電子殻
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化学および原子物理学 において、電子殻は電子が原子核の周りを回る軌道と考えることができます。原子核に最も近い殻は「1殻」（「K殻」とも呼ばれます）と呼ばれ、次に「2殻」（または「L殻」）、そして「3殻」（または「M殻」）と続き、原子核から遠ざかるにつれて殻は広がります。殻は主量子数（n = 1、2、3、4 ...）に対応するか、X線表記法で使用されるアルファベット順（K、L、M ...）でラベル付けされます。従来の元素周期表における各周期は、電子殻を表します。

各殻には決まった数の電子しか入れられない。第1殻は最大2個の電子、第2殻は最大8個の電子、第3殻は最大18個の電子を収容でき、一般式のn殻は最大2( n^ 2 )個の電子を収容できる。[ 1 ]これらの殻に電子が存在する理由については、電子配置を参照のこと。[ 2 ]

各殻は 1 つ以上のサブシェルで構成され、各サブシェルは 1 つ以上の原子軌道で構成されます。

歴史

1913年、ニールス・ボーアは原子のモデルを提唱し、電子が順番に軌道を周回する配置を示した。当時、ボーアは原子が大きくなるにつれて原子の内側の軌道の電子数が8個まで増加することを許容し、「以下に示す図では、この[外側の]環の電子数は、対応する元素の通常の原子価に等しく任意に等しい」とした。これらの制約やその他の制約を用いて、彼は現在では最初の6元素についてのみ知られている配置と一致する配置を提唱した。「以上のことから、軽い原子における電子の配置については、次のような図式が考えられる。」[ 3 ] [ 4 ]

ボーアが1913年に提案した構成
要素殻あたりの電子数要素殻あたりの電子数要素殻あたりの電子数
1194、4、1178、4、4、1
22108、2188、8、2
32、1118、2、1198、8、2、1
42、2128、2、2208、8、2、2
52、3138、2、3218、8、2、3
62、4148、2、4228、8、2、4
74、3158、4、3238、8、4、3
84、2、2168、4、2、2248、8、4、2、2

殻という用語の意味は、アーノルド・ゾンマーフェルトが1913年のボーア模型を修正したことに由来する。この時期、ボーアはヴァルター・コッセルと共同研究を行っており、コッセルは1914年と1916年の論文で軌道を「殻」と呼んだ。[ 5 ] [ 6 ]ゾンマーフェルトはボーアの惑星模型を維持したが、一部の元素の微細分光学的構造を説明するために、緩やかな楕円軌道（追加の量子数ℓとmで特徴付けられる）を追加した。 [ 7 ]同じ主量子数（ n ）を持つ複数の電子は、近接した軌道を持ち、ボーアの模型の円軌道（平面で記述される「リング」と呼ばれる軌道）の代わりに、正の厚さの「殻」を形成した。[ 8 ]

電子殻の存在は、チャールズ・バークラとヘンリー・モーズリーによるX線吸収研究で初めて実験的に観測された。モーズリーの研究は電子殻の研究とは直接関係していなかった。周期表は重さではなく原子核内の陽子の電荷によって配列されていることを証明しようとしていたからである。[ 9 ]しかし、電気的に中性な原子の電子の数は陽子の数に等しいため、この研究はニールス・ボーアにとって極めて重要であり、ボーアは1962年のインタビューでモーズリーの研究について何度も言及している。[ 10 ]モーズリーはニールス・ボーアと同じくラザフォードのグループに所属していた。モーズリーはカルシウムから亜鉛までのすべての元素から放出されるX線の周波数を測定し、元素が重くなるにつれて周波数が高くなることを発見した。このことから、電子が低い殻にシフトしたときにX線を放出しているという理論が生まれた。[ 11 ]この結果から、電子はコッセル殻に存在し、殻ごとに一定の限界があるという結論に至り、それぞれにK、L、M、N、O、P、Qという文字が付けられました。[ 4 ] [ 12 ]この用語の起源はアルファベットです。モーズリーとは独立してX線分光実験者として研究していたバークラは、1909年に元素にX線を照射した際に2つの異なる種類の散乱が起こることに初めて気づき、「A」と「B」と名付けました。バークラはこの2種類のX線回折について説明しました。1つ目は実験に使用した物質の種類とは無関係で、偏光させることができるものでした。2つ目の回折線は、照射された物質に依存するため、「蛍光」と名付けました。[ 13 ]当時、これらの線が何を意味するのかは分かっていませんでしたが、1911年にバークラは「A」の前にも散乱線があるかもしれないと考え、「K」から始めました。[ 14 ]しかし、その後の実験で、K吸収線は最も内側の電子によって生成されることが示されました。これらの文字は後に、ボーア模型で用いられたn値1、2、3などに対応することが分かりました。これらは分光学的なジークバーン記法で用いられています。

電子を殻に割り当てる作業は、1913年から1925年にかけて、多くの化学者と少数の物理学者によって続けられました。ニールス・ボーアは、化学者の周期表の定義[ 15 ]という仕事を引き継いだ数少ない物理学者の一人でしたが、アーノルド・ゾンマーフェルトは、アトムバウ・アプローチを通して、古典的な軌道物理学の観点からスペクトルの微細構造を説明する相対論的な原子モデルの構築に注力しました。[ 4 ]化学に詳しくなかったアインシュタインとラザフォードは、アーヴィング・ラングミュア、チャールズ・ベリー、JJトムソン、ギルバート・ルイスといった化学の観点から周期表の電子殻理論を展開していた化学者たちの存在を知らなかった。彼らはいずれも、第1殻の電子は最大2個、第2殻の電子は最大8個など、ボーアのモデルに修正を加え、外殻電子の価数や、外殻に電子を加えることで原子が構成されることを説明する役割を担っていた。[ 16 ] [ 4 ]そのため、ボーアが1922年に電子殻原子理論を概説したとき、その理論を表す数式は存在しなかった。そのためラザフォードは、「どのようにして結論に至ったのか」を理解するのに苦労したと述べている。[ 17 ] [ 18 ]アインシュタインはボーアの1922年の論文について、「原子の電子殻とその化学における意義は、私にとって奇跡のようだった。そして今日でも奇跡のように見える」と述べた。[ 19 ] 化学者の電子構造の見解に精通していたボーアではなく、電子のアトムバウ構造を信奉していたアーノルド・ゾンマーフェルトは、ボーアの1921年の講義と殻モデルに関する1922年の論文を「1913年以来の原子構造における最大の進歩」と評した。[ 4 ] [ 20 ] [ 17 ]しかし、ニールス・ボーアの電子殻の発展は、化学者チャールズ・ルーゲリー・ベリーの1921年の論文と基本的に同じ理論であった。 [ 21 ] [ 4 ] [ 22 ]

ゾンマーフェルト-ボーア模型の電子殻構造に関する研究が進むにつれて、ゾンマーフェルトは「軌道の大きさ、軌道の形、軌道が向いている方向を記述する3つの量子数n、k、m 」を導入した。 [ 23 ] kはボルツマン定数に使用するため、方位量子数はℓに変更された。ハイゼンベルクの行列力学とシュレーディンガーの波動方程式に基づく現代量子力学理論が提唱されたとき、これらの量子数は現在の量子理論に引き継がれたが、nは主量子数、mは磁気量子数に変更された。

しかし、電子殻内の電子数を表すために今日でも用いられている電子殻モデルの最終的な形は、1923年にエドマンド・ストーナーによって発見され、 n番目の殻は2( n^ 2 )で表されるという原理を提示しました。これを受けて、1925年、ヴォルフガング・パウリは、ゾンマーフェルト＝ボーア太陽系原子の古い量子論時代に、4番目の量子数「スピン」を追加し、現代の電子殻理論を完成させました。[ 4 ]

サブシェル

確率密度と位相を示す、いくつかの水素のような原子軌道の 3D ビュー(g 軌道以上は表示されません)。

各殻は1つ以上のサブシェルで構成され、サブシェル自体も原子軌道で構成されています。たとえば、第1殻（K殻）には1sと呼ばれるサブシェルが1つあります。第2殻（L殻）には2sと2pと呼ばれる2つのサブシェルがあります。第3殻には3s、3p、3dがあります。第4殻には4s、4p、4d、4fがあります。第5殻には5s、5p、5d、5fがあり、理論的には既知の元素の基底状態の電子配置で占有されていない5gサブシェルにさらに多くの電子を保持できます。[ 2 ]さまざまなサブシェルの可能性を次の表に示します。

サブシェルラベルℓ最大電子それを含む貝殻歴史的な名前
s02すべてのシェル ハープ​
p162番目のシェル以上 主要​
d2103番目のシェル以上 拡散 する
f3144番目のシェル以上 基本 的
グラム4185番目のシェル以上（理論上）（アルファベット順でfの次）[ 24 ]
  • 最初の列は「サブシェルラベル」で、サブシェルの種類を表す小文字のラベルです。例えば、「4sサブシェル」は4番目のシェル（Nシェル）のサブシェルであり、その種類（s）は最初の行に記載されています。
  • 2列目はサブシェルの方位量子数（ℓ）です。正確な定義は量子力学に関係しますが、これはサブシェルを特徴付ける数値です。
  • 3列目は、そのタイプのサブシェルに収容できる電子の最大数です。例えば、一番上の行は、sタイプのサブシェル（1s、2sなど）には最大2個の電子しか収容できないことを示しています。次のサブシェル（p、d、f、g）には、それぞれ前のサブシェルよりも4個多く電子を収容できます。
  • 4列目は、どの殻がそのタイプのサブシェルを持つかを示しています。例えば、上の2行を見ると、すべての殻にsサブシェルがあり、2番目以降の殻にのみapサブシェルがあります（つまり、「1p」サブシェルはありません）。
  • 最後の列は、s、p、d、fというラベルの歴史的起源を示しています。これらは原子スペクトル線の初期研究に由来しています。その他のg、h、iというラベルは、歴史的に最後に用いられたfというラベルに続くアルファベット順の連続です。

各殻の電子数

各サブシェルは最大 4 ℓ + 2 個の電子を保持するように制約されています。

  • 各sサブシェルは最大2個の電子を保持します
  • 各pサブシェルは最大6個の電子を保持します
  • 各dサブシェルは最大10個の電子を保持します
  • 各fサブシェルは最大14個の電子を保持します
  • 各gサブシェルは最大18個の電子を保持します

したがって、sサブシェルのみを含むK殻は最大2個の電子を保持でき、sとapを含むL殻は最大2 + 6 = 8個の電子を保持でき、以下同様に、一般にn番目の殻は最大2n2個の電子を保持できます。[ 1 ]

シェル名サブシェル名サブシェル最大電子殻の最大電子
K1秒22
L2秒22 + 6 = 8
2ページ6
M3秒22 + 6 + 10 = 18
3p6
3D10
北4秒22 + 6 + 10 + 14 = 32
4ページ6
4日10
4階14
お5秒22 + 6 + 10 + 14 + 18 = 50
5ペンス6
5日10
5階14
5グラム18

この式は原理的には最大値を与えるが、その最大値は（既知の元素において）最初の4つの殻（K、L、M、N）でのみ達成される。既知の元素には、いずれの殻にも32個を超える電子を持つものはない。 [ 25 ] [ 26 ]これは、サブシェルがアウフバウ原理に従って満たされるためである。1つの殻に32個を超える電子を持つ最初の元素は、周期表の第8周期のgブロックに属する。これらの元素は5gサブシェルに電子をいくつか持つため、O殻（第5主殻）に32個を超える電子を持つことになる。

サブシェルエネルギーと充填順序

多電子原子の場合、nは電子のエネルギーを示す指標としては不適切です。いくつかの殻のエネルギースペクトルは重なり合っています。
同じ赤い矢印で交差する状態は同じ値を持ちます。赤い矢印の方向は、状態を塗りつぶす順序を示しています。n+ℓ{\displaystyle n+\ell }

一つの殻内のすべての電子は同じエネルギーを持つとされることもありますが、これは近似値です。しかし、一つのサブシェル内の電子は全く同じエネルギーレベルを持ち、後ろのサブシェルの方が前のサブシェルよりも電子1個あたりのエネルギーが大きくなります。この効果は大きく、複数の殻に関連するエネルギー範囲が重なり合うこともあります。

電子は、エネルギーの低いサブシェルから高いサブシェルへと順に殻とサブシェルに充填されます。これは、一般的にマデルング則としても知られるn + ℓ則に従います。n + ℓ値の低いサブシェルは、n + ℓ値の高いサブシェルよりも先に充填されます。n + ℓ値が等しい場合は、 n値の低いサブシェルが先に充填されます。

このため、後期殻は周期表の広大な範囲にわたって満たされます。K殻は第1周期（水素とヘリウム）を、L殻は第2周期（リチウムからネオン）を満たします。しかし、M殻はナトリウム（元素番号11）から満たされ始めますが、銅（元素番号29）まで満たされません。N殻はさらに遅く、カリウム（元素番号19）から満たされ始めますが、イッテルビウム（元素番号70）まで満たされません。O殻、P殻、Q殻は既知の元素（それぞれルビジウム、セシウム、フランシウム）から満たされ始めますが、最も重い既知の元素であるオガネソン（元素番号118） まで満たされません。

殻ごとに電子を持つ元素のリスト

以下のリストは、原子番号の昇順で並べた元素と、各殻の電子数を示しています。一見すると、リストの各サブセットには明確なパターンが見られます。特に、5つの元素（ 各 希ガス（18族、  ヘリウムより重い（黄色）元素は、最外殻に3～7個の電子を連続して持っています。

表を化学グループごとに分類すると、特に最後の2つの最外殻に関して、追加のパターンが示されます。（元素番号57～71はランタノイドに属し、89～103はアクチノイドです。）

以下のリストは、基本的にアウフバウ原理と一致しています。しかし、この規則にはいくつかの例外があります。例えば、パラジウム（原子番号46）は、原子番号がそれより小さい他の原子とは異なり、第5殻に電子を持っていません。108を超える元素は半減期が非常に短いため、電子配置はまだ測定されておらず、代わりに予測値が挿入されています。

Z要素電子数/殻グループ
1水素11
2ヘリウム218
3リチウム2、11
4ベリリウム2、22
5ボロン2、313
6炭素2、414
7窒素2、515
8酸素2、616
9フッ素2、717
10ネオン2、818
11ナトリウム2、8、11
12マグネシウム2、8、22
13アルミニウム2、8、313
14シリコン2、8、414
15リン2、8、515
16硫黄2、8、616
17塩素2、8、717
18アルゴン2、8、818
19カリウム2、8、8、11
20カルシウム2、8、8、22
21スカンジウム2、8、9、23
22チタン2、8、10、24
23バナジウム2、8、11、25
24クロム2、8、13、16
25マンガン2、8、13、27
26鉄2、8、14、28
27コバルト2、8、15、29
28ニッケル2、8、16、210
29銅2、8、18、111
30亜鉛2、8、18、212
31ガリウム2、8、18、313
32ゲルマニウム2、8、18、414
33砒素2、8、18、515
34セレン2、8、18、616
35臭素2、8、18、717
36クリプトン2、8、18、818
37ルビジウム2、8、18、8、11
38ストロンチウム2、8、18、8、22
39イットリウム2、8、18、9、23
40ジルコニウム2、8、18、10、24
41ニオブ2、8、18、12、15
42モリブデン2、8、18、13、16
43テクネチウム2、8、18、13、27
44ルテニウム2、8、18、15、18
45ロジウム2、8、18、16、19
46パラジウム2、8、18、1810
47銀2、8、18、18、111
48カドミウム2、8、18、18、212
49インジウム2、8、18、18、313
50錫2、8、18、18、414
51アンチモン2、8、18、18、515
52テルル2、8、18、18、616
53ヨウ素2、8、18、18、717
54キセノン2、8、18、18、818
55セシウム2、8、18、18、8、11
56バリウム2、8、18、18、8、22
57ランタン2、8、18、18、9、2 fブロックグループ
58セリウム2、8、18、19、9、2 fブロックグループ
59プラセオジム2、8、18、21、8、2 fブロックグループ
60ネオジム2、8、18、22、8、2 fブロックグループ
61プロメチウム2、8、18、23、8、2 fブロックグループ
62サマリウム2、8、18、24、8、2 fブロックグループ
63ユーロピウム2、8、18、25、8、2 fブロックグループ
64ガドリニウム2、8、18、25、9、2 fブロックグループ
65テルビウム2、8、18、27、8、2 fブロックグループ
66ジスプロシウム2、8、18、28、8、2 fブロックグループ
67ホルミウム2、8、18、29、8、2 fブロックグループ
68エルビウム2、8、18、30、8、2 fブロックグループ
69ツリウム2、8、18、31、8、2 fブロックグループ
70イッテルビウム2、8、18、32、8、2 fブロックグループ
71ルテチウム2、8、18、32、9、23
72ハフニウム2、8、18、32、10、24
73タンタル2、8、18、32、11、25
74タングステン2、8、18、32、12、26
75レニウム2、8、18、32、13、27
76オスミウム2、8、18、32、14、28
77イリジウム2、8、18、32、15、29
78白金2、8、18、32、17、110
79金2、8、18、32、18、111
80水銀2、8、18、32、18、212
81タリウム2、8、18、32、18、313
82鉛2、8、18、32、18、414
83ビスマス2、8、18、32、18、515
84ポロニウム2、8、18、32、18、616
85アスタチン2、8、18、32、18、717
86ラドン2、8、18、32、18、818
87フランシウム2、8、18、32、18、8、11
88ラジウム2、8、18、32、18、8、22
89アクチニウム2、8、18、32、18、9、2 fブロックグループ
90トリウム2、8、18、32、18、10、2 fブロックグループ
91プロトアクチニウム2、8、18、32、20、9、2 fブロックグループ
92ウラン2、8、18、32、21、9、2 fブロックグループ
93ネプツニウム2、8、18、32、22、9、2 fブロックグループ
94プルトニウム2、8、18、32、24、8、2 fブロックグループ
95アメリシウム2、8、18、32、25、8、2 fブロックグループ
96キュリウム2、8、18、32、25、9、2 fブロックグループ
97バークリウム2、8、18、32、27、8、2 fブロックグループ
98カリホルニウム2、8、18、32、28、8、2 fブロックグループ
99アインシュタイニウム2、8、18、32、29、8、2 fブロックグループ
100フェルミウム2、8、18、32、30、8、2 fブロックグループ
101メンデレビウム2、8、18、32、31、8、2 fブロックグループ
102ノーベリウム2、8、18、32、32、8、2 fブロックグループ
103ローレンシウム2、8、18、32、32、8、33
104ラザホージウム2、8、18、32、32、10、24
105ドブニウム2、8、18、32、32、11、25
106シーボーギウム2、8、18、32、32、12、26
107ボーリウム2、8、18、32、32、13、27
108ハッシウム2、8、18、32、32、14、28
109マイトネリウム2、8、18、32、32、15、2（？）9
110ダルムシュタット2、8、18、32、32、16、2（？）10
111レントゲン2、8、18、32、32、17、2（？）11
112コペルニシウム2、8、18、32、32、18、2（？）12
113ニホニウム2、8、18、32、32、18、3（？）13
114フレロビウム2、8、18、32、32、18、4（？）14
115モスコビウム2、8、18、32、32、18、5（？）15
116リバモリウム2、8、18、32、32、18、6（？）16
117テネシン2、8、18、32、32、18、7（？）17
118オガネソン2、8、18、32、32、18、8（？）18

参照

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参考文献

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