La charge nucléaire effective est la force d’attraction des protons dans le noyau d’un atome sur un électron après avoir pris en compte la force de répulsion des électrons de l’atome. La valeur numérique de cette charge est trouvée par la formule mathématique simple, Z(effective)=ZS, où Z est la charge positive et S est le nombre d’électrons dans les orbitales entièrement occupées. Dans les atomes neutres, la charge nucléaire effective est égale au nombre d’électrons dans l’orbitale la plus externe, appelés électrons de valence.
Dans les atomes, les protons ont tous une charge positive de un. Un atome se distingue des autres atomes par le nombre de protons qu’il possède, bien que le nombre de neutrons puisse varier entre différents atomes du même type et que certains atomes du même type puissent avoir des ions avec plus ou moins d’électrons en orbite. La charge positive totale d’un atome est le nombre de ses protons, qui est aussi le numéro atomique de l’atome comme indiqué sur le tableau périodique des éléments. La première étape pour déterminer la charge nucléaire effective d’un atome consiste à déterminer sa charge positive totale, ce qui peut être accompli en recherchant le numéro atomique de l’atome.
Les électrons sont attirés vers le noyau de l’atome et se trouvent dans des orbitales qui se remplissent de manière prévisible. La première orbitale ne peut contenir que deux électrons. Les orbitales suivantes contiennent chacune huit électrons lorsqu’elles sont pleines. Dans des circonstances normales, et dans le but de trouver la charge nucléaire effective d’un atome, les électrons occuperont l’orbitale la plus proche du noyau possible.
Les orbitales entièrement occupées contrebalancent la même quantité de charge positive car elles contiennent une charge négative. Par exemple, un atome avec 12 protons et 12 électrons, qui est un atome neutre, perdra 2 charges positives de la première orbitale entièrement occupée et 8 charges positives de la seconde. Les deux autres électrons de la troisième orbitale n’affectent pas la charge nucléaire effective de l’atome, qui dans ce cas serait de 12 moins 10 ou 2.
Dans la plupart des cas, l’équation simplifiée est suffisante pour découvrir la charge nucléaire effective d’un atome. Des versions plus complexes de l’équation prennent en compte la petite charge négative des électrons de valence, qui est considérée comme négligeable dans la plupart des cas. Les ions auront également une charge nucléaire effective qui s’écarte légèrement de l’équation standard, car l’ajout d’un électron supplémentaire à l’orbitale externe la rendra légèrement moins positive et la perte d’un électron augmentera l’attraction positive de l’atome.