هسته اتم و بار الکتریکی
پیش از پرداختن به بار موثر هسته باید به سراغ مدل های اتمی برویم. همه ما می دانیم که در یک اتم معین (هر اتمی) یک هسته و یک یا چند الکترون به دور آن وجود دارد. بار مثبت هسته توسط الکترون هایی که اطراف آن می گردند خنثی شده و در نهایت اتمی بدون بار را می سازد.
در تصویر زیر می توانید تاریخچه مدل های اتمی را به صورت خلاصه شده ببینید.
این که یک اتم دقیقا به چه شکل است، سال های طولانی سوال دانشمندان شیمی و فیزیک بوده و همچنان هم هست. اما امروزه، با روی کار آمدن مکانیک کوانتومی، اهمیت این سوال کم رنگ تر شده و به جای آن مفاهیم مهمتری جایگزین شده اند. اما به طور کلی ما بر اساس آن چه از مکانیک کوانتومی می دانیم؛ یک اتم را نه به صورت یک کره، که به صورت یک تابع موج می شناسیم.
مدل لایه ای که در آن لایه ها و زیر لایه های الکترونی مختلفی وجود دارد؛ ساده ترین تفسیری است که می توانیم از معادلاتمان داشته باشیم. در این مدل، هسته اتم در مرکز و الکترون ها در لایه های مختلف (چیزی شبیه به لایه های پیاز) به دور آن وجود دارند. در اینجا لایه های پیاز در واقع همان چگالی های احتمال وجود الکترون هستند.
جالب است بدانید که ما همچنین تفسیری را نیز درباره هسته داریم و برخی معتقدند که در درون هسته اتم نیز پروتون ها در لایه هایی مشابه حضور دارند و حول یک نقطه مرکزی پیچیده شده اند.در اینجا قصد بررسی این مدل را نداریم و این مطالب صرفا مقدمه ای برای درک بهتر مطلب بود.
آن چه از مجموع چند پاراگراف بالا برای ما اهمیت دارد این است که بدانیم در هر اتمی یک هسته با بار مثبت و تعدادی الکترون در اطراف آن وجود دارد. با دانستن همین یک جمله به سراغ ادامه مطلب بروید.
اثر پوششی الکترون ها
تا اینجا گفتیم که هسته اتم دارای بار مثبت و در مرکز اتم قرار دارد. بار مثبت هسته و بار منفی الکترون ها باعث ایجاد یک نیروی جاذبه الکتریکی می شود که با معادله زیر تعریف می شود.
این معادله رابطه ای بین دو ذره باردار است و ما همچنین می توانیم روابطی بین سه یا حتی تعداد بیشتری از ذرات داشته باشیم که نیروی بین آن ها را نشان دهد. برای این کار، از برآیند گیری بین دو ذره ای ها استفاده می کنیم که به روش جمع آثار معروف است. برای مطالعه بیشتر اینجا کلیک کنید.
بر اساس چیزی که از این روش می دانیم؛ اگر تعداد ذرات زیاد شود؛ نیرویی که به ذره های بعدی وارد می شود؛ کمتر از نیروی بین دو ذره خواهد بود. به نحوی که اگر تعداد ذرات خیلی زیاد شود؛ نیروی وارده به ذرات نهایی بسیار کوچک خواهد بود. برای درک بهتر، به تصویر زیر توجه کنید.
در اتم سمت راست، هسته توسط دو لایه الکترون محاصره شده اما در اتم سمت چپ، همان هسته در محاصره چهار لایه الکترونی است؛ بنابراین می توان نتیجه گرفت که بار مثبتی که از اتم سمت چپ خارج می شود؛ قطعا بیشتر از اتم سمت راستی باشد.
این مقدار بار مثبت که از لایه های الکترونی عبور کرده و از اتم خارج می شود (می تواند توسط ذرات خارج از اتم احساس شود) را تحت عنوان بار موثر هسته می شناسیم و آن را به صورت زیر تعریف می کنیم. در مقاله ای دیگر با استفاده از روش اسلیتر، به محاسبه مقدار بار موثر هسته اتم های مختلف می پردازیم.
بار موثر هسته، مقدار بار مثبتی از هسته است که از سد لایه های الکترونی عبور کرده و می تواند توسط ذرات خارج از اتم دریافت شود.
