電子配置 わかりやすく
一つの原子に電子がいくつも入ると、どこにでも座らず、決まった規則どおりに部屋を埋めます。エネルギーの低い部屋から埋め、一つの部屋にはスピンが反対の電子が二つまでしか入らず、同じ殻の部屋は対になる前にまず一つずつ分かれて座ります。ここに、内側の電子が外側の電子を隠す効果と、4sが 3dより先に埋まる逆転まで加えると、周期表の順序がなぜそうなのかが見えてきます。この講は一つの軌道の形ではなく、いくつもの電子が規則どおりに席を分ける話です。規則が席を分けます。
電子を一つずつ入れてみると、いつも空いている部屋のうちエネルギーの最も低い部屋へ落ちます。これが構成原理です。一つの部屋には電子が二つまでしか入らず、そのとき二つの電子のスピンは必ず反対でなければなりません。電子を足すほど 1s、2s、2p、3s の順に埋まり、下の配置の文字列 1s² 2s² 2p⁶ が育ちます。低い部屋が先に埋まります。
一つの殻に部屋がいくつもあるとき、たとえば p 殻の三つの部屋があるとき、電子は対を作る前にまず部屋ごとに一つずつ分かれて座ります。しかもこの単電子のスピンは互いに揃います。これがフントの規則です。誤った埋め方、つまり一つの部屋に寄せて対を作る場合と並べると、分かれて座った側が全スピンが大きく、エネルギーの低い本当の基底状態であることが見えます。電子は互いに押しのけるので、できるだけ別の部屋に離れて座るほうが有利です。分かれて座る側が低いです。
部屋ごとに、電子が実際にいる空間の形はそれぞれ違います。1sは丸い球で、2pはダンベルの二つ、3dは四つの葉の形です。ここで見える波動関数とその二乗 |ψ|² は、電子が見つかる確率の雲で、この講ではそれを 3 次元の立体として回して見ます。同じものを断面で見る話は別の講にあります。引いて回し、形を変えると、符号と立体の形がどう変わるかが見えます。2 次元の断面ではなく、立体で見ます。形が部屋を見せます。
外側の電子は、核の正電荷の全部をそのまま感じません。あいだに挟まった内側の電子が核を隠すからです。だから外側の電子が実際に感じる有効核電荷は Zeff = Z − S で、陽子数から遮蔽を引いた値です。内側の電子を増やすと有効核電荷は減り、引力の弱まった外側の電子の軌道半径は大きくなります。およそ r ∝ n²/Zeff です。遮蔽が大きくなるほど、外側の電子はより遠くへ押し出されます。遮蔽が引力を減らします。
エネルギーの順序は原子番号によって変わります。番号を上げると 4sと 3dのエネルギーの棒が下がりますが、3dがより急に下がって、どこかで二つが交差します。だからカリウム Z=19 とカルシウム Z=20 では 4sが 3dより低く、4sから埋まり、スカンジウム Z=21 からは 3dが 4s の下へ下り、3dが埋まり始めます。この逆転が、遷移金属の始まる場所を決めます。番号を動かすと、二つの棒が場所を入れ替える瞬間が出ます。交差が遷移金属を開きます。