}$ أين

$\langle r\rangle _{\rm {H}}$ يمثل متوسط نصف قطر المدار للهيدروجين ، و
$\langle r\rangle _{Z}$ يمثل متوسط نصف قطر المدار لتكوين البروتون ذي الشحنة النووية Z.

قيم

قدّم كليمنتي وآخرون قيمًا مُحدّثة للشحنة النووية الفعّالة في عامي 1963 و1967 . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} في عملهم، جرى تحسين ثوابت الحجب لإنتاج قيم للشحنة النووية الفعّالة تتوافق مع حسابات SCF. على الرغم من فائدتها كنموذج تنبؤي، فإن ثوابت الحجب الناتجة لا تُقدّم سوى القليل من الفهم الكيميائي كنموذج نوعي للبنية الذرية.

**الشحنات النووية الفعالة**
	ح																	هو
Z	1																	2
1 ثانية	1.000																	1.688
	لي	يكون											ب	ج	شمال	يا	F	ني
Z	3	4											5	6	7	8	9	10
1 ثانية	2.691	3.685											4.680	5.673	6.665	7.658	8.650	9.642
2s	1.279	1.912											2.576	3.217	3.847	4.492	5.128	5.758
2 بنس													2.421	3.136	3.834	4.453	5.100	5.758
	نا	المغنيسيوم											ال	نعم	P	S	Cl	أر
Z	11	12											13	14	15	16	17	18
1 ثانية	10.626	11.609											12.591	13.575	14.558	15.541	16.524	17.508
2s	6.571	7.392											8.214	9.020	9.825	10.629	11.430	12.230
2 بنس	6.802	7.826											8.963	9.945	10.961	11.977	12.993	14.008
3 ثوانٍ	2.507	3.308											4.117	4.903	5.642	6.367	7.068	7.757
3 بنسات													4.066	4.285	4.886	5.482	6.116	6.764
	ك	كاليفورنيا	العلوم	تي	V	Cr	المنغنيز	Fe	شركة	ني	النحاس	الزنك	جا	جي	مثل	سي	بر	كر
Z	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36
1 ثانية	18.490	19.473	20.457	21.441	22.426	23.414	24.396	25.381	26.367	27.353	28.339	29.325	30.309	31.294	32.278	33.262	34.247	35.232
2s	13.006	13.776	14.574	15.377	16.181	16.984	17.794	18.599	19.405	20.213	21.020	21.828	22.599	23.365	24.127	24.888	25.643	26.398
2 بنس	15.027	16.041	17.055	18.065	19.073	20.075	21.084	22.089	23.092	24.095	25.097	26.098	27.091	28.082	29.074	30.065	31.056	32.047
3 ثوانٍ	8.680	9.602	10.340	11.033	11.709	12.368	13.018	13.676	14.322	14.961	15.594	16.219	16.996	17.790	18.596	19.403	20.219	21.033
3 بنسات	7.726	8.658	9.406	10.104	10.785	11.466	12.109	12.778	13.435	14.085	14.731	15.369	16.204	17.014	17.850	18.705	19.571	20.434
4s	3.495	4.398	4.632	4.817	4.981	5.133	5.283	5.434	5.576	5.711	5.842	5.965	7.067	8.044	8.944	9.758	10.553	11.316
ثلاثي الأبعاد			7.120	8.141	8.983	9.757	10.528	11.180	11.855	12.530	13.201	13.878	15.093	16.251	17.378	18.477	19.559	20.626
4 بنسات													6.222	6.780	7.449	8.287	9.028	9.338
	Rb	كبير	Y	زركونيوم	ملاحظة	شهر	Tc	رو	Rh	Pd	الزراعة	قرص مضغوط	في	سن	Sb	تي	أنا	زينون
Z	37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	51	52	53	54
1 ثانية	36.208	37.191	38.176	39.159	40.142	41.126	42.109	43.092	44.076	45.059	46.042	47.026	48.010	48.992	49.974	50.957	51.939	52.922
2s	27.157	27.902	28.622	29.374	30.125	30.877	31.628	32.380	33.155	33.883	34.634	35.386	36.124	36.859	37.595	38.331	39.067	39.803
2 بنس	33.039	34.030	35.003	35.993	36.982	37.972	38.941	39.951	40.940	41.930	42.919	43.909	44.898	45.885	46.873	47.860	48.847	49.835
3 ثوانٍ	21.843	22.664	23.552	24.362	25.172	25.982	26.792	27.601	28.439	29.221	30.031	30.841	31.631	32.420	33.209	33.998	34.787	35.576
3 بنسات	21.303	22.168	23.093	23.846	24.616	25.474	26.384	27.221	28.154	29.020	29.809	30.692	31.521	32.353	33.184	34.009	34.841	35.668
4s	12.388	13.444	14.264	14.902	15.283	16.096	17.198	17.656	18.582	18.986	19.865	20.869	21.761	22.658	23.544	24.408	25.297	26.173
ثلاثي الأبعاد	21.679	22.726	25.397	25.567	26.247	27.228	28.353	29.359	30.405	31.451	32.540	33.607	34.678	35.742	36.800	37.839	38.901	39.947
4 بنسات	10.881	11.932	12.746	13.460	14.084	14.977	15.811	16.435	17.140	17.723	18.562	19.411	20.369	21.265	22.181	23.122	24.030	24.957
5s	4.985	6.071	6.256	6.446	5.921	6.106	7.227	6.485	6.640	(فارغ)	6.756	8.192	9.512	10.629	11.617	12.538	13.404	14.218
4d			15.958	13.072	11.238	11.392	12.882	12.813	13.442	13.618	14.763	15.877	16.942	17.970	18.974	19.960	20.934	21.893
5 بنسات													8.470	9.102	9.995	10.809	11.612	12.425

مقارنة بالشحنة النووية

الشحنة النووية هي الشحنة الكهربائية لنواة الذرة، وتساوي عدد البروتونات في النواة مضروبًا في الشحنة الأولية . في المقابل، فإن الشحنة النووية الفعالة هي الشحنة الموجبة الجاذبة للبروتونات النووية التي تؤثر على إلكترونات التكافؤ، وهي دائمًا أقل من العدد الإجمالي للبروتونات الموجودة في النواة بسبب تأثير الحجب . ^{[ 6 ]}

انظر أيضاً

مراجع

↑ "الشحنة النووية الفعالة" . www.hellenicaworld.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 نوفمبر 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 فبراير 2026 .
↑ هوراي، بول ج. معادلات ماكسويل . هوبوكين، نيو جيرسي: وايلي. ISBN 978-0-470-54991-9. OCLC 739118459 .
↑ سلاتر، ج. س. (1930). "ثوابت الحجب الذري" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء ، 36 (1): 57-64 . رمز Bibcode : 1930PhRv...36...57S . doi : 10.1103/PhysRev.36.57 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 23 مارس 2012.
↑ كليمنتي، إي.؛ رايموندي، دي إل (1963). "ثوابت الحجب الذري من دوال SCF". مجلة الفيزياء الكيميائية . 38 (11): 2686-2689 . Bibcode : 1963JChPh..38.2686C . doi : 10.1063/1.1733573 .
↑ كليمنتي، إي.؛ رايموندي، دي إل؛ راينهارت، دبليو بي (1967). "ثوابت الحجب الذري من دوال SCF. الجزء الثاني: الذرات التي تحتوي على 37 إلى 86 إلكترونًا". مجلة الفيزياء الكيميائية . 47 (4): 1300-1307 . Bibcode : 1967JChPh..47.1300C . doi : 10.1063/1.1712084 .
↑ "الشحنة النووية الفعالة - التعريف والاتجاهات - ويكي جامعة كولومبيا البريطانية" .

للمزيد من القراءة

2.5: الشحنة النووية الفعالة . نصوص الكيمياء الحرة .
براون، ثيودور؛ انتخاب خان، هـ. إي؛ وبورستن، بروس (2002). الكيمياء: العلم المركزي (الطبعة الثامنة المنقحة). أبر سادل ريفر، نيو جيرسي 07458: برنتيس هول. ISBN 0-13-061142-5.

روابط خارجية

تعريف مصطلح " الشحنة النووية الفعالة" في قاموس ويكشنري

[1] "الشحنة النووية الفعالة" . www.hellenicaworld.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 نوفمبر 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 فبراير 2026 .

[2] هوراي، بول ج. معادلات ماكسويل . هوبوكين، نيو جيرسي: وايلي. ISBN 978-0-470-54991-9. OCLC 739118459 .

[3] سلاتر، ج. س. (1930). "ثوابت الحجب الذري" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء ، 36 (1): 57-64 . رمز Bibcode : 1930PhRv...36...57S . doi : 10.1103/PhysRev.36.57 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 23 مارس 2012.

[4] كليمنتي، إي.؛ رايموندي، دي إل (1963). "ثوابت الحجب الذري من دوال SCF". مجلة الفيزياء الكيميائية . 38 (11): 2686-2689 . Bibcode : 1963JChPh..38.2686C . doi : 10.1063/1.1733573 .

[clem67-5] كليمنتي، إي.؛ رايموندي، دي إل؛ راينهارت، دبليو بي (1967). "ثوابت الحجب الذري من دوال SCF. الجزء الثاني: الذرات التي تحتوي على 37 إلى 86 إلكترونًا". مجلة الفيزياء الكيميائية . 47 (4): 1300-1307 . Bibcode : 1967JChPh..47.1300C . doi : 10.1063/1.1712084 .

[6] "الشحنة النووية الفعالة - التعريف والاتجاهات - ويكي جامعة كولومبيا البريطانية" .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗