thumb|460px|Tabla periódica con las capas electrónicas (en inglés). miniaturadeimagen|Estructura del Vanadio, por ejemplo. Una capa electrónica, capa de electrones o cubierta de electrones designa a la distribución de un orbital alrededor del núcleo de un átomo. Cada capa puede contener un cierto número máximo de electrones y está asociada con un particular rango de energía en función de su distancia al núcleo. En un átomo estable, para que una cierta capa pueda contener o donar electrones, es necesario que todas las anteriores a ella estén completamente ocupadas. Los electrones en la capa electrónica más externa, llamada capa de valencia y que es la única que puede encontrarse parcialmente vacía, determinan las propiedades químicas del elemento químico.
Cada capa puede contener solo un número fijo de electrones: la primera capa puede contener hasta dos electrones, la segunda capa puede contener hasta ocho (2 + 6) electrones, la tercera capa puede contener hasta 18 (2 + 6 + 10) y así. La fórmula general es que la capa n puede, en principio, contener hasta 2 (n2) electrones.Re: Why do electron shells have set limits ? madsci.org, 17 March 1999, Dan Berger, Faculty Chemistry/Science, Bluffton College Para obtener una explicación de por qué existen electrones en estas capas, consulte configuración electrónica.Electron Subshells. Corrosion Source.
Cada capa consta de una o más subcapas, y cada subcapa consta de uno o más orbitales atómicos. Historia En 1913, Bohr propuso un modelo del átomo en el que se indicaba la disposición de los electrones en sus órbitas secuenciales. En ese momento, Bohr permitió que la capacidad de la órbita interior del átomo aumentara hasta ocho electrones a medida que los átomos se hacían más grandes, y "en el esquema que se da a continuación el número de electrones de este anillo [exterior] se pone arbitrariamente igual a la valencia normal del elemento correspondiente". Utilizando estas y otras restricciones, propuso configuraciones que concuerdan con las que ahora sólo se conocen para los seis primeros elementos (Hidrógeno, Helio, Litio, Berilio, Boro y Carbono). "De lo anterior nos lleva al siguiente esquema posible para la disposición de los electrones en los átomos ligeros:"Kragh, Helge. "La segunda teoría atómica de Niels Bohr". Historical Studies in the Physical Sciences, vol. 10, University of California Press, 1979, pp. 123-86, https://doi.org/10.2307/27757389.
La existencia de capas de electrones fue observada por primera vez en el rayo X de Charles Barkla y Henry Moseley. Barkla las llamó con las letras K, L, M, N, O, P, y Q. El origen de esta terminología fue alfabético. Una capa J fue sospechada, pero otros experimentos indicaron que las líneas de absorción de K eran producidas por la primera capa de electrones.
El nombre de las capas de electrones se deriva del modelo de Bohr, en el cual se creía que los conjuntos de electrones orbitaban el núcleo a ciertas distancias, así que sus órbitas formaban capas alrededor de los núcleos.
El fisicoquímico Gilbert Lewis fue el responsable del desarrollo temprano de la teoría de la participación de los electrones de la capa de valencia en los enlaces químicos. Linus Pauling después generalizó y expandió la teoría al aplicar nociones de la mecánica estructural. + Configuraciones propuestas por Bohr en 1913 Elemento Electrones por capa Elemento Electrones por capa Elemento Electrones por capa Hidrógeno 1 Flúor 4, 4, 1 Cloro 8, 4, 4, 1 Helio 2 Neón 8, 2 Argón 8, 8, 2 Litio 2, 1 Sodio 8, 2, 1 Potasio 8, 8, 2, 1 Berilio 2, 2 Magnesio 8, 2, 2 Calcio 8, 8, 2, 2 Boro 2, 3 Aluminio 8, 2, 3 Escandio 8, 8, 2, 3 Carbono 2, 4 Silio 8, 2, 4 Titanio 8, 8, 2, 4 Nitrógeno 4, 3 Fósforo 8, 4, 3 Vanadio 8, 8, 4, 3 Oxígeno 4, 2, 2 Azufre 8, 4, 2, 2 Cromo 8, 8, 4, 2, 2 La terminología de cáscara o capa proviene de la modificación de Arnold Sommerfeld del modelo de Bohr de 1913. Durante este periodo Bohr estaba trabajando con Walther Kossel, cuales artículos del 1914 y 1916 llamaban a las órbitas "cáscaras".W. Kossel, "Über Molekülbildung als Folge des Atombaues", Ann. Phys., 1916, 49, 229-362 (237).Traducido en Helge Kragh, Aarhus, LARS VEGARD, ATOMIC STRUCTURE, AND THE PERIODIC SYSTEM, Bull. Hist. Chem., VOLUME 37, Number 1 (2012), p.43. Sommerfeld conservó el modelo planetario de Bohr, pero añadió órbitas ligeramente elípticas (caracterizadas por números cuánticos adicionales l y m) para explicar la fina estructura espectroscópica de algunos elementos químicos.Donald Sadoway, Introduction to Solid State Chemistry, Lecture 5 Los múltiples electrones con el mismo número cuántico principal (n) tenían órbitas cercanas que formaban una "cáscara" de espesor positivo en lugar de la órbita circular del modelo de Bohr cuyas órbitas llamadas "anillos" estaban descritas por un plano.Bohr, Niels (1913). On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. _Philosophical Magazine_ 26:1--25.
La existencia de cáscaras de electrones se observó experimentalmente por primera vez en los estudios de absorción de rayos X de Charles Barkla y Henry Moseley. El trabajo de Moseley no se refería directamente al estudio de las cáscaras de electrones, porque estaba tratando de demostrar que la tabla periódica no estaba ordenada por peso, sino por la carga de los protones en el núcleo.Uhler, Horace Scudder. "Sobre la ley de Moseley para los espectros de rayos X". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 3, nº 2, National Academy of Sciences, 1917, pp. 88-90, https://www.jstor.org/stable/83748. Sin embargo, dado que el número de electrones en un átomo eléctricamente neutro es igual al número de protones, este trabajo fue extremadamente importante para Niels Bohr, quien mencionó el trabajo de Moseley varias veces en su entrevista de 1962.Entrevista a Niels Bohr 1962 Sesión III https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4517-3 Moseley formaba parte del grupo de Rutherford, al igual que Niels Bohr. Moseley midió las frecuencias de los rayos X emitidos por cada elemento entre el Calcio y el Zinc y descubrió que las frecuencias eran mayores a medida que los elementos se hacían más pesados. Esto condujo a la teoría de que los electrones emitían rayos X cuando se desplazaban a capas inferiores.Kumar, Manjit. Quantum: Einstein, Bohr y el gran debate sobre la naturaleza de la realidad / Manjit Kumar.-1ª ed. americana, 2008. Chap.4. Esto llevó a la conclusión de que los electrones estaban en las envolturas de Kossel con un límite definido por envoltura, etiquetando las envolturas con las letras K, L, M, N, O, P y Q. El origen de esta terminología fue alfabético. Barkla, que trabajaba independientemente de Moseley como experimentalista de espectrometría de rayos X, observó por primera vez en el año 1909 dos tipos distintos de dispersión al disparar rayos X a elementos y los denominó "A" y "B". Barkla describió estos dos tipos de difracción de rayos X: el primero era ajeno al tipo de material utilizado en el experimento y podía polarizarse. El segundo haz de difracción lo denominó "fluorescente" porque dependía del material irradiado.Michael Eckert, Disputed discovery: the beginnings of X-ray diffraction in crystals in 1912 and its repercussions, enero de 2011, Acta crystallographica. Section A, Foundations of crystallography 68(1):30-39 Este artículo del centenario de Laue también se ha publicado en Zeitschrift für Kristallographie [Eckert (2012). Z. Kristallogr. 227 , 27-35]. En aquel momento no se sabía qué significaban estas líneas, pero en 1911 Barkla decidió que podría haber líneas de dispersión anteriores a la "A", así que empezó por la "K".Charles G. Barkla M.A. D.Sc. (1911) XXXIX. The spectra of the fluorescent Röntgen radiations, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 22:129, 396-412, DOI: 10.1080/14786440908637137 Sin embargo, experimentos posteriores indicaron que las líneas de absorción K son producidas por los electrones más internos. Más tarde se descubrió que estas letras correspondían a los valores de n 1, 2, 3, etc. que se utilizaron en el modelo de Bohr. Se utilizan en la notación de Siegbahn espectroscópica.
El trabajo de asignar electrones a conchas fue continuado de 1913 a 1925 por muchos químicos y unos pocos físicos. Niels Bohr fue uno de los pocos físicos que siguieron el trabajo de los químicosT.Hirosigey S.Nisio, "Formation of Bohr's Theory of Atomic Constitution",Jap. Stud.Hist.Set, Nº 3(1964),6-28. de definir la tabla periódica, mientras que Arnold Sommerfeld trabajó más en intentar hacer un modelo de trabajo relativista del átomo que explicara la estructura fina de los espectros desde el punto de vista de la física orbital clásica a través del enfoque Atombau. Einstein y Rutherford, que no seguían la química, desconocían a los químicos que estaban desarrollando teorías de la corteza electrónica de la tabla periódica desde el punto de vista de la química, como Irving Langmuir, Charles Bury, J. J. Thomson, y Gilbert Lewis, que introdujeron correcciones al modelo de Bohr como un máximo de dos electrones en la primera capa, ocho en la siguiente y así sucesivamente, y fueron responsables de explicar la valencia en las capas externas de electrones, y la construcción de átomos añadiendo electrones a las capas externas.Véase la Tabla Periódica para una historia completa. Así que cuando Bohr esbozó su teoría atómica de las capas de electrones en 1922, no había ninguna fórmula matemática para la teoría. Así que Rutherford dijo que le resultaba difícil "formarse una idea de cómo llega a sus conclusiones".Niels Bohr Collected Works, Vol. 4, p. 740. Postal de Arnold Sommerfeld a Bohr, 7 de marzo de 1921.Pais, Abraham (1991), Niels Bohr's Times, in Physics, Philosophy, and Polity (Oxford: Clarendon Press), citado p. 205. Einstein dijo del artículo de Bohr de 1922 que sus "cáscaras electrónicas de los átomos junto con su significado para la química me parecieron un milagro, y me parecen un milagro incluso hoy en día".Schilpp, Paul A. (ed.) (1969), Albert Einstein: Philosopher-Scientist (Nueva York: MJF Books). Colección publicada por primera vez en 1949 como Vol. VII de la serie The Library of Living Philosophers por Open Court, La Salle, IL, Einstein, Albert 'Autobiographical Notes', pp.45-47. . Arnold Sommerfeld, que había seguido la estructura Atombau de los electrones en lugar de Bohr, que estaba familiarizado con los puntos de vista de los químicos sobre la estructura de los electrones, habló de la conferencia de Bohr de 1921 y del artículo de 1922 sobre el modelo de la cáscara como "el mayor avance en la estructura atómica desde 1913".Kumar, Manjit. Quantum: Einstein, Bohr y el gran debate sobre la naturaleza de la realidad / Manjit Kumar.-1ª ed. americana, 2008. Chap.7. Sin embargo, el desarrollo de la capa de electrones de Niels Bohr era básicamente la misma teoría que la del químico Charles Rugeley Bury en su artículo de 1921.Bury, Charles R. (julio de 1921). "Teoría de Langmuir sobre la disposición de los electrones en átomos y moléculas". Revista de la Sociedad Química Americana. 43 (7): 1602–1609. doi:10.1021/ja01440a023. ISSN 0002-7863.The Genesis of the Bohr Atom, John L. Heilbron y Thomas S. Kuhn, Historical Studies in the Physical Sciences, Vol. 1 (1969), pp. vi, 211-290 (81 páginas), University of California Press,p. 285-286.