ปรากฎการณ์เกราะกำบัง

ในเคมี ปรากฏการณ์เกราะกำบัง บางครั้งเรียกว่า การกำบังเชิงอะตอม หรือ การกำบังของอิเล็กตรอน อธิบายถึงแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียส ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว ผลกระทบของเกราะกำบังสามารถกำหนดได้ว่าเป็นการลดลงของประจุของนิวเคลียสยังผลบนกลุ่มอิเล็กตรอน เนื่องมาจากความแตกต่างของแรงดึงดูดที่มีต่ออิเล็กตรอนในอะตอม เป็นกรณีพิเศษของการบดบังสนามไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้ยังสำคัญในงานต่าง ๆ ในสาขาวัสดุศาสตร์ด้วย

ความแรงต่อระดับชั้นอิเล็กตรอนหรือออร์บิทัล

ยิ่งระดับชั้นอิเล็กตรอนในปริภูมิกว้างเท่าไร ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสก็จะอ่อนลงเนื่องจากการบดบัง นอกจากนี้ เนื่องจากความแตกต่างในการแทรกซึมออร์บิทัล เราสามารถจัดลำดับความแรงของการบดบัง (S) ที่อิเล็กตรอนในออร์บิทัล (s, p, d หรือ f) ส่งผลให้กับอิเล็กตรอนที่เหลือ ดังนี้ $$S(\mathrm {s} )>S(\mathrm {p} )>S(\mathrm {d} )>S(\mathrm {f} ).$$

คำอธิบาย

ในไฮโดรเจน หรืออะตอมอื่น ๆ ในหมู่ 1A ของตารางธาตุ (อะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว) แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนจะมีค่าเท่ากับ แรงดึงดูดแม่เหล็กไฟฟ้าจากนิวเคลียสของอะตอม แต่เมื่อมีอิเล็กตรอนมากขึ้น อิเล็กตรอนแต่ละตัว (ในชั้นที่ n) จะไม่เพียงแต่ได้รับแรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากนิวเคลียสที่เป็นบวกเท่านั้น แต่ยังได้รับแรงผลักจากอิเล็กตรอนตัวอื่นในชั้นตั้งแต่ 1 ถึง n ด้วย ซึ่งทำให้แรงสุทธิที่กระทำต่ออิเล็กตรอนในชั้นนอกมีขนาดเล็กลงอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้น อิเล็กตรอนเหล่านี้จึงไม่ถูกพันธะกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนาเท่ากับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้มักเรียกกันว่าปรากฏการณ์การแทรกซึมของวงโคจร ทฤษฎีเกราะกำบังยังช่วยอธิบายว่าเหตุใดอิเล็กตรอนในระดับชั้นนอกสุดจึงถูกกำจัดออกไปจากอะตอมได้ง่ายกว่า

นอกจากนี้ ยังมีปรากฏการณ์เกราะกำบังที่เกิดขึ้นระหว่างระดับชั้นย่อย ภายในระดับพลังงานหลักเดียวกันด้วย อิเล็กตรอนในระดับชั้นย่อย s มีความสามารถในการป้องกันอิเล็กตรอนในระดับชั้นย่อย p ของระดับพลังงานหลักเดียวกัน

ขนาดของปรากฏการณ์เกราะกำบังยากที่จะคำนวนได้อย่างแม่นยำเนื่องจากผลจากกลศาสตร์ควอนตัม โดยการประมาณเราสามารถประมาณ ประจุของนิวเคลียสยังผลบนอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้ดังนี้

$Z_{\mathrm {eff} }=Z-\sigma \,$

โดยที่ Z คือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและ $\sigma \,$ เป็นจำนวนอิเล็กตรอนเฉลี่ยระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่พิจารณาอยู่ $\sigma \,$ สามารถพบได้โดยใช้เคมีควอนตัมและสมการของชเรอดิงเงอร์ หรือโดยใช้ สูตรเอมพิริคัลของสเลเตอร์

ในการสเปกโตรสโคปีกระเจิงกลับของรัทเทอร์ฟอร์ด การแก้ไขเนื่องจากการบดบังอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนแปลงแรงผลักคูลอมบ์ระหว่างไอออนที่ตกกระทบและนิวเคลียสเป้าหมายในระยะทางไกล คือผลกระทบจากการผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนชั้นในกับอิเล็กตรอนชั้นนอก

ดูเพิ่มเติม

• เลขอะตอม
• ประจุแก่น
• ประจุของนิวเคลียสยังผล
• สารประกอบของแก๊สมีสกุล
• การกีดขวางเนื่องจากขนาด
• การหดขนาดของแลนทาไนด์
• การหดขนาดของกลุ่ม d (หรือการหดขนาดของสแกนไดด์)

อ้างอิง

• L. Brown, Theodore; H. Eugene LeMay Jr; Bruce E. Bursten; Julia R. Burdge (2003). Chemistry: The Central Science (8th ed.). US: Pearson Education. ISBN 0-13-061142-5. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2011-07-24. 
• Thomas, Dan (1997-10-09). "Shielding of Electrons in Atoms from H (Z=1) to Lw (Z=103)". University of Guelph. สืบค้นเมื่อ 2018-07-12.
• Peter Atkins & Loretta Jones, Chemical principles: the quest for insight [Variation in shielding effect]