Carica nucleare efficace

La carica nucleare efficace o semplicemente carica efficace (o carica nucleare effettiva, in simboli $Z_{\mathrm {eff} }$ o Z*) è la carica di cui realmente risente un elettrone in un atomo polielettronico. Si dice "efficace" perché, a causa dell'effetto di schermo degli altri elettroni degli strati più interni (in inglese core), l'elettrone all'ultimo strato non risente totalmente della carica nucleare.

Solo nell'atomo di idrogeno e nell'atomo di elio, gli elettroni (rispettivamente uno per l'idrogeno e due per l'elio), non essendo schermati da elettroni più interni, risentono di una carica efficace equivalente alla carica nucleare. In tutti gli altri atomi, gli elettroni all'ultimo strato risentono invece di una carica efficace calcolabile mediante l'equazione:

Z^{*}=Z-\ S

dove Z* è la notazione usualmente adottata per indicare la carica nucleare efficace, Z è il numero di protoni e S è il numero medio di elettroni (costante di schermo) tra il nucleo e l'elettrone considerato ed è facilmente calcolabile tenendo conto delle regole di Slater.

Una conseguenza della carica effettiva è rappresentata dalla dimensione del raggio atomico, che aumenta al diminuire della Z* poiché gli elettroni più esterni risultano meno attratti dall'interazione coulombiana con il nucleo e possono quindi starne più distanti.

Andamento nella tavola periodica

La carica nucleare efficace (Z*) è una caratteristica di ogni elemento della tavola periodica degli elementi. Essa aumenta lentamente, lungo un gruppo_, dall'alto verso il basso [ Z*(LI)=1,3; Z*(Na)=2,22 ] oppure rimane costante [ Z*(Na)=2,2; Z*(K)=2,2 ] e lungo il periodo aumenta da sinistra a destra (effetto di schermo parziale). La differenza tra effetto schermo completo ed effetto schermo parziale si deduce dalle regole di Slater, che affermano che è minore l'effetto schermante prodotto dagli elettroni appartenenti allo stesso guscio dell'elettrone considerato che quelli posti nei gusci inferiori. Questo, infatti, si ripercuote anche sulle dimensioni del raggio atomico: lungo il periodo diminuisce (aumenta la carica efficace a causa della schermatura parziale), mentre il raggio atomico aumenta lungo i gruppi (la carica efficace aumenta lentamente a causa della schermatura completa ma gli orbitali atomici sono più distanti dal nucleo all'aumentare del numero quantico principale).

Valori

Valori aggiornati delle costanti di schermo sono stati forniti da Clementi et al.^[1]^[2]


2p	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
3s	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
3p	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
3d	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
4p	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	(empty)	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
5p													8.470	9.102	9.995	10.809	11.612	12.425

Note

^ E. Clementi, Raimondi, D. L., Atomic Screening Constants from SCF Functions, in J. Chem. Phys, vol. 38, n. 11, 1963, pp. 2686–2689, Bibcode:1963JChPh..38.2686C, DOI:10.1063/1.1733573.
^ E. Clementi, Raimondi, D. L.; Reinhardt, W. P., Atomic Screening Constants from SCF Functions. II. Atoms with 37 to 86 Electrons, in Journal of Chemical Physics, vol. 47, 1967, pp. 1300–1307, Bibcode:1967JChPh..47.1300C, DOI:10.1063/1.1712084.

Voci correlate

Portale Chimica

Portale Fisica

[1] E. Clementi, Raimondi, D. L., Atomic Screening Constants from SCF Functions, in J. Chem. Phys, vol. 38, n. 11, 1963, pp. 2686–2689, Bibcode:1963JChPh..38.2686C, DOI:10.1063/1.1733573.

[clem67-2] E. Clementi, Raimondi, D. L.; Reinhardt, W. P., Atomic Screening Constants from SCF Functions. II. Atoms with 37 to 86 Electrons, in Journal of Chemical Physics, vol. 47, 1967, pp. 1300–1307, Bibcode:1967JChPh..47.1300C, DOI:10.1063/1.1712084.

[1]

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