อิเล็กตรอนแกนกลางคืออิเล็กตรอนในอะตอมที่ไม่ใช่อิเล็กตรอนวาเลนซ์ และไม่ ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในพันธะเคมี^{[ 1 ]}นิวเคลียสและอิเล็กตรอนแกนกลางของอะตอมประกอบกันเป็นแกนกลางของอะตอม อิเล็กตรอนแกนกลางยึดติดกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนา ดังนั้น ต่างจากอิเล็กตรอนวาเลนซ์ อิเล็กตรอนแกนกลางจึงมีบทบาทรองในพันธะเคมีและปฏิกิริยาโดยการบังประจุบวกของนิวเคลียสอะตอมจากอิเล็กตรอนวาเลนซ์^{[ 2 ]}

จำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดของธาตุสามารถกำหนดได้จากหมู่ของธาตุในตารางธาตุ (ดูอิเล็กตรอนวงนอกสุด ):

• สำหรับธาตุหมู่หลักจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์มีตั้งแต่ 1 ถึง 8 ( n s และn p ออร์บิทัล)
• สำหรับโลหะทรานซิชันจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์มีตั้งแต่ 3 ถึง 12 ( ออร์บิทัล n s และ ( n −1)d)
• สำหรับแลนทานอยด์และแอกทินอยด์จำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์มีตั้งแต่ 3 ถึง 16 ( ออร์บิทัล ns , ( n −2)f และ ( n −1)d)

อิเล็กตรอนอื่นๆ ที่ไม่ใช่เวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุนั้น ถือเป็นอิเล็กตรอนแกนกลาง

คำอธิบายที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างอิเล็กตรอนแกนกลางและอิเล็กตรอนวงนอกสุด สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีวงโคจรอะตอม

ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนตัวเดียว พลังงานของออร์บิทัลจะถูกกำหนดโดยเลขควอนตัมหลักn เท่านั้น ออ ร์บิทัลที่มี n = 1 จะมีพลังงานต่ำที่สุดในอะตอม สำหรับค่าn ที่มาก ขึ้น พลังงานจะเพิ่มขึ้นมากจนอิเล็กตรอนสามารถหลุดออกจากอะตอมได้ง่าย ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนตัวเดียว ระดับพลังงานทั้งหมดที่มีเลขควอนตัมหลักเดียวกันจะมีค่าเสื่อม และมีพลังงานเท่ากัน

ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัว พลังงานของอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของออร์บิทัลที่มันอยู่เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของมันกับอิเล็กตรอนตัวอื่นในออร์บิทัลอื่นๆ ด้วย จึงต้องพิจารณาเลข ควอนตัม ℓค่าℓ ที่สูงขึ้น จะสัมพันธ์กับค่าพลังงานที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น สถานะ 2p จะมีพลังงานสูงกว่าสถานะ 2s เมื่อℓ = 2 การเพิ่มขึ้นของพลังงานในออร์บิทัลจะมากพอที่จะผลักพลังงานของออร์บิทัลให้สูงกว่าพลังงานของออร์บิทัล s ในเปลือกที่สูงกว่าถัดไป เมื่อℓ = 3 พลังงานจะถูกผลักเข้าไปในเปลือกที่สูงขึ้นสองขั้น การเติมออร์บิทัล 3d จะไม่เกิดขึ้นจนกว่าออร์บิทัล 4s จะถูกเติมเต็มแล้ว

การเพิ่มขึ้นของพลังงานสำหรับซับเชลล์ที่มีโมเมนตัมเชิงมุมเพิ่มขึ้นในอะตอมขนาดใหญ่เกิดจากผลกระทบของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอน และเกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับความสามารถของอิเล็กตรอนที่มีโมเมนตัมเชิงมุมต่ำในการแทรกซึมเข้าสู่แกนกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านั้นจะถูกบดบังจากประจุของอิเล็กตรอนที่อยู่ระหว่างกลางน้อยลง ดังนั้น ในอะตอมที่มีเลขอะตอม สูงขึ้น ค่าℓของอิเล็กตรอนจึงกลายเป็นปัจจัยกำหนดพลังงานที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ และเลขควอนตัมหลักnของอิเล็กตรอนจะมีความสำคัญน้อยลงเรื่อยๆ ในการจัดวางพลังงาน ลำดับพลังงานของซับเชลล์ 35 อันดับแรก (เช่น 1s, 2s, 2p, 3s เป็นต้น) แสดงอยู่ในตารางต่อไปนี้ [ไม่ได้แสดงไว้?] แต่ละช่องแสดงถึงซับเชลล์ โดยมีค่าnและℓกำหนดโดยดัชนีแถวและคอลัมน์ตามลำดับ ตัวเลขในช่องคือตำแหน่งของซับเชลล์ในลำดับ ดูตารางธาตุด้านล่าง ซึ่งจัดเรียงตามซับเชลล์

แกนอะตอมหมายถึงส่วนกลางของอะตอมโดยไม่รวมอิเล็กตรอนวาเลนซ์^{[ 3 ]}แกนอะตอมมีประจุไฟฟ้า บวก ที่เรียกว่าประจุแกนและเป็นประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ ที่ อิเล็กตรอนวงนอกได้รับกล่าวอีกนัยหนึ่ง ประจุแกนเป็นการแสดงออกถึงแรงดึงดูดที่อิเล็กตรอนวาเลนซ์ได้รับต่อแกนของอะตอมซึ่งคำนึงถึงผลการกำบังของอิเล็กตรอนแกน ประจุแกนสามารถคำนวณได้โดยการนำจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสลบด้วยจำนวนอิเล็กตรอนแกน หรือที่เรียกว่าอิเล็กตรอนวงใน และจะมีค่าเป็นบวกเสมอในอะตอมที่เป็นกลาง

มวลของแกนกลางเกือบเท่ากับมวลของอะตอม แกนกลางของอะตอมสามารถพิจารณาได้ว่ามีสมมาตรทรงกลมด้วยความแม่นยำที่เพียงพอ รัศมีของแกนกลางมีขนาดเล็กกว่ารัศมีของอะตอมที่สอดคล้องกันอย่างน้อยสามเท่า (หากเราคำนวณรัศมีโดยใช้วิธีเดียวกัน) สำหรับอะตอมหนัก รัศมีของแกนกลางจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อจำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น รัศมีของแกนกลางของธาตุที่หนักที่สุดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ คือยูเรเนียมมีขนาดใกล้เคียงกับรัศมีของอะตอมลิเธียม แม้ว่าลิเธียมจะมีอิเล็กตรอนเพียงสามตัวก็ตาม

วิธีการทางเคมีไม่สามารถแยกอิเล็กตรอนในแกนกลางออกจากอะตอมได้ เมื่อถูกไอออนไนซ์ด้วยเปลวไฟหรือ รังสี อัลตราไวโอเลตโดยทั่วไปแล้วแกนกลางของอะตอมก็ยังคงอยู่ครบถ้วน

ประจุแกนกลางเป็นวิธีที่สะดวกในการอธิบายแนวโน้มในตารางธาตุ^{[ 4 ]}เนื่องจากประจุแกนกลางเพิ่มขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ไปตามแถวของตารางธาตุ อิเล็กตรอนวงนอกจะถูกดึงเข้าหานิวเคลียสมากขึ้นเรื่อยๆ และรัศมีอะตอมจะลดลง สิ่งนี้สามารถใช้เพื่ออธิบายแนวโน้มตามคาบ ต่างๆ เช่น รัศมีอะตอมพลังงานไอออนไนเซชันแรก (IE) ค่าอิเล็กโทรเนกา ติ วิตี และค่าออกซิไดซ์

ประจุแกนกลางสามารถคำนวณได้จาก 'เลขอะตอม' ลบด้วย 'อิเล็กตรอนทั้งหมด ยกเว้นอิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นนอกสุด' ตัวอย่างเช่นคลอรีน⁽ ธาตุที่ 17) ซึ่งมีโครงสร้างอิเล็กตรอน 1s² ^{2s² 2p⁶} 3s² ^3p⁵มีโปรตอน 17 ตัว และอิเล็กตรอนในวงโคจรชั้นใน 10 ตัว (2 ตัวในวงโคจรชั้นแรก และ 8 ตัวในวงโคจรชั้นที่สอง) ดังนั้น^:

ค่าธรรมเนียมแกนกลาง = 17 − 10 = +7

ประจุแกนกลางคือประจุสุทธิของนิวเคลียส โดยพิจารณาว่าวงโคจรของอิเล็กตรอนที่สมบูรณ์แล้วทำหน้าที่เป็น "เกราะป้องกัน" เมื่อประจุแกนกลางเพิ่มขึ้นอิเล็กตรอนวงนอกสุดจะถูกดึงดูดเข้าหานิวเคลียสมากขึ้น และรัศมีอะตอมจะลดลงเมื่อพิจารณาตามคาบ

สำหรับธาตุที่มีเลขอะตอมZ สูง ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพสามารถสังเกตได้สำหรับอิเล็กตรอนแกนกลาง ความเร็วของอิเล็กตรอนแกนกลาง s จะถึงโมเมนตัมเชิงสัมพัทธภาพ ซึ่งนำไปสู่การหดตัวของวงโคจร 6s เมื่อเทียบกับวงโคจร 5d คุณสมบัติทางกายภาพที่ได้รับผลกระทบจากผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพเหล่านี้ ได้แก่ อุณหภูมิหลอมเหลวที่ลดลงของปรอท และสีทองที่สังเกตได้ของทองคำและซีเซียมเนื่องจากการแคบลงของช่องว่างพลังงาน^{[ 5 ]}ทองคำปรากฏเป็นสีเหลืองเนื่องจากดูดซับแสงสีน้ำเงินมากกว่าดูดซับความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้อื่นๆ และสะท้อนแสงสีเหลืองกลับมา

อิเล็กตรอนแกนกลางสามารถถูกกำจัดออกจากระดับแกนกลางได้เมื่อดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนตื่นตัวไปยังเปลือกวาเลนซ์ที่ว่างเปล่า หรือทำให้อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาเป็นโฟโตอิเล็กตรอนเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก อะตอมที่ได้จะมีช่องว่างในเปลือกอิเล็กตรอนแกนกลาง ซึ่งมักเรียกว่ารูแกนกลางมันอยู่ในสถานะกึ่งเสถียรและจะสลายตัวภายใน 10 ⁻¹⁵วินาที ปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาผ่านการเรืองแสงของรังสีเอกซ์ (ในรูป ของ รังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะ ) หรือโดยปรากฏการณ์ออเกอร์ [ ^{6 ] การ}ตรวจจับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่ตกลงไปในวงโคจรพลังงานต่ำกว่าจะให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กตรอนและโครงสร้างแลตติซเฉพาะที่ของวัสดุ แม้ว่าส่วนใหญ่พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาในรูปของโฟตอนแต่พลังงานก็สามารถถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งซึ่งถูกขับออกจากอะตอมได้ อิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมาตัวที่สองนี้เรียกว่าอิเล็กตรอนออเกอร์ และกระบวนการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนที่มีการปล่อยรังสีทางอ้อมนี้เรียกว่าปรากฏการณ์ออเกอร์^{[ 7 ]}

อะตอมทุกอะตอมยกเว้นไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนระดับแกนกลางที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ดังนั้นจึงสามารถเลือกธาตุที่จะตรวจสอบได้โดยการปรับพลังงานของรังสีเอกซ์ให้ตรงกับขอบการดูดกลืนที่เหมาะสม สเปกตรัมของรังสีที่ปล่อยออกมาสามารถนำมาใช้เพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุได้

• วงโคจรอะตอม
• ปรากฏการณ์ออเกอร์
• การหดตัวของแลนทานอยด์
• เคมีควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพ
• ผลการป้องกัน
• การเปลี่ยนแปลงระดับแกนกลางพื้นผิว
• อิเล็กตรอนวาเลนซ์