شیمی محض

شیمی محض یکی از گرایش‌های شیمی می‌باشد که شامل دروس تئوری شیمی است 

درس‌های شیمی محض 

از مهم‌ترین درس‌های شیمی محض می‌توان از شیمی فیزیک، شیمی آلی، شیمی معدنی، شیمی تجزیه و شیمی کوانتوم نام برد.

طیف‌سنجی مولکولی، شیمی آلی فلزی، بیوشیمی و شیمی صنایع از دیگر واحدهای درسی مهم شیمی محض است.

شیمی محض علاوه بر واحدهای درس‌های تئوری، واحدهای درس‌های عملی (آزمایشگاهی) را نیز شامل می‌شود که اهمیت این واحدهای درسی آزمایشگاهی در یادگیری روش‌های آزمایشگاهی و نحوه استفاده از دستگاه‌های آزمایشگاهی است.

واحدهای درسی شیمی محض بسته به درجه اهمیت آنها ۱، ۲، ۳ یا ۴ واحد درسی در دانشگاه‌ها می‌باشد 

گرایش تحصیلی بعد از کارشناسی شیمی محض

شیمی محض تنها در مقطع کارشناسی (لیسانس) است و دانشجویان مقاطع کارشناسی ارشد (فوق لیسانس) و دکترا می‌توانند در هر یک از زمینه‌های تخصصی مربوطه که مبانی آن را در مقطع لیسانس شیمی محض در دانشگاه آموخته‌اند تحصیل کنند. 

تفاوت‌های شیمی محض و شیمی کاربردی

دروس گرایش شیمی محض برخلاف شیمی کاربردی عمدتا دارای مبنای نظری است.

تعداد واحدهای درس‌های تئوری در این گرایش نیز بیشتر از شیمی کاربردی است.

اهمیت شیمی محض

از آنجایی که مبانی نظری شیمی در دانشگاه‌ها در واحدهای درسی شیمی محض تدریس می‌شود دانستن این مبانی علمی و استفاده از آنها برای دروس آزمایشگاهی الزامی است.

جدایی شیمی محض و شیمی کاربردی در مقطع کارشناسی در دانشگاه‌ها به معنای بی‌نیازی دانشجویان شاخه شیمی کاربردی از دانستن برخی دروس شیمی محض نیست و این دروس نیز به دانشجویان گرایش شیمی کاربردی تدریس می‌شود.

شیمی کاربردی

شیمی کاربردی یکی از گرایش‌های شیمی می‌باشد که شامل دروس کاربردی شیمی در صنعت است. اگر چه در گرایش شیمی کابردی درس‌های تئوری شیمی نیز تدریس می‌شود اما تعداد واحدهای درس‌های کاربردی در این گرایش بیشتر است و تعداد واحدهای درس‌های تئوری آن کمتر از شیمی محض است.در شیمی کاربردی دروس ریاضی وفیزیک بسیاراهمیت دارد بطوری که به جرات میتوان گفت که ضعیف بودن در انها باعث شکست در این رشته میشود شیمی کاربردی در صنایع پتروشیمی و کنترل کیفیت وزارت دفاع ونیرو کاربرد دارد وخوشبختانه از رشته های است که در ان بیکاری وجود ندارد وحتی شخص میتواند تولید مواد شیمیایی را در کارگاهی کوچک وبا هزینه ای بسیار کم انجام دهد در ضمن تحصیل تا دکتری در دانشگاههای ایران مقدور میباشد درشیمی کاربردی نسبت به محض محاسبات نقش اساسی دارد و در شیمی کاربردی برای پیدا شدن شغل باید دروس عملی ازمایشگاه در سطح عالی باشد

شیمی درمانی

کی از روش‌های درمان سرطان و یا تخفیف موقت آن با استفاده از برخی داروهای خاص است که در اصطلاح پزشکی به آنها شیمی درمانی گفته می‌شود. کار اصلی این داروهای خاص از بین بردن عضو بیمار بدون صدمه به بافتهای مجاور آن است.این نوع از درمان اثراتی هم بر روی سلول‌ها و بافت‌های بدن دارد. یکی از اثرات این درمان ریزش موهای بدن و خشک شدن پوست است.

شیمی درمانی یک شیوه رایج در معالجه بیماری هاست که سلول‌ها و بخصوص سلول‌های میکروارگانیسم‌ها وسلول‌های سرطانی را با استفاده از داروهای شیمیای و مواد شیمیایی از بین می‌برد. معنی شیمی درمانی تنها به داروهایی که برای درمان غدد سرطانی استفاده می‌شود محدود نمی‌شود بلکه انتی بیوتیک‌ها را نیز در بر می‌گیرد.

اولین نوع مدرن ماده شیمی درمانی ارسفنامین بود که به پاول ارلیخ بر می‌گردد و همچنین ترکیبات آرسنیکی بود که در سال ۱۹۰۹ کشف شد و برای معالجه سیفیلس به کار برده شد. بعد از ان سولفانومیدها توسط دومگ و پنیسیلین توسط الکساندر فلیمنگ کشف شد.دیگر کاربردهای عامل‌های شیمی درمانی سایتواستاتیکی(شامل مواردی که بعداً به توضیح انها خواهیم پرداخت) برای درمان بیماری‌هایی مانند سفت شدگی بافتها، رماتیسم و ورم مفاصل وبیماری‌های که به صورت خود به خودی در برابر معالجه‌ها مقاوم می‌شوند به کار برده شد. 

پیشینه 

کاربرد داروهای شیمیایی به هند باستان برمی‌گردد.هندی‌ها سیستمی از داروهای شیمیایی که آیورودا نامیده می‌شد را طراحی کردند که در ان بعضی از فلزات همراه با برخی از گیاهان برای معالجه طیف وسیعی از بیماری‌ها به کار برده می‌شد. بعد از انها و در زمانی نزدیکتر به زمان ما در قرن دهم میلادی می‌توان به پزشک ایرانی محمدبن ذکریای رازی اشاره کرد که استفاده ازمواد شیمیایی از قبیل مس و زاج و جیوه و نمک ارسنیک ونمک امونیم وطلا وگچ وخاک رس وصدف و قیروالکل را به منظور معالجه بیماری‌ها متداول ساخت. ساخت اولین داروی شیمی درمانی سرطان به اوایل قرن بیستم برمی‌گردد ولی در اصل این دارو به این منظور ساخته نشد و قصد استفاده از ان به عنوان دارو نبود .این ماده گاز خردل بود که در جنگ جهانی اول به عنوان سلاح جنگی به کار برده شدو در فاصله جنگ جهانی اول ودوم ودر جنگ جهانی دوم نیز بر روی ان مطالعاتی صورت گرفت.در طول جنگ جهانی دوم مشاهده شد که تعدادی از افراد که به صورت اتفاقی این گاز را تنفس کرده‌اند.تعداد گلبولهای سفید در خون این افراد به شدت کاهش یافته‌است.واین فرضیه بنا شد که اگر گاز خردل می‌تواند روند رشد سریع در تولید گلبولهای سفید را متوقف ویا کم کند پس می‌تواند بر روی سلولهای سرطانی نیز چنین اثری داشته باشد.بنابر این در سال ۱۹۴۰ در تعدادی از افراد که به نوع پیشرفته لیمفوما( سرطانی که به گلبولهای سفید خون مرتبط است) مبتلا بودند دارو به جای ورود از راه تنفس به سیاهرگ آنها تزریق شد. بهبود انها موقتی ولی قابل ملاحظه بود . این تجربه به تحقیقات گسترده در باره مواد مشابهی که بتوانند بر روی سلول‌های سرطانی چنین اثری بگذارند انجامید. صنایع چند ملیارد دلاری داروسازی ساخته شد وانقلابی هدفمند درزمینه داروسازی به وقوع پیوست.ولی محدودیت‌های در زمینه داروهای شیمایی وجود داشت که هنوز نیز وجود دارد. 

اساس و مبنای عملکرد 

سرطان اصولا یک روند رشد در تولید مثل سلولهاست که قابل کنترل نیست وهمراه با رفتارهای خطرناک وهجومی این توده سلولی می‌باشد. سرطان ممکن است بنا به دلایل ژنتیکی و یا محیطی رخ دهد.به طور کلی بسیاری از داروهای شیمیایی که به منظور شیمی درمانی سرطان به کار برده می‌شوند بر روی تقسیم سلولی سلول‌های سرطانی اثر میگذارند به خصوص در مورد ان دسته از سرطانهایی که سرعت تقسیم سلولی در انها بسیار بالاست. این داروها که سبب اسیب رساندن به سلول می‌شوند. سایتوتوکسیک نامیده می‌شوند برخی از این داروها باعث می‌شوند که سلول‌ دستخوش تغییرات اساسی شده و رشد آن متوقف شود که به برنامه ریزی برای مرگ سلول نیز معروف است. دانشمندان هنوز در حال بررسی ومطالعه ویژگی‌های منحصر به فرد سلول‌های سرطانی خطرناک ومقاوم هستند تا بتوانند انها را به طور ویژه مورد هدف قرار دهند.این کار به این دلیل است که در طول فرایند شیمی درمانی علاوه بر سلول‌های سرطانی سلول‌های دیگر مانند سلول‌های مربوط به رشد مو وسلولهای داخلی روده که سرعت رشد بالای دارند مورد حمله قرار می‌گیرند وجریان رشد انها نیز متوقف می‌شود که با عث اختلال در امور بیمار می‌شود. اگرچه بعضی از داروهای مناسب تر نیز ساخته شده که پزشکان را قادر می‌سازد تا به نحو بهتر به درمان سرطان بپردازند. شیمی درمانی بر روی تقسیم سلولی تاثیر می‌گذارد وبه ویژه تومورهای با رشد بالا بیشتر تاثیر می‌پذیرند.چراکه در هر حال تعداد زیادی از سلول که در حال تقسیم هستند مورد حمله قرار می‌گیرند.وتومورهای بدخیم با رشد پایین بیشتر کمتر تاثیر می پذیرند. دارو بر روی تومورهای جوان بسیار بهتر عمل می‌کند چرا که مکانیسم منظم تقسیم سلولی را متوقف می‌کند وتولید مثل موفق را باز می‌دارد ورشد، بسیار نامنظم شوه وهمین باعث می‌شود تا تومور کمتراز داروی شیمیایی تاثیر بپذیرد ودیگر به آن حساس نباشد. مشکل دیگری که با تومورهای سفت وتوپر داریم این است که شیمی درمانی به هسته تومور نمی‌رسد و راه حل این کار استفاده از لیزر وپرتو درمانی یا عمل جراحی است. باگذشت زمان سلول‌های سرطانی بیشتر از خود مقاومت نشان می‌دهند حتی اخیرا کشف شده که بر روی سلول‌های سرطانی نوعی پمپ وجود دارد که مواد شیمی درمانی را از داخل سلول خارج می‌کند. تحقیق در مورداین نوع پمپهاادامه داردو دارو سازان برای جلو گیری از اعمال این نوع پمپ‌ها در تلاشند. 

طرح‌های معالجه‌ای 

امروزه استراتژی‌های زیادی به منظور معالجه وکنترل سرطان با استفاده از شیمی درمانی در حال اجرا است. شیمی درمانی ممکن است به منظور معالجه برای شفای بیمار و یا به منظور طولانی کردن عمر بیمار و تسکین درد بیمار به کار برده شود.

شیمی درمانی ترکیبی : از داروهای شیمیای همراه با دیگر درمان‌های سرطان از قبیل پرتو درمانی یا عمل جراحی استفاده می‌شود.در حال حاضر بسیاری از سرطان‌ها بدین گونه معالجه می‌شوند این نوع درمان مانند این است که بیمار را همزمان با استفاده از چند دارو معالجه کنند.این داروها در نحوه عمل ومکانیسم متفاوت هستند.مهمترین منفعت این روش کاهش مقاومت سلول‌های سرطانی درمقابل هرنوع از این داروها است.

شیمی درمانی نئوآدجوونت (یا درمان پیش معالج)

در این روش دارو به منظور کوچک کردن وکم حجم کردن تومور اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرد وزمینه را برای درمان موضعی (جراحی و پرتو درمانی) آماده می‌کند وخطرات ناشی از این نوع معاجه‌ها را کاهش می‌دهد.

شیمی درمانی آد جوونت

زمانی این روش کاربرد دارد که شواهد کمی از حضور سرطان وجود داشته باشد ولی ریسک اینکه سرطان عود کند وجود دارد داروها کمک می‌کند که مقاومت سرطان در مقابل دیگر داروها کاهش یابد و همچنین می‌تواند سلول‌های سرطانی را که در دیگر بخش‌های بدن پخش شده‌است بکشد.این دارو بیشتر در تومورهای تازه که سرعت رشد آنها زیاد است سود مند است چون زمینه را برای معالجه دارویی فراهم می‌کند. البته باید توجه کرد که تمام دوره‌ها و رده‌های شیمی درمانی به وضعیت بیمار ومستعد بودن بیمار برای نوع معالجه بستگی دارد.وضعیت عملکرد دارو معمولاً به عنوان معیار برای اینکه ایا بیمار می‌تواند داروی شیمیایی مصرف کند و یا اینکه کاهش در مقدار مصرف یا افزایش ان باید چگونه باشد استفاده می‌شود.

انواع داروهای شیمی درمانی

عمده داروهای مورد استفاده در شیمی درمانی می‌تواند در دسته‌های زیر قرار بگیردکه شامل عوامل آلکالوئید، آنتی متابولیت‌ها، آنترا سیکلین، مهارکننده‌های توپوایزومرازها وعامل‌های ضد تومور می‌شود. تمام این داروها بر روی تقسیم سلولی اثر می‌گذارد و یا مانع سنتز شدن DNA می‌شود.بعضی از داروهای جدید در محدوده DNA وارد نمی‌شوند این‌ها شامل پاد تن‌های مونوکلونال و مهار کننده‌های جدید تیروزین کیناز می‌شوند که مخصوصا سلول‌های غیر طبیعی انواع خاصی از سرطان‌ها را مورد حمله قرار می‌دهد. علاوه بر این‌ها بعضی از داروها به منظور کنترل و تعدیل رفتار سلول‌های توموری بدون حمله مستقیم به این سلول‌ها به کار برده می‌شود.معالجه هورمونی از این نوع معالجه‌ها می باشد. در حال حاضر یک سیستم طبقه بندی و کدبندی برای مواد شیمی درمانی وجود دارد که این مواد را به گروهای عمده و زیادی تقسیم می‌کند که به اختصار به ان می‌پردازیم. عامل‌های آلکالوئید(A۱LO) : عامل‌های آلکالوئید(شبه قلیایی) به این خاطر اسم گذاری شده‌اند که توانای این را دارند که گروه قلیایی این داروها با تعداد زیادی از گروههای الکترونگاتیو در محیط سلول جفت شوند و پیوند دهند.سیس پلاتین و کربو پلاتین واکسالی پلاتین همه از این نوعند. دیگر داروها مکلورتامین، سیکلوفسفامید و کلرامبوسیل هستند.این عامل‌ها به وسیله تغیر شیمیایی در DNA سلول عمل می‌کنند.

آنتی متابولیت‌ها (B۱LO ) :این داروها از تقسیم سلول با مهارساخت DNA جلوگیری می کنند. وینکا آلکالوئید (AC۱LO): وینکا آلکالویید در محل‌های مخصوصی در توبولین‌ها محصور می‌شوند واز جمع شدن توبولین‌ها در میکرو تیوبها جلو گیری می‌کنند. (یعنی فاز M چرخه سلولی). این داروها از پری وینکیل ماداگاسکار و کاتاراتس روسیس مشتق می‌شوند. وینکا الکالویدها شامل وینکریستین و وین بلاستین و وینور لبین و ویندستاین هستند.

پودوفایلو توکسین (BC۱LO): از ترکیبات مشتق شده گیاهی است که برای تولید دو داروی سایتوستاتیک که "اتوپوساید"و "تنی پوساید" هستند استفاده می‌شود .این‌ها از وارد شدن سلول به فاز۱ G (شروع ساخت مجدد DNA) و شبیه سازی DNA یعنی فاز S جلو گیری می‌کند. البته مکانیسم دقیق این عمل‌ها هنوز به طور کامل شناسایی نشده‌است.

محاسبه نسبت بار به جرم الکترون

جوزف تامسون چگونه نسبت بار به جرم الکترون رااندازه گیری کرد؟
آزمایش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الکترون )
در آزمایش تامسون از اثر میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی استفاده شده است. دستگاهی که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است از قسمتهای زیر تشکیل شده است:
الف ) اطاق یونش که در حقیقت چشمه تهیه الکترون با سرعت معین می باشد بین کاتد و آند قرار گرفته است. در این قسمت در اثر تخلیه الکتریکی درون گاز ذرات کاتدی ( الکترون ) بوجود آمده بطرف قطب مثبت حرکت می کنند و با سرعت معینی از منفذی که روی آند تعبیه شده گذشته وارد قسمت دوم می شود. اگر بار الکتریکی q تحت تاثیر یک میدان الکتریکی بشدت E قرار گیرد، نیروییکه از طرف میدان بر این بار الکتریکی وارد می شود برابر است با:
F= q.E
در آزمایش تامسون چون ذرات الکترون می باشند q = -e بنابراین:
F= -eE
از طرف دیگر چون شدت میدان E در جهت پتانسیلهای نزولی یعنی از قطب مثبت بطرف قطب منفی است بنابراین جهت نیرویF در خلاف جهت یعنی از قطب منفی بطرف قطب مثبت می باشد. اگرx فاصله بین آند و کاتد باشد کار نیروی F در این فاصله برابر است با تغییرات انرژی جنبشی ذرات .
از آنجاییکه کار انجام شده در این فاصله برابراست با مقدار بار ذره در اختلاف پتانسیل موجود بین کاتد وآند بنابراین خواهیم داشت :
ev0 =½m0v2
که در آن v0 اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند e بار الکترون v سرعت الکترون و m0 جرم آن می باشد. بدیهی است اگر v0 زیاد نباشد یعنی تا حدود هزار ولت رابطه فوق صدق می کند یعنی سرعت الکترون مقداری خواهد بود که می توان از تغییرات جرم آن صرفنظ نمود . بنابراین سرعت الکترون در لحظه عبور از آند بسمت قسمت دوم دستگاه برابر است با:
v = √(2e v0/ m0)
ب) قسمت دوم دستگاه که پرتو الکترونی با سرعت v وارد آن می شود شامل قسمتهای زیر است :

۱- یک خازن مسطح که از دو جوشن A وB تشکیل شده است اختلاف پتانسیل بین دو جوشن حدود دویست تا سیصد ولت می باشد اگر پتانسیل بین دو جوشن را به v1 و فاصله دو جوشن را به d نمایش دهیم شدت میدان الکتریکی درون این خازن E = v1/d خواهد بود که در جهت پتانسیلهای نزولی است.
2- یک آهنربا که در دو طرف حباب شیشه ای قرار گرفته و در داخل دو جوشن خازن: یک میدان مغناطیسی با شدت B ایجاد می نماید . آهنربا را طوری قرار دهید که میدان مغناطیسی حاصل بر امتداد ox امتداد سرعت - و امتداد oy امتداد میدان الکتریکی - عمود باشد.
پ) قسمت سوم دستگاه سطح درونی آن به روی سولفید آغشته شده که محل برخورد الکترونها را مشخص می کند.
وقتی الکترو از آند گذشت و وارد قسمت دوم شد اگر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی تاثیر ننمایند نیرویی بر آنها وارد نمی شود لذا مسیر ذرات یعنی پرتو الکترونی مستقیم و در امتداد ox امتداد سرعت ) خواهد بود و در مرکز پرده حساس p یعنی نقطه p0 اثر نورانی ظاهر می سازد.
اگر بین دو جوشن خازن اختلاف پتانسیلv1 را برقرار کنیم شدت میدان الکتریکی دارای مقدار معین E خواهد بود و نیروی وارد از طرف چنین میدانی بر الکترون برابر است با FE = e E این نیرو در امتداد oy و در خلاف جهت میدان یعنی از بالا به پایین است.

میدان مغناطیسی B را طوری قرار می دهند که برسرعتv عمود باشد . الکترون در عین حال در میدان مغناطیسی هم قرار می گیرد و نیرویی از طرف این میدان بر آن وارد می شود که عمود بر سرعت و بر میدان خواهد بود . اگر این نیرو را بصورت حاصلضرب برداری نشان دهیم برابر است با:
FM = q.(VXB)
در اینجا q = e پس:
FM = q.(VXB)
و مقدار عددی این نیرو مساوی است با F = e v B زیرا میدان B بر سرعت v عمود است یعنی زاویه بین آنها 90 درجه و سینوس آن برابر واحد است. اگر میدان B عمود بر صفحه تصویر و جهت آن بجلوی صفحه تصویر باشد امتداد و جهت نیروی FM در جهت oy یعنی در خلاف جهت FE خواهد بود. حال میدان مغناطیسی B را طوری تنظیم می نمایند کهFE = FM گردد و این دو نیرو همدیگر را خنثی نمایند. این حالت وقتی دست می دهد که اثر پرتو الکترونی روی پرده بی تغییر بماند پس در این صورت خواهیم داشت:
FM = FE
e.v.B = e E
v = E/ B
چون مقدار E و B معلوم است لذا از این رابطه مقدار سرعت الکترون در لحظه ورودی به خازن بدست می اید . حال که سرعت الکترون بدست آمد میدان مغناطیسی B را حذف می کنیم تا میدان الکتریکی به تنهای بر الکترون تاثیر نماید . از آنجاییکه در جهت ox نیرویی بر الکترون وارد نمی شود و فقط نیروی FE بطور دائم آنرا بطرف پایین می کشد لذا حرکت الکترون در داخل خازن مشابه حرکت پرتابی یک گلوله در امتداد افقی می باشد و چون سرعت الکترون را نسبتا کوچک در نظر می گیریم معادلات حرکت الکترون ( پرتو الکترونی ) در دو جهت ox و oy معادلات دیفرانسیل بوده و عبارت خواهد بود از :
m0(d2x /dt2)=0 در امتداox
m0(d2y /dt2)=e. E در امتداoy
با توجه به اینکه مبدا حرکت را نقطه ورود به خازن فرض می کنیم اگر از معادلات فوق انتگرال بگیریم خواهیم داشت:
y=(1/2)(e.E)t2/m0
x=v.t
معادلات فوق نشان می دهد که مسیر حرکت یک سهمی است و مقدار انحراف پرتو الکترونی از امتداد اولیه (ox ) در نقطه خروج از خازن مقدار y در این لحظه خواهد بود . اگرطول خازن را به L نمایش دهیم x = L زمان لازم برای سیدن به انتهای خازن عبارت خواهد بود از t = L / v اگر این مقدار t را در معادله y قرار دهیم مقدار انحراف در لحظه خروج از خازن به دست می آید:
Y = ½ e( E/m0) ( L/ v )2
e/ m0 = ( 2y/ E ) ( v/ L )2
که در آن v سرعت الکترون که قبلا بدست آمده است. L و E بترتیب طول خازن و شدت میدان الکتریکی که هر دو معلوم است پس اگر مقدار y را اندازه بگیریم بار ویژه یا e/m0 محاسبه می شود.
پس از خروج الکترون از خازن دیگر هیچ نیرویی بر آن وارد نمی شود بنابراین از آن لحظه به بعد حرکت ذره مستقیم الخط خواهد بود و مسیر آن مماس بر سهمی در نقطه خروج از خازن است . اگر a فاصله پرده از خازن یعنی D P0 باشد می توانیم بنویسیم:
P0P1 = y + DP0 tgθ
tgθعبارتست از ضریب زاویه مماس بر منحنی مسیر در نقطه خروج از خازن و بنابراین مقدار یست معلوم پس باید با اندازه گرفتن فاصله اثر روی پرده( P0 P1)به مقدار y رسید و در نتیجه می توانیم e/ m0 را محاسبه نماییم.
مقداری که در آزمایشات اولیه بدست آمده بود 108×7/1 کولن بر گرم بود مقداریکه امروزه مورد قبول است و دقیقتر از مقدار قبلی است برابر 108×7589/1 کولن بر گرم است.
علاوه بر تامسون، میلیکان نیز از سال 1906 تا 1913 به مدت هفت سال با روشی متفاوت به اندازه گیری بار الکترون پرداخت.

نیروی الکتریکی موثر هسته ومدارهای اتم

نیروی الکتریکی موثر هسته، عبارت از نیروی الکتریکی است که یک الکترون را به طرف هسته می کشد. مثال اتم هیدروژن دارای یک پروتون و یک الکترون است. فرض کنیم نیروی الکتریکی که از طرف هسته بر الکترون وارد می شود برابر یک واحد باشد. اتم هلیوم دارای دو پروتون و الکترون است. اما نیرویی الکتریکی که بر هریک از الکترونهای اتم هلیوم وارد می شود، برابر دو واحد نیست و نیروی الکتریکی موثری که بر هر الکترون در اتم هلیوم وارد می شود تقریباً برابر 1.7 واحد است.

قاعده ی استالر : Staler's Rule برای نخستین بار استالر روش ساده ای برای محاسبه نیروی الکتریکی موثر وارد به هر الکترون را ارائه داد. بنابر روش استالر نیروی الکتریکی هسته که بر هر الکترون وارد می شود، به اندازه ی S کاهش می یابد و نیروی موثر هسته از رابطه ی زیر به دست می آید.
Z*=Z-S.
که در آن Z* , Z, S. به ترتیب نیروی الکتریکی موثر هسته، عدد اتمی و مقدار استالر ، یعنی مقداری که از نیروی الکتریکی واقعی کاهش می یابد. با توجه به روش استالر نخست باید توجه کرد که الکترون در کدامیک از مدارات اصلی یا فرعی که بصوررت زیر داده می شود، قرار دارد:
(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5 f)...
در این روش الکترونهای سمت راست روی نیروی الکتریکی هسته که بر یک الکترون وارد می شود، تاثیری ندارند فرض کنیم می خواهیم نیروی الکتریکی موثر بر الکترونی را که در مدار n قرار دارد حساب کنیم در هر گروه، هر الکترون به اندازه ی 0.35 واحد از مقدار نیروی الکتریکی که از طرف هسته اعمال می شود، می کاهند. الکترونهای گروه (s,p) n-1 به اندازه 0.85 واحد می کاهند. الکترونهای گروه n-2 به اندازه 1 واحد می کاهند .
مثال: در اتم Sc که شامل 21 پروتون است داریم:
S(4s) = 1 x (.35) + 9 x .85 + 10 x 1.0 = 18
So, Z*=21-18=3.
Example 2: As from a 3d perspective (Its nuclear has 33 protons);
S(3d)=20.3 and Z*=33-20.3=12.7

روش کلمنتی و رایموندی :Clementi and Raimondi کلمنتی و رایموندی کار خود را روی نیروی الکتریکی موثر هسته در سال 1960 شروع کردند. در این زمان اطلاعات زیادی در زمینه مدارات و مولکولها جمع آوری شده بود و کامپپوتر نیز اختراع شده بود که در محاسبات بسیار مفید بود. ایشان با استفاده از تابع موج روی اتمهای مختلف از هیدروژن تا کریپتون کار کردند و یک روش ریاضی برای محاسبه نیروی الکتریکی موثر هسته ارائه دادند. نتایج این روش دقیق تر از روش استالر بود :
در روش کلمنتی
Atom : Sc,4s
Staler : Z*=3
Clementi : Z*=4.632
Atom : Sc,3d
Staler : Z*=12.7.
Clementi : Z*=17.378


توجه :
قاعده ی استالر و روش کلمنتی بر مبنای آزمایش استوار است و و هیچگونه توضیح نظری ندارد که چرا بایستی نیروی الکتریکی هسته برای رسیدن به الکترون در اتمهایی که بیش از یک الکترون دارند، کاهش یابد. اجازه بدهید این پدیده را از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی کنیم. آیا نیرو تباه می شود؟ اگر نیرو تباه نمی شود، پس چرا نیروی موثر هسته از یک مدار به مدار دیگر کاهش می یابد؟ برای مقدار نیرویی که کاهش می یابد، چه اتفاقی می افتد؟ آیا نیرو تبدیل پذیر است؟ نیرو به چه چیزی تبدیل می شود؟ هنگامیکه یک الکترون به طرف پروتون شتاب می گیرد، انرژی الکترون افزایش می یابد. سئوال این است که برای مقدار نیروی موجود در میدان چه اتفاقی می افتد؟ با توجه به نظریه سی. پی. اچ. نیرو و انرژی به یکدیگر قابل تبدیل هستند. اجازه بدهید کاهش نیروی الکتریکی هسته را با استفاده از تبدیل نیرو و انرژی به یکدیگر توضیح دهیم.

کار کوانتومی است
در مورد قضیه کار انرژی W=DE برخوردی دوگانه وجود دارد. قسمت کار آن را با مکانیک کلاسیک مد نظر قرار می دهند و کار را کمیتی پیوسته در نظر می گیرند، در حالیکه با انرژی آن برخوردی کوانتومی دارند. در واقع بایستی هر دو طرف رابطه را با دید کوانتومی در نظر گرفت. در این مورد مثالهای زیادی می توان ارائه داد که با این برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. هنگامیکه یک فوتون در میدان گرانشی سقوط می کند، انرژی آن افزایش می یابد. همچنانکه می دانیم انرژی فوتون کوانتومی است، لذا کار انجام شده روی آن نیز باید کوانتومی باشد. یک کوانتوم کار را بصورت زیر تعریف می کنیم:
Wq=FgLp
که در آن Wq, Fg, Lp از چپ براست به ترتیب کوانتوم کار، کوانتوم نیروی گرانش و طول پلانک است. و در حالت کلی مقدار کار از رابطه ی زیر به دست می آید :
W=nWq, n is an integer number. (n=...-2, -1, 0, 1, 2...)
با این تعریف نیروی الکتریکی موثر هسته را بررسی می کنیم.

نیروی الکتریکی موثر هسته
با توجه به نظریه سی. پی. اچ. هنگامیکه نیرو روی یک ذره/جسم کار انجام می دهد، اگر کار مثبت باشد، نیرو به انرژی تبدیل می شود و اگر کار منفی باشد، در این صورت انرژی به نیرو تبدیل می شود. فرض کنیم یک اتم با تعداد Z پروتون و نیروی الکتریکی هسته Fz و نیروی الکتریکی موثر *Fz را روی یک الکترون اعمال می کند. در طی زمانیکه نیروی الکتریکی می خواهد به الکترون مورد نظر برسد، روی سایر الکترونهایی که در مسیر یا اطراف آن وجود دارند، کار انجام می دهد. بنابراین مقدار Fw به انرژی تبدیل می شود، یعنی E=W و به اندازه Fw از مقدار Fz کاسته خواهد شد و داریم Fz*=Fz - Fw با توجه به مدار بندی زیر:
(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5 f)...
نیروی الکتریکی هسته برای رسیدن به الکترون مورد نظر، روی الکترونهای سمت راست مدار بندی، هیچگونه کاری انجام نمیدهد.