ปรากฏการณ์การกำบัง

ในเคมี ปรากฏการณ์การกำบัง บางครั้งเรียกว่า การกำบังเชิงอะตอม หรือ การกำบังของอิเล็กตรอน อธิบายถึงแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนและนิวเคลียส ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว ผลกระทบของการกำบังสามารถนิยามได้ว่าเป็นการลดลงของประจุของนิวเคลียสยังผลบนกลุ่มอิเล็กตรอน เนื่องมาจากความแตกต่างของแรงดึงดูดที่มีต่ออิเล็กตรอนในอะตอม เป็นกรณีพิเศษของฉากกั้นสนามไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้ยังสำคัญในโปรเจกต์ต่าง ๆ ในสาขาวัสดุศาสตร์ด้วย

ความแรงต่อระดับชั้นอิเล็กตรอนหรือออร์บิทัล

ยิ่งระดับชั้นอิเล็กตรอนในปริภูมิกว้างเท่าไร ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสก็จะอ่อนลงเนื่องจากการกั้น นอกจากนี้ เนื่องจากความแตกต่างในการแทรกซึมของออร์บิทัล เราสามารถจัดลำดับความแรงของการกั้น (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 ดังนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จึงไม่ถูกพันธะกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนาเท่ากับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากกว่า ปรากฏการณ์นี้มักเรียกกันว่าปรากฏการณ์การแทรกซึมของออร์บิทัล ทฤษฎีการกำบังยังช่วยอธิบายว่าเหตุใดอิเล็กตรอนในระดับชั้นนอกสุดจึงถูกกำจัดออกไปจากอะตอมได้ง่ายกว่าอะตอมตัวอื่น ๆ

นอกจากนี้ ยังมีปรากฏการณ์เกราะกำบังที่เกิดขึ้นระหว่างระดับชั้นย่อย ภายในระดับพลังงานหลักเดียวกันด้วย อิเล็กตรอนในระดับชั้นย่อย s มีความสามารถในการกำบังอิเล็กตรอนในระดับชั้นย่อย p ของระดับพลังงานหลักเดียวกัน

ขนาดของปรากฏการณ์เกราะกำบังยากที่จะคำนวณได้อย่างแม่นยำเนื่องจากผลจากกลศาสตร์ควอนตัม เราสามารถประมาณประจุของนิวเคลียสยังผลบนอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้ดังนี้

$Z_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}=Z-\sigma$

โดยที่ Z คือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและ $\sigma$ เป็นจำนวนอิเล็กตรอนเฉลี่ยระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่พิจารณาอยู่ $\sigma$ สามารถพบได้โดยใช้หลักเคมีควอนตัมและสมการของชเรอดิงเงอร์ หรือโดยใช้สูตรเอมพิริคัลของสเลเตอร์

ในการสเปกโตรสโคปีกระเจิงกลับของรัทเทอร์ฟอร์ด การแก้ไขเนื่องจากการบดบังอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนแปลงแรงผลักคูลอมบ์ระหว่างไอออนที่ตกกระทบและนิวเคลียสเป้าหมายในระยะทางไกล คือผลกระทบจากการผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนชั้นในกับอิเล็กตรอนชั้นนอก

ดูเพิ่มเติม

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

อ้างอิง

• แม่แบบ:Cite book 
• แม่แบบ:Cite web
• Peter Atkins & Loretta Jones, Chemical principles: the quest for insight [Variation in shielding effect]