核電荷（nuclear charge）

為什麼要討論「核電荷」？因為這會影響電子的「穩定程度」
簡單來說，核電荷是質子的總數，也就是原子核的正電荷總量總量
通常以 Z 來表示
Z：原子序（=質子數），原子序越大代表核電荷越強

眾所皆知
原子核（質子）帶正電、電子帶負電
由於正負相吸，當核電荷越大時，電子與核之間的吸引力越大
電子會被吸得更緊、更靠近原子核，自身能量更低、也就更「安定」
（這邊指的是在電子數量不變、只有質子數量增加的情況）

遮蔽效應（shielding effect）

眾所皆知
同性相斥、異性相吸
由於電子與電子之間有排斥力作用（同性相斥），削弱了該電子與原子核（異性相吸）之間的吸引。

就像兩個男生追一個女生，因為怕女性對象被追走
男生都會把另一個情敵推的遠遠的，不讓對方靠近女性對象
甚至干擾情敵的認知（講一些負面傳聞），讓情敵不那麼想追她

女生還是很有吸引力（Z 很高）
但是男生們推擠來去、被互相干擾，都沒辦法接近那位女生（原子核）
導致男生都變成光棍

這種現象就稱為「遮蔽效應」，或者屏蔽效應（shielding effect）

有效核電荷（effective nuclear charge）

為了理解「有效核電荷」，這裡引入「幼稚園」的概念來幫助我們理解和估算

在小幼稚園裡面，有這兩種角色：
質子（穩重盡責的老師）、電子（愛跑來跑去的小朋友）

老師們會照顧小朋友
然而，一間「標榜有11個老師」的學校，
把小孩送過去就真的能受到11個老師的照顧嗎？

不可能，實際上只有「有空的老師」，會來照顧外圍的小朋友
因為老師們會先被內層的小朋友纏住（抱大腿的、爬身上的、吵著要尿尿）
佔據了老師注意力

在微觀的世界也是如此
不是每顆跑來跑去的電子，都能感受到「核電荷的完整照顧」

「有效核電荷」是最外層電子「實際感受到」的原子核吸引力
公式為：Z_eff = Z - S（有效核電荷 = 真實核電荷 – 被屏蔽的程度）

Z_eff：有效核電荷 (Effective Nuclear Charge)
S：遮蔽常數 (Shielding Constant)，被前排電子遮蔽的核吸引力

ex:

🧪 Na（鈉）
電子排布：1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ → 電子殼層：2 8 1
Z = 11，內層電子 = 2 + 8 → Z_eff = 11 – 10 = 1
班級有11位老師，前面有10個小朋友吵著要尿尿（遮蔽效應強）
只有一個老師有辦法看著最外層電子
所以最外圍的這顆電子，很容易游離、被拔走（被外面大叔叔大嬸嬸拐走），形成Na⁺

🧪 Ar（氬）
電子排布：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ → 電子殼層：2 8 8
Z = 18，內層電子 = 2 + 8 → Z_eff = 18 – 10 = 8
班級有18位老師，內層一樣是10個小朋友要尿尿，但老師數量多了很多
最外層電子被8個老師共同照顧、緊緊看著（感覺小朋友壓力很大- -“），不會被拐走
所以很穩定，是惰性氣體

以上這些，也可以都用「在電影院內觀看電影」來想

我實際的視野（Z_eff） = 螢幕的大小（Z） - 前排觀眾頭擋住我的視線（S）

ex:

🧪 Li（鋰）
電子排布：1s² 2s¹ → 電子殼層：2, 1
Z= 3，內層電子 = 2 → Z_eff = 3 – 2 = 1
這間電影院又小又擠，螢幕大小只有3格
我的視線被前面兩顆大頭擋住了，只剩下1格縫隙能看電影
讓我看得不是很爽，隨時想離開，所以不穩定

🧪 Ne（氖）
電子排布：1s² 2s² 2p⁶ → 電子殼層：2, 8
Z = 10，內層電子 = 2 → Z_eff = 10 – 2 = 8
電影院大了點，螢幕有10格大
雖然前面又被那兩顆大頭擋著，但我能透過剩下的8格清楚地觀看整部電影
看著挺舒服的、完全沒想離開，所以很安定

畢竟只是一加一減的數學計算
所以上述計算的方法只是粗估、抓個大概的估計值
運用這套公式，套用在每個原子上整理成表：

元素	H	He
原子序	1	2
遮蔽數	0	0
Z_eff	1	2

元素	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
原子序	3	4	5	6	7	8	9	10
遮蔽數	2	2	2	2	2	2	2	2
Z_eff	1	2	3	4	5	6	7	8

元素	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
原子序	11	12	13	14	15	16	17	18
遮蔽數	10	10	10	10	10	10	10	10
Z_eff	1	2	3	4	5	6	7	8

下圖是較貼近真實的 Z_eff 數值
並且有詳列出每一層電子感受到的「有效核電荷」

每一個班級的老師（保母）數量不一樣，
小朋友的座位安排（內外層電子）也錯綜複雜
加上2p會受到2s遮蔽、2s又會受到1s遮擋… 如此往復推算
導致每個小朋友受到照顧的程度有所不同

每一層的電子感受到的「有效核電荷」都不一樣
真實世界的情況就是如此複雜多元

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BTW

這張圖的矛盾之處在於
Z_eff 明明在增加，為何外層電子卻越來越「鬆」？

K 最外層電子 享受到的有效核電荷比 Na 還要大，應該要更穩定才對
但事實上 K 卻比 Na 更不穩定、更容易游離
（在週期表中，同一族元素 往下排移動，活性增加、越不安定）

因為，Z_eff 只說明
電子感受到「核心正電」有多強，但沒有告訴我們電子「離核多遠」
就像，說明了小朋友「受到幾位老師照顧」，卻沒說小朋友「距離老師幾百公尺遠」

Z_eff 闡述了「往右遞增」趨勢，適合放在同一週期（同一橫排）比較
但是不適用於「跨週期」不同橫排之間的比較