7.13:
原子軌道のエネルギー
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原子軌道のエネルギー
原子の中では、負の電荷を帯びた電子が正の電荷を帯びた原子核に引きつけられます。また、多電子をもつ原子では、電子と電子の反発も見られます。この引力と反発力は、粒子間の距離と、粒子の電荷の符号と大きさに依存します。粒子の電荷が反対の場合、粒子は互いに引き合う。両方の粒子の電荷が同じであれば、互いに反発します。
電荷の大きさが大きくなると、力の大きさも大きくなります。しかし、電荷の分離がより大きくなると、力は小さくなります。このように、電子とその核の間に働く力は、両者の距離に正比例します。電子が原子核に近ければ、より強固に結合していることになります。したがって、異なる電子殻（異なる距離）にある電子は、異なるエネルギーを持っていることになります。
複数のエネルギー準位を持つ原子では、電子と電子の反発により、内側の電子が外側の電子を原子核の引力から部分的に遮蔽します。内側の電子は外殻の電子を遮蔽するが、同じ原子価殻の電子は互いに経験する核の引力をそれほど効率的には遮りません。これは、有効核電荷（Zeff）という概念で説明することができます。これは、電子と電子の反発を考慮した上で、原子核が特定の電子に与える力のことです。水素の場合、電子は1個しかないので、核電荷(Z)と実効核電荷(Zeff)は等しいです。他のすべての原子については、内側の電子が外側の電子を原子核の引力から部分的に遮蔽しています。
軌道貫入とは、電子が原子核に近づくことができる能力を表します。s軌道の電子は、核に近づくことができ、より貫入性の高い能力を持っています。球状のs軌道の確率密度は、原子核では0ではありません。小軌道によって、空間的な向きが異なります。ダンベル型の軌道を持つため、p電子の透過性はかなり低いです。電子の波動関数は原子核を通る動径節を持ち、そこでは電子が見つかる確率はゼロになります。このように、s軌道の電子は、p電子よりも原子核にしっかりと結合しており、エネルギーも低いです。d電子は、p軌道電子よりもさらに貫入性が低く、エネルギーが高いです。
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様々な殻や小軌道について、電子の貫入力の傾向は次のように描かれます。
貫入と遮蔽の効果が大きく、4s電子は3d電子よりもエネルギーが低い場合があります。