原子番号が１つあがると原子半径が3倍になるのはなぜ

質問

ヘリウムから原子番号がひとつあがると原子半径がいきなり3倍近くに大きくなります。これはなぜでしょう？　
ほかにもネオン、アルゴンといった希ガス類から１つ原子番号が増えても、原子半径が急に大きくなります。不思議です。

回答No.5

mikeyan

基本的には、原子番号が増えると陽子が増え、電子に及ぼすクーロン力が強くなるので、原子半径は小さくなります。
しかし、原子に束縛される電子は、クーロン力のみに従っていれば、どこに存在してよいというわけではなく、E0,E1,E2,・・・と、とびとびの位置エネルギーを有する軌道上にしか存在できません。
電子は位置エネルギーの低い軌道から順番に入っていきますが、各エネルギー毎に入れる電子の数は決まっていて、希ガスのところで一杯となります。
そのため、つぎのアルカリ金属からは、より高いエネルギーの軌道に電子が入り始めます。そのため、原子半径も急に大きくなります。

回答No.4

hydrophobic

次式で多電子原子中の最も外側の電子の存在確率極大位置を近似的に求める。
r＝(n*)2乗/Z*×a。
Z*はその電子以外の電子による核電荷の遮へいを差し引いた有効核電荷、n*は主量子数に相当する有効主量子数。
電子配置
He(1s)2
Li(1s)2(2s)1
Ne[He](2s)2(2p)6
Na[He](2s)2(2p)6(3s)1
Ar[Ne](3s)2(3p)6
K[Ne](3s)2(3p)6(4s)1
有効核電荷は、周期をまたぐと価電子がn殻からn＋1殻へ属するから有効核電荷が小さくなる。n*は大きくなり、Z*は小さくなる。

補足

その数式を作った元になる仕組みについて質問しているのです。

回答No.3

hue2011

No.１ですけど、補足を読んでちょっと情けない。

ちょっとは考えましょうよ。

ベリリウムというのはリチウムの次ですね。ヘリウムで最初の起動が満杯になったあとでもうひとつ電子を積まなければならないから外に軌道つくったんですね。
それは最初の起動からいえばこぶみたいなもので、いわば安定的にいえば余計ものです。不安定です。

そこにもうひとつ電子を乗せたら、全体は沈みませんか。

おぼんに饅頭を乗っけっていると思ってください。最初のお盆が満杯になったんでその上にまたおぼんを乗せます。からのお盆だったら饅頭の上にポンと浮かんでいるだけです。そこにひとつ饅頭を乗せます。高さは一つの饅頭の倍ぐらいになっているでしょうけど、また一つ饅頭を乗せたら全体の重みで沈むのが普通ですね。
原子核と電子の間には引力があるんですよ。

ときに、周期律表の一番左側にいるのはどちらかというと「危ない原子」ですね。金属ナトリウムなんて、間違って水に落としたら暴発で命の危険があります。理由は不安定だからです。

一番右側が「不活性元素」と言われているのは原子核と電子がバランスしていて、決して暴れない元素だからです。

おぼんにびっしり饅頭を埋めたら安定して持ち歩けますけど、一番上にひとつだけ乗っているなんていう状況だと、ころころ転がるかもしれないし、傾いて自分がつまづくかもしれません。そういう想像力を持っていただけるといいんですが。

補足

確かにパウリの排他律などを金科玉条として考えればそうなるでしょうけど、そもそもの疑問は、ヘリウムからリチウムに１つ陽子と中性子が増えるだけで、なぜ原子半径が3倍に成るかです。原子核と電子の間の引力を認めましたが、ではなぜ軌道上の電子は原子核に落下しないのですか？　これは量子力学が成立した原因ですが、根本的な解決にはなっていません。都合のよいときだけ、原子核と電子の引力を持ち出すのはなぜでしょうか？

普通に考えるなら、原子核にマイナスの電荷が存在するから、軌道上の原子は反発して落ちない、となるのでは？　ただし、これはマクスウェルの電気力線とは矛盾するので、ファラデーまで遡って考える必要があります。原子核に含まれる電子を認めないと従来どおりの量子力学の解釈で、至る所に矛盾が出てきます。

回答No.2

hydrophobic

周期表で下の元素ほど大きな主量子数をもち、最外殻電子がより外側の軌道に存在するから、原子半径は大きくなる。
同一周期内では族番号が増えても主量子数は変化しないが、最外殻電子の有効核電荷は増加するから、同一殻に加えられた電子による遮へいが不完全なために、電子がより原子核に引きつけられて、原子半径は減少する。
原子半径は、同族内では下にいくほど大きくなり、同一周期では右にいくほど減少する。

補足

＞同一殻に加えられた電子による遮へいが不完全なために
なぜそうなるかが不明です。

回答No.1

hue2011

元素の周期律表というのを見てください。

Heは右端です。Liはその下の行の左端です。この意味はなんだか教わりませんでしたか。

単純に、原子核が存在していてその周りに電子が旋回しているというようなモデルで教わったと思うのですが、１段目の水素とヘリウムの段は電子が入る枠は２つで満杯で、２段目になると電子はさらに外に軌道をもたないとくっつかないのですね。
つまり、２段目は１段目より外側に皮をかぶっているような状態になるのです。
それがネオンまでずっと２段目の枠で電子が埋まって、また満杯なので３段目がくるのがナトリウムです。この伝でだんだん大きくなるのです。当然右端にある、不活性元素が最後のトリをとっているのです。

不思議でもなんでもありません。

補足

せっかく回答していただきましたが、なぜベリリウムになると原子半径が小さくなるかが不明です。