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屏蔽效应（削弱核电荷对电子吸引的作用）

次浏览 | 更新时间：2023-05-20

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屏蔽效应

削弱核电荷对电子吸引的作用

由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷对该电子的吸引力，从而引起有效核电荷的降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。

基本信息

中文名	屏蔽效应
外文名	Shielding effect
计算提出年代	20世纪30年代
计算规则提出	J.C.斯莱特

原理

1.氢原子核外只有一个电子，不存在屏蔽效应。

2.与钻穿效应相反，在多电子原子中，一个电子不仅受到原子核的引力，而且还要受到其他电子的排斥力。内层电子排斥力显然要削弱原子核对该电子的吸引，可以认为排斥作用部分抵消或屏蔽了核电荷对该电子的作用，相当于使该电子受到的有效核电荷数减少了。于是有Z* = Z－σ，式中Z*为有效核电荷，Z为核电荷。σ为屏蔽常数，它代表由于内层电子的斥力而使原核电荷减少的部分。

多电子原子结构复杂。难以精确的说明一个电子对另一个电子的影响。以中性氦原子和氦离子为例：

从He+(g)中移走电子需要能量为8.716×l0-18J ，实验表明从He原子中移走一个电子需要的能量为3.939×l0-18J，可以看出从He+中移走电子比从He原子移走同一电子要耗去两倍多能量，这是由于He原子的两个电子相互排斥，相当于一个电子对另一个电子产生了电荷屏蔽，削弱了核电荷对该电子的的吸引力，意味着He原子的核电荷Z(=2)被Z*(=2-σ)代替，从而产生了电子间的相互屏蔽。

一般来说，内层电子对外层电子的屏蔽作用大。

定量计算

屏蔽效应的定量计算：

20世纪30年代，美国科学家J.C.斯莱特根据实验结果提出计算屏蔽常数的规则：

Z*=Z-σ屏蔽常数，可近似的用斯莱特规则将原子中的电子分成以下几组

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

a) 位于被屏蔽电子的右边的各组对被屏蔽电子的σ=0

近似的可以认为外层电子对内层电子没有屏蔽作用

b) 1s轨道上的两个电子之间的σ=0.3，其他主量子数相同的各分层电子之间的σ=0.35

c) 被屏蔽的电子为ns或np时，则主量子数（n-1）的各电子对它们的σ=0.85,而小于（n-1）的各电子对它们的σ=1

d) 被屏蔽的电子为nd或nf时，则位于它们左边各组电子对它们的的屏蔽常数σ=1

在计算某原子中某个电子的σ值时，可将有关屏蔽电子对该电子的σ值相加而得

例1 计算铝原子中其他电子对一个3p电子的值

铝原子的电子结构式为1s22s22p63s23p1 =2×0.35+8×0.85+2×1=9.5

研究

超导磁体线圈盒对磁场的屏蔽效应

由于环向场磁体线圈盒中感应涡流的分布形式较为复杂，因此分析线圈盒对磁场的屏蔽作用应根据磁场分布情况及线圈盒的结构特点采用合适的求解方法。首先将线圈盒上的磁场分解为两个相互垂直的分量，分别求解线圈盒对两个磁场分量的屏蔽作用，其次为使涡流方程的解可以表示为解析的形式，认为两个磁场分量在线圈盒上是均匀的并分别取其最大值作为磁场变化的初值，这样的假设对于分析超导磁体稳定性来说正是必须考虑的极端情况。

环向场磁体线圈盒对磁场的屏蔽作用因磁场的方向不同有较大的差别。对于法向磁场，感应涡流沿线圈周长的较长路径形成闭合回路，同时线圈盒沿环向的宽度有限，故涡流及涡流产生的磁场并不大，因此线圈盒对法向磁场的屏蔽作用并不明显。切向磁场感应的涡流可以在沿线圈盒断面上较短的路径形成闭合回路，而该回路的等效电阻较小，因此线圈盒对切向磁场呈现较强的屏蔽作用。

力学中的屏蔽效应

比较考虑残余应力或诱导应力释放与只考虑局部刚度下降对主裂尖最大屏蔽效应的影响。可以得到，相对于残余应力或诱导应力释放来说，局部刚度下降对主裂尖最大屏蔽效应的影响是相当小的。图2和图4的接近相同的分布规律即可说明这一点。

由以上的分析计算可得到以下结论：在各向同性脆性材料中，残余应力的释放引起的微裂纹对主裂尖的最大屏蔽效应的微裂纹的倾角与最大张应力的方向没有明显的对应关系。在计及残余应力的释放对应力场的影响时,Ortiz得到的最大屏蔽效应与微裂纹倾角的关系的结论需作较大的修正。分析计算表明：在Hutchinson所指出的屏蔽效应的第二个来源(即微裂纹形成引起的残余应力释放导致应力场的再分布)中，还应计及微裂纹形成引起的远场应力在微裂纹处产生的应力场的释放从而导致应力场的再分布。

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