Atomik Orbitallerin Enerjileri

Atomik orbitaller, Coulomb etkileşimleri, kalkanlama etkisi ve orbital penetrasyonuyla açıklanan farklı enerjilere sahiptir. Coulomb yasası, iki yüklü parçacık arasındaki çekici veya itici kuvvetin, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantıya sahip olduğunu belirtir. Atomik orbital boyutları, kabuk sayısı ile artar ve elektronlar, alt kabuk orbitallerinin kapladığı alandan itilir.Bu nedenle, Coulomb yasası, kabuk sayısı arttıkça elektronların çekirdeğe daha az çekim duyduğunu, bunun da daha yüksek orbital enerjilerine karşılık geldiğini ileri sürer. Ek olarak, çekirdekten yaklaşık olarak aynı uzaklıkta veya ona daha yakın olan elektronlar, çekirdeğe olan çekiciliği daha da azaltan bir perdeleme etkisine sahiptir. Perdeleme etkisi ne kadar büyükse, çekirdeğe o kadar az ilgi hissedilir.Bu, elektron kabukları içindeki orbital enerjilerindeki farklılıkların bir nedenidir. Örneğin, 3s ve 3p elektronları 3d elektronları önemli ölçüde perdeler. Bir elektronun hissettiği etkin nükleer yük, perdeleyici elektronların sayısına ve işgal ettikleri alt kabukların sayısına bağlı olan perdeleme sabiti S’nin atom numarasından çıkarılmasıyla hesaplanır.Örneğin atom numarası 3 olan lityumdaki iki 1s elektronu, 2s elektronunu tarar. Bu elektron için perdeleme sabiti yarı ampirik kurallardan 1, 7 olarak belirlenir. Dolayısıyla, 2s elektronunun hissettiği etkin nükleer yük 1, 3’tür.Orbitallerin şekilleri de enerjilerini belirler. Eğer bir dış orbitaldeki elektronlar, çekirdeğe yakın olmak için iç elektronların işgal ettiği alanlara gidebilirlerse, orada çok daha az perdelenmiş olurlar. Böylece, o dış orbitalin enerjisi daha düşüktür.Bu, çekirdekten belirli bir mesafede bir elektron bulma olasılığını tanımlayan bir radyal dağılım fonksiyonu ile görselleştirilebilir. 1s, 2s ve 2p alt kabuklarının radyal dağılım fonksiyonu grafikleri, 2s elektronlarının çekirdeğe yakın olma olasılığı ortalama iken, 2p elektronlarının çoğunlukla 1s bölgesinin dışında veya dış kenarında kaldığını ortaya koymaktadır. Bu nedenle 2s orbitalinin daha fazla penetrasyon kabiliyetine sahip olduğu söylenir.Üçüncü kabukta, 3s elektronları en çok ve 3d elektronlar en az penetrandır. Genel olarak, atomik orbital enerjisi kabuk sayısı ile ve alt kabuk seviyesinde s’den f’ye yükselir. Bununla birlikte, dördüncü ve beşinci kabuklarda penetrasyon etkisi o kadar önemli hale gelir ki, 4s ve 5s orbitalleri genellikle sırasıyla 3d ve 4d orbitallerinden daha düşük bağıl enerjilere sahiptir.