৪s অরবিটালের শক্তি ৩d অরবিটালের তুলনায় বেশি কেন?

পরমাণুর ইলেকট্রন বিন্যাসের ক্ষেত্রে শক্তির স্তর (energy level) ও উপস্তর (subshell) গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। সাধারণভাবে, শক্তি স্তর যত বেশি হবে, ইলেকট্রন তত বেশি শক্তিধর হবে। তবে, ৪s এবং ৩d অরবিটালের শক্তির তুলনামূলক বিশ্লেষণ করতে গেলে কিছু মূলনীতি বিবেচনা করতে হবে—

১. প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা ও শক্তি স্তর:

  • ৩d অরবিটালের প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা () = ৩
  • ৪s অরবিটালের প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা () = ৪

সাধারণত, বড় প্রধান কোয়ান্টাম সংখ্যা মানে বেশি শক্তি। তাই, ৪s অরবিটালের শক্তি তত্ত্বগতভাবে ৩d-এর চেয়ে বেশি হওয়ার কথা। তবে বাস্তবে এটি সম্পূর্ণ সত্য নয়।

২. (n + l) নিয়ম অনুসারে শক্তির তুলনা:

শ্রেডিঙ্গারের তরঙ্গ সমীকরণ অনুযায়ী, অরবিটালের শক্তি নির্ধারণ করা যায় (n + l) নিয়ম অনুসারে। এখানে:

  • s-অরবিটালের ক্ষেত্রে:
  • p-অরবিটালের ক্ষেত্রে:
  • d-অরবিটালের ক্ষেত্রে:

এখন,

  • ৪s-এর জন্য:
  • ৩d-এর জন্য:

যেহেতু (n + l) বেশি হলে শক্তিও বেশি হয়, তাই ৩d-এর শক্তি ৪s-এর তুলনায় বেশি হওয়া উচিত। কিন্তু বাস্তবে ৪s অরবিটাল পূরণ হয় আগে, যা ইলেকট্রন বিন্যাসের নিয়মে দেখা যায়।

৩. গঠনগত কারণ ও পরমাণুতে ভরাটের ক্রম:

যখন পরমাণুতে ইলেকট্রন ভরাট হয়, তখন প্রথমে কম শক্তির অরবিটালে ইলেকট্রন প্রবেশ করে। এক্ষেত্রে,

  • ৪s অরবিটাল নিউক্লিয়াস থেকে দূরে অবস্থিত হলেও এটি অপেক্ষাকৃত কম শক্তির হওয়ায় ইলেকট্রন প্রথমে এতে প্রবেশ করে।
  • ৩d অরবিটাল নিউক্লিয়াসের কাছাকাছি থাকে, তবে এতে পরমাণুর অভ্যন্তরীণ ইলেকট্রনদের অপদমন প্রভাব বেশি থাকায় এর শক্তি তুলনামূলকভাবে বেশি হয়ে যায়।

তাই, ইলেকট্রন প্রথমে ৪s-এ প্রবেশ করে, তারপর ৩d তে।

৪. আয়নীয় অবস্থা ও শক্তি পরিবর্তন:

যখন ধাতব পরমাণু (যেমনঃ Fe, Cr) আয়নে রূপান্তরিত হয়, তখন ৪s অরবিটালের ইলেকট্রন আগে বেরিয়ে যায়। কারণ আয়ন গঠনের পর ৩d অরবিটালের শক্তি কমে যায় এবং ৪s তুলনামূলক বেশি শক্তিধর হয়ে ওঠে।

উপসংহার:

  • নিরপেক্ষ অবস্থায়: ৪s-এর শক্তি কম, তাই এটি ৩d-এর আগে পূর্ণ হয়।
  • আয়নীয় অবস্থায়: ৪s-এর শক্তি বেশি, তাই এটি ৩d-এর আগে ইলেকট্রন হারায়।

এ কারণেই শক্তির তুলনায় ৪s অরবিটাল অপেক্ষাকৃত কম শক্তিসম্পন্ন হলেও এটি ৩d-এর আগে পূর্ণ হয় এবং পরে আয়ন গঠনের সময় ৪s থেকে ইলেকট্রন বেরিয়ে যায়।