مستويات الطاقة الإلكترونية للذرات - الجزء الأول

وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، يشير قانون نيوتن الأول إلى أنه إذا كان الإلكترون يتحرك في مسار منحني حول النواة، فسيكون لديه تسارع بسبب التغيير في الاتجاه. وتشير الفيزياء الكلاسيكية أيضًا إلى أن الجسيم المشحون المتسارع يجب أن يصدر باستمرار الطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي. وهذا يعني أن الإلكترون سوف يتعرض لخسارة في الطاقة. ولكن بعد ذلك قد ينشأ سؤال. إذا كانت الإلكترونات الموجودة حول النواة تفقد الطاقة بشكل مستمر، فمن المفترض في النهاية أن تصطدم بالنواة. لماذا لا يحدث هذا؟.

سيتم تدمير بنية الذرة إذا اصطدمت الإلكترونات بالنواة. فما هو إذن الهيكل الفعلي للذرات؟. هل يتحدى الفيزياء الكلاسيكية؟. للإجابة على هذا السؤال، قدم بور في عام 1913 بنية الذرة. قدم فكرة الطاقة الثابتة ومسار الإلكترونات. افترض أن الإلكترونات تدور حول النواة في مسارات ثابتة لها طاقة ثابتة. كما أوضح أن الإلكترونات لا تستطيع القفز بين مسارات مختلفة من الطاقة الثابتة حول النواة إلا عن طريق امتصاص أو إصدار الطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي.

لذا، عندما يقفز إلكترون من مستوى طاقة أقل، مثلا n=1، إلى مستوى طاقة أعلى، مثلا n=2، فإنه سوف يمتص كمية محددة من الطاقة تساوي الفرق في الطاقة بين المدارين. يتم امتصاص الطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي.

عندما يقفز إلكترون من مستوى طاقة أعلى، مثلا n=2، إلى مستوى طاقة أقل، مثلا n=1، فإنه يطلق طاقة تساوي الفرق في الطاقة بين المدارين. يتم إصدار الطاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي.

يتم إعطاء الفرق في الطاقة بين مستويي الطاقة بواسطة الصيغة الموضحة في الأعلىv هو تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي، وE2 هي طاقة الغلاف الثاني، و E1 هي طاقة الغلاف الأول، و h هو ثابت بلانك. ويمكننا أيضًا كتابة هذا التعبير كما هو موضح أدناه.

إذا كان فرق الطاقة عددًا صحيحًا موجبًا، فسيتم امتصاص الطاقة. إذا كان عددًا صحيحًا سالبًا، فسيتم تحرير الطاقة. لذلك، يمكننا القول أن فرق الطاقة بين مستويين للطاقة يتناسب عكسيا مع طول موجة الإشعاع. لذا، كلما زاد فرق الطاقة، كلما كان طول موجة الإشعاع المنبعث أو الممتص أقصر.

نموذج بور الذري للكربون موضح أدناه. يحتوي على إلكترونين في الغلاف الأول و 4 إلكترونات في الغلاف الثاني.

يحتوي نموذج بور للفلور على إلكترونين في الغلاف الأول و 7 إلكترونات في الغلاف الثاني.

فيما يلي نماذج بور للألمنيوم والفوسفور والأكسجين والليثيوم.

لم يتمكن بور إلا من تفسير فقدان أو اكتساب الطاقة بين القذائف. عندما يقفز الإلكترون من غلاف طاقة أعلى إلى غلاف طاقة أقل، يتم الحصول على خط طيفي لأن الإلكترون يصدر طاقة في هذه الحالة. ومع ذلك، في وجود المجال المغناطيسي، يحدث شيء خاص!. يمكن رؤية أكثر من خط طيفي. قم بإلقاء نظرة على الخطوط الطيفية بدون مجال مغناطيسي ومع مجال مغناطيسي، كما هو موضح هنا. وهذا يشير إلى أن هناك أيضًا مستويات طاقة أخرى داخل الغلاف يمكن للإلكترون أن يتواجد فيها. وتسمى هذه المدارات، والتي سوف نناقشها لاحقًا.

كما نرى، في غياب المجال المغناطيسي، هناك خط طيفي واحد فقط. ولكن في وجود المجال المغناطيسي هناك 3 خطوط طيفية. وهذا يعني أن الإلكترون قد يقفز من مدارات مستوى الطاقة الأعلى إلى مدارات مستوى الطاقة الأدنى. كل مدار لديه طاقة مختلفة عن المدارات الأخرى. وهذا يعني أن أطوال موجية مختلفة من الإشعاع تنبعث عندما تقفز الإلكترونات من هذه المدارات المختلفة. يُعرف هذا التأثير باسم Zeeman effect. ولم يتمكن بور أيضًا من تفسير انقسام الخطوط الطيفية في وجود المجال الكهربائي. وهذا ما يُعرف بتأثير Stark effect. لقد فشل بور في تفسير الطيف الذري للذرات الأخرى غير الهيدروجين. عندما يقفز إلكترون في الذرة من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل فإنه ينبعث منه طاقة. عندما يقفز من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى فإنه يمتص الطاقة. تعتمد كمية الطاقة الممتصة أو المنبعثة على الفرق في مستويات الطاقة.

تمتص الإلكترونات أو تطلق كمية ثابتة من الطاقة وفي شكل فوتونات. Photons هي عبارة عن حزم منفصلة من الطاقة. على سبيل المثال، فوتون الضوء red لديه طاقة محددة تختلف عن فوتون الضوء الأزرق. إذا كان فرق الطاقة بين مستويات الطاقة يساوي طاقة فوتون الضوء red ، فسيتم انبعاث الضوء red أو امتصاصه اعتمادًا على ما إذا كان الإلكترون يقفز من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أدنى أو من مستوى طاقة أدنى إلى مستوى طاقة أعلى. إن التكميم للطاقة يعني أن الطاقة يتم إطلاقها أو امتصاصها بواسطة الإلكترونات في الذرة في شكل فوتونات. الإلكترونات هي جسيمات أساسية. كل إلكترون لديه طاقة محددة مرتبطة به اعتمادًا على مستوى الطاقة الذي يتواجد فيه.

إذا مررنا إشعاعات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة عبر عينة تحتوي على ذرات، فإن بعض الإلكترونات سوف تمتص طول موجي معين من الإشعاع وتثار إلى مستوى طاقة أعلى. إذا قمنا بمراقبة الضوء الذي يمر عبر العينة على شاشة أو جهاز تسجيل، فسوف نجد بعض الفجوات الداكنة في طيف الضوء. لنفترض أن الضوء red تم امتصاصه بواسطة الإلكترونات الموجودة في الذرة. ثم على الطيف، سيظهر نطاق الطول الموجي للضوء red داكنًا، مما يدل على أن الضوء red يتم امتصاصه بواسطة الإلكترونات. يُطلق على الطيف الناتج الذي تم الحصول عليه نتيجة امتصاص الضوء بواسطة الإلكترونات اسم absorption spectrum. على سبيل المثال، يظهر هنا absorption spectrum الهيدروجين. تشير الخطوط الداكنة إلى امتصاص طول موجي محدد للإشعاعات بواسطة الإلكترون في ذرة الهيدروجين.

عندما يمتص الإلكترون الطاقة ويقفز إلى مستوى طاقة أعلى، فإنه يقفز مرة أخرى إلى مستوى طاقة أقل عن طريق إطلاق نفس كمية الطاقة التي تم امتصاصها. تظهر طاقة طول موجي محدد يتم إطلاقها كنتيجة لذلك على شكل خط طيف انبعاثي على الطيف. ويطلق على الطيف الناتج الذي تم الحصول عليه نتيجة لذلك اسم emission spectrum. هذه الأطوال الموجية للإشعاعات هي فقط تلك التي تم إطلاقها عندما تقفز الإلكترونات من مستويات الطاقة الأعلى إلى مستويات الطاقة المنخفضة.

نحن نعلم أن الإلكترونات تتصرف كجسيمات لأنها تمتلك زخمًا وتمتلك كتلة نوعية تبلغ حوالي 9×10^-31 كجم. في عام 1924 قال de Broglie أن أي جسيم له زخم خطي يمكن أن يمتلك خصائص موجية. قدم de Broglie الطول الموجي كما هو موضح في المعادلة.

دعونا نستنتج هذه المعادلة. وفقًا لمعادلة بلانك، فإن E يساوي hv حيث v، هو التردد و h هو ثابت بلانك. كما نعلم، v يساوي c÷ λ. لذلك، يمكن كتابة المعادلة أعلاه كما هو موضح أولاً على اليسار. وفقًا لمعادلة أينشتاين، فإن E يساوي m×c²، وهو ما يظهر أولًا، على اليمين. من خلال استبدال E، نحصل على المعادلة التالية. m×c² يساوي (h ×ج)÷ λ. وهذا، عندما يتم إعادة ترتيبه، يُنتج معادلة de Broglie. λ= h ÷(m×c).

في معادلة de Broglie يمكننا أن نرى أن الطول الموجي λ يرتبط بكتلة الجسيم. الكتلة والطول الموجي يتناسبان عكسيا مع بعضهما البعض مما يدل على أنه كلما زادت كتلة الجسيم كلما كان طوله الموجي أقصر. قدم الفيزيائي الألماني Max Planck theory تشرح امتصاص وانبعاث الإشعاع بواسطة black body. black body هو الجسم الذي يمتص جميع الإشعاعات ولا ينبعث منه أي إشعاع عندما يكون في حالة توازن مع البيئة.

ألق نظرة على هذا الرسم التوضيحي. في هذه الحالة تكون درجة حرارة black body في حالة توازن مع البيئة.

الآن، إذا قمنا بتسخين هذا black body، سيتغير اللون من الأسود إلى red. ثم عند المزيد من التسخين سوف يتغير إلى اللون الأصفر، ثم إلى اللون الأزرق. ولكن لماذا؟.

دعونا أولاً نفهم امتصاص وانبعاث الإشعاع. قدم بلانك أنه عندما يقفز الإلكترون من مستوى طاقة واحد، لنقل E1، إلى مستوى طاقة آخر، لنقل E2، فإنه يمتص طاقة تساوي الفرق في الطاقة بين هذين المستويين من الطاقة ∆E. إنه، E2 – E1 = ∆E. هذا الفرق في الطاقة يتناسب بشكل مباشر مع تردد الإشعاع الممتص. يمكننا القول أن كمية الطاقة التي يمتصها أو ينبعثها الإلكترون تساوي فرق الطاقة بين مستويات الطاقة التي حدث الانتقال بينها. h هو ثابت بلانك و v هو تردد الإشعاع المنبعث أو الممتص. الآن، لفهم كيفية تغير لون black body عند التسخين، يجب أن نلاحظ أن black body يمتص كل الإشعاع عندما تكون درجة حرارته في حالة توازن مع درجة حرارة البيئة. ولهذا السبب نطلق عليه اسم black body لأنه لا ينبعث أي إشعاع في هذه الحالة.

درجة الحرارة البيئية هي 278 كلفن. عندما نقوم بتسخين black body فإنه يمتص الطاقة من الحرارة ويتغير لونه إلى red. كمية الطاقة التي يمتصها black body في هذه الحالة تساوي طاقة الطول الموجي red للإشعاع. وبعد أن امتص الطاقة لم يعد في حالة توازن مع البيئة. وبالتالي سوف يصدر نفس كمية الإشعاع التي تم امتصاصها. من خلال إصدار نفس الكمية من الإشعاع يبدو red. يمكننا القول أن درجة الحرارة تتناسب طرديا مع طاقة الإشعاع الممتصة. وبنفس الطريقة، إذا قمنا increase درجة الحرارة بشكل أكبر، سيتم امتصاص طاقة تساوي الطول الموجي الأصفر والأزرق للإشعاع وسيتم انبعاث نفس الكمية من الطاقة للوصول إلى التوازن.

هذا رسم توضيحي للأطوال الموجية المنبعثة من النجوم. وهو يوضح انبعاث الطول الموجي للإشعاع من النجوم الصفراء والنجوم الزرقاء. وتظهر أيضًا درجات الحرارة المقابلة لها.