원자 궤도(오비탈)의 에너지

원자 궤도들은 다른 에너지를 가지는데, 이것은 쿨롱 상호작용, 차폐 효과, 궤도 진입에 의해 합리화됩니다. 쿨롱의 법칙은 전하를 띤 두 입자 사이의 인력 또는 척력은 그것들 사이의 거리와 역제곱 관계를 가진다는 것을 나타냅니다. 원자 궤도 크기는 껍질 수에 따라 증가하며, 전자는 낮은 껍질 궤도가 차지하는 공간에서 반발됩니다.따라서 쿨롱의 법칙은 껍질 수가 증가함에 따라 핵이 높은 궤도 에너지의 전자를 덜 약하게 끌어 당긴다는 것을 제안합니다. 또한 핵으로부터 거의 같은 거리 또는 가까운 거리에 있는 전자는 핵으로의 인력을 더욱 감소시키는 차폐 효과를 가집니다. 차폐가 클수록 핵으로의 인력이 줄어듭니다.이것은 전자 껍질에서 궤도의 에너지 차이가 생기는 한 가지 이유입니다. 예를 들어, 3s와 3p 전자는 3d 전자를 현저하게 차폐합니다. 전자가 느끼는 유효 핵전하량은 원자 번호에서 차폐 전자와 그것이 점유하는 부껍질의 수에 따라 달라지는 차폐 상수 S를 빼주어 계산합니다.예를 들어, 원자 번호가 3인 리튬의 두 개의 1s 전자는 2s 전자를 차단합니다. 이 전자에 대한 차폐 상수는 반경험적 규칙에서 1.7로 결정됩니다. 결국 2s 전자가 느끼는 유효핵전하량은 1.3입니다.궤도의 모양도 그것의 에너지를 결정합니다. 만약 외부 궤도에 있는 전자들이 핵에 근접한 내부 전자가 차지한 영역으로 멀리 이동할 수 있다면, 그곳에서 훨씬 덜 차폐됩니다. 결국, 그 외부 궤도의 에너지는 더 낮습니다.이것은 핵으로부터 주어진 거리에서 전자를 발견할 확률을 설명하는 방사 분포 함수로 시각화할 수 있습니다. 1s, 2s, 2p 부껍질에 대한 방사형 분포 함수 그림은 2s 전자가 핵 근처에 있을 가능성은 적지만, 2p 전자는 대부분 1s 영역의 바깥쪽 또는 바깥쪽 가장자리에 머무른다는 것을 보여줍니다. 따라서 2s 궤도는 더 큰 침투력을 가집니다.세 번째 껍질에서는 3s 전자가 가장 많이 침투하고 3d 전자가 가장 적게 침투하였습니다. 일반적으로 원자 궤도 에너지는 부껍질 수준에서 s에서 f까지 껍질 번호에 따라 증가합니다. 그러나 네 번째와 다섯 번째 껍질에서는 침투 효과가 매우 커져 4s와 5s 궤도는 자주 3d와 4d 궤도에 비해 상대 에너지가 낮습니다.