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屏蔽效應(yīng)（削弱核電荷對電子吸引的作用）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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屏蔽效應(yīng)

削弱核電荷對電子吸引的作用

由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷對該電子的吸引力，從而引起有效核電荷的降低，削弱了核電荷對該電子的吸引，這種作用稱為屏蔽作用或屏蔽效應(yīng)。

基本信息

中文名	屏蔽效應(yīng)
外文名	Shielding effect
計算提出年代	20世紀(jì)30年代
計算規(guī)則提出	J.C.斯萊特

原理

1.氫原子核外只有一個電子，不存在屏蔽效應(yīng)。

2.與鉆穿效應(yīng)相反，在多電子原子中，一個電子不僅受到原子核的引力，而且還要受到其他電子的排斥力。內(nèi)層電子排斥力顯然要削弱原子核對該電子的吸引，可以認(rèn)為排斥作用部分抵消或屏蔽了核電荷對該電子的作用，相當(dāng)于使該電子受到的有效核電荷數(shù)減少了。于是有Z* = Z－σ，式中Z*為有效核電荷，Z為核電荷。σ為屏蔽常數(shù)，它代表由于內(nèi)層電子的斥力而使原核電荷減少的部分。

多電子原子結(jié)構(gòu)復(fù)雜。難以精確的說明一個電子對另一個電子的影響。以中性氦原子和氦離子為例：

從He+(g)中移走電子需要能量為8.716×l0-18J ，實驗表明從He原子中移走一個電子需要的能量為3.939×l0-18J，可以看出從He+中移走電子比從He原子移走同一電子要耗去兩倍多能量，這是由于He原子的兩個電子相互排斥，相當(dāng)于一個電子對另一個電子產(chǎn)生了電荷屏蔽，削弱了核電荷對該電子的的吸引力，意味著He原子的核電荷Z(=2)被Z*(=2-σ)代替，從而產(chǎn)生了電子間的相互屏蔽。

一般來說，內(nèi)層電子對外層電子的屏蔽作用大。

定量計算

屏蔽效應(yīng)的定量計算：

20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家J.C.斯萊特根據(jù)實驗結(jié)果提出計算屏蔽常數(shù)的規(guī)則：

Z*=Z-σ屏蔽常數(shù)，可近似的用斯萊特規(guī)則將原子中的電子分成以下幾組

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)(6s,6p)(6d)(6f)(未完）|

a) 位于被屏蔽電子的右邊的各組對被屏蔽電子的σ=0

近似的可以認(rèn)為外層電子對內(nèi)層電子沒有屏蔽作用

b) 1s軌道上的兩個電子之間的σ=0.3，其他主量子數(shù)相同的各分層電子之間的σ=0.35

c) 被屏蔽的電子為ns或np時，則主量子數(shù)（n-1）的各電子對它們的σ=0.85,而小于（n-1）的各電子對它們的σ=1

d) 被屏蔽的電子為nd或nf時，則位于它們左邊各組電子對它們的的屏蔽常數(shù)σ=1

在計算某原子中某個電子的σ值時，可將有關(guān)屏蔽電子對該電子的σ值相加而得

例1 計算鋁原子中其他電子對一個3p電子的值

鋁原子的電子結(jié)構(gòu)式為1s22s22p63s23p1 =2×0.35+8×0.85+2×1=9.5

研究

超導(dǎo)磁體線圈盒對磁場的屏蔽效應(yīng)

由于環(huán)向場磁體線圈盒中感應(yīng)渦流的分布形式較為復(fù)雜，因此分析線圈盒對磁場的屏蔽作用應(yīng)根據(jù)磁場分布情況及線圈盒的結(jié)構(gòu)特點采用合適的求解方法。首先將線圈盒上的磁場分解為兩個相互垂直的分量，分別求解線圈盒對兩個磁場分量的屏蔽作用，其次為使渦流方程的解可以表示為解析的形式，認(rèn)為兩個磁場分量在線圈盒上是均勻的并分別取其最大值作為磁場變化的初值，這樣的假設(shè)對于分析超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性來說正是必須考慮的極端情況。

環(huán)向場磁體線圈盒對磁場的屏蔽作用因磁場的方向不同有較大的差別。對于法向磁場，感應(yīng)渦流沿線圈周長的較長路徑形成閉合回路，同時線圈盒沿環(huán)向的寬度有限，故渦流及渦流產(chǎn)生的磁場并不大，因此線圈盒對法向磁場的屏蔽作用并不明顯。切向磁場感應(yīng)的渦流可以在沿線圈盒斷面上較短的路徑形成閉合回路，而該回路的等效電阻較小，因此線圈盒對切向磁場呈現(xiàn)較強的屏蔽作用。

力學(xué)中的屏蔽效應(yīng)

比較考慮殘余應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力釋放與只考慮局部剛度下降對主裂尖最大屏蔽效應(yīng)的影響。可以得到，相對于殘余應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力釋放來說，局部剛度下降對主裂尖最大屏蔽效應(yīng)的影響是相當(dāng)小的。圖2和圖4的接近相同的分布規(guī)律即可說明這一點。

由以上的分析計算可得到以下結(jié)論：在各向同性脆性材料中，殘余應(yīng)力的釋放引起的微裂紋對主裂尖的最大屏蔽效應(yīng)的微裂紋的傾角與最大張應(yīng)力的方向沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。在計及殘余應(yīng)力的釋放對應(yīng)力場的影響時,Ortiz得到的最大屏蔽效應(yīng)與微裂紋傾角的關(guān)系的結(jié)論需作較大的修正。分析計算表明：在Hutchinson所指出的屏蔽效應(yīng)的第二個來源(即微裂紋形成引起的殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致應(yīng)力場的再分布)中，還應(yīng)計及微裂紋形成引起的遠場應(yīng)力在微裂紋處產(chǎn)生的應(yīng)力場的釋放從而導(dǎo)致應(yīng)力場的再分布。

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