مستويات الطاقة الإلكترونية للذرات - الجزء الثاني

يمكن تصور توزيع الإلكترونات والبروتونات في الذرة على النحو التالي. الذرة تشبه خلية النحل الصغيرة. خلية النحل بحد ذاتها هي النواة والإلكترونات تشبه النحل الذي يطير حولها. وبالمثل تتكون الذرات من ما يقرب من 90٪ من المساحة الفارغة. لماذا هذا؟. هل تساءلنا يومًا لماذا تنتشر الإلكترونات على مساحة كبيرة بينما تقتصر البروتونات على مساحة صغيرة جدًا؟.

في حالة البروتونات، توجد قوة جذب نووية بينهما تعمل على مسافة قصيرة فقط وتمسك البروتونات معًا. ولكن في حالة الإلكترونات، لا توجد مثل هذه القوة النووية للجذب. إنها مجرد قوة تنافر كهربائية بينهما. ولهذا السبب تتوزع الإلكترونات على مسافات كبيرة من النواة.

يمكن فهم هذا التوزيع بشكل أفضل من خلال إدخال مصطلح مستويات الطاقة. هناك 4 مستويات طاقة رئيسية تسمى غلاف K، غلاف L، غلاف M و غلاف N. الغلاف K لديه قدرة استيعاب للإلكترونات تبلغ 2. تتمتع القشرة L بسعة استيعابية تصل إلى 8. تحتوي القشرة M على 18 سعة استيعابية والغلاف N لديه سعة استيعابية تبلغ 32. كلما اقترب الإلكترون من النواة، كلما قلت الطاقة التي يمتلكها. كلما كان بعيدًا عن النواة، كلما زادت الطاقة التي يحملها. وتنقسم كل قذيفة إلى قذائف فرعية. تتكون الغلافات الفرعية من المدارات.

يظهر أدناه رسم توضيحي للقواقع والقواقع الفرعية. كما نرى فإن غلاف K هو الأقرب إلى النواة ويتكون من غلاف فرعي s فقط. أما الغلاف الثاني وهو غلاف L فيتكون من غلاف فرعي s وغلاف فرعي ap. تتكون القشرة M من غلافات فرعية s و p و d. يتكون الغلاف N من غلافات فرعية s و p و d و f. تتوزع الإلكترونات في تسلسل أولاً في مستوى الطاقة الأدنى ثم في مستوى الطاقة الأعلى.

تتكون الغلافات الفرعية s وp وd وf أيضًا من مدارات. دعونا نفهم مصطلح المداري. تتحرك الإلكترونات في الذرة بسرعة كبيرة في مساحة صغيرة لدرجة أنه من غير الممكن العثور على الموضع الدقيق للإلكترونات. المدار هو مساحة حول الذرة حيث تكون احتمالية العثور على الإلكترون هي الحد الأقصى. على سبيل المثال، يوضح الرسم التوضيحي هنا أنه من المرجح أن يكون من الممكن العثور على الإلكترون في المنطقة الكروية المحيطة بالنواة. يُطلق على احتمال وجود إلكترون في منطقة معينة اسم كثافة الإلكترون. لماذا نسميها كثافة الإلكترون وليس الإلكترون؟. لأننا لسنا متأكدين من موضع الإلكترون في لحظة محددة، فإننا نسمي تلك المنطقة بالمدارية والإلكترون في تلك المنطقة بكثافة الإلكترون.

يظهر هنا تفصيل القذائف والقذائف الفرعية والمدارات. تحتوي قشرة K على قشرة فرعية واحدة تسمى s. تحتوي القشرة L على غلافين فرعيين s و p. تحتوي القشرة M على ثلاث غلافات فرعية s وp وd. تحتوي القشرة N على أربع غلافات فرعية وهي s، p، d، وf. يمكن لكل مداري أن يحمل إلكترونين كحد أقصى.

سنناقش الآن أشكال المدارات. المدار S له شكل كروي. وهذا يعني أن كثافة الإلكترون تكون على شكل كرة في هذا المدار حول النواة.

المدارات P لها شكل الدمبل. في هذا المدار تكون كثافة الإلكترونات على شكل أزواج من الفصوص على الجانبين المتقابلين للنواة. تتكون المدارات P من المدار Px الذي يتم محاذاته على المحور x، Pyالمداري الذي يتم محاذاته على المحور Y والمدار Pz الذي يتم محاذاته على المحور Z.

تتكون الطبقة الفرعية d من 5 مدارات. يتم توضيح مدارات الغلاف الفرعي d هنا. إنهم يمتلكون هندسة معقدة.

تتكون الطبقة الفرعية f من 7 مدارات. وقد تم توضيحها هنا. إنهم يمتلكون هندسة معقدة للغاية.

تم تقديم مجموعة جديدة من الأرقام لوصف وجود إلكترون محدد، في مدار محدد، أو غلاف فرعي محدد، أو غلاف محدد. على سبيل المثال، الأرقام [2,1,-1,-1/2]. 2 يعني أن الإلكترون موجود في الغلاف الثاني وهو غلاف M. 1 يعني أن الإلكترون موجود في الغلاف الفرعي p من الغلاف M. -1 يعني أن الإلكترون موجود في المدار Px من الغلاف الفرعي P من غلاف M. -1/2 يمثل دوران الإلكترون عكس اتجاه عقارب الساعة. مربك بعض الشيء، أليس كذلك؟. دعونا ندرس هذه الأرقام الكمومية بالتفصيل بشكل فردي لنرى كيف تصف الإلكترون.

هناك 4 أرقام كمية. الرقم الكمي الرئيسي الممثل بـ n يصف الغلاف الرئيسي للذرة. وهو يصف المسافة بين الإلكترون والنواة. يمكن أن يكون n 1،2،3 أو ​​4. n=1 يمثل غلاف K. n=2 يمثل الغلاف L. n=3 يمثل الغلاف M. n=4 يمثل الغلاف N. يمكننا أيضًا إيجاد عدد المدارات في غلاف معين بالصيغة n². على سبيل المثال، بالنسبة للغلاف الثاني n=2 وسيكون عدد المدارات 2²، أي 4، تسمى s، px، py وpz.

العدد الكمي الثاني هو العدد الكمي السمتي الممثل بـ l. يمكن أن يكون 0،1،2،3. إنه l=n-1. يكون l دائمًا أقل من n برقم واحد. يصف الرقم الكمومي السمتي أشكال الغلافات الفرعية. l=0 يصف الغلاف الفرعي s ذو الشكل الكروي. l=1 يصف الغلاف الفرعي p على شكل دمبل. l=2 يصف الغلاف الفرعي d. l=3 يصف الغلاف الفرعي f.

l يبدأ دائمًا من n=l+1 shell. على سبيل المثال، l=1، وهو المدار p، يبدأ من n=1 + 1 وهو 2. وبالتالي، تبدأ الطبقة الفرعية p من الطبقة الثانية. وبالمثل، d=2 وهو المداري d، يبدأ من n = 2 + 1 وهو 3. وبالتالي، تبدأ الطبقة الفرعية d من الطبقة الثالثة. يُعرف l أيضًا باسم العدد الكمومي الزاوي المداري.

العدد الكمومي الثالث هو العدد الكمومي المغناطيسي الممثل بـ ml. إنه يحدد اتجاه المدار الذي يمتلك طاقة وشكلًا محددين في الفضاء. يخبرنا عن عدد المدارات في الغلاف الفرعي. بالنسبة لقيمة معينة لـ l يمكننا إيجاد عدد المدارات مثل ml= 2l + 1. على سبيل المثال، بالنسبة للمدار d l = 2، لذا ml = 2×2 + 1، وهو 5 مدارات. لذا فإن الغلاف الفرعي d يحتوي على 5 مدارات موجهة بشكل مختلف في الفضاء. فيما يتعلق بتوجيه المداري، بالنسبة لقيمة معينة من الرقم الكمي السمتي l فإن قيمة ml تتراوح من -l إلى +l، بما في ذلك 0. على سبيل المثال، بالنسبة للغلاف الفرعي p، l = 1 وقيمة ml ستكون -1,0,+1. القيم الممكنة لـ ml لقيمة معينة من l موضحة هنا.

يتم هنا تمثيل العدد الكمومي المغناطيسي للمدار p. بالنسبة للطبقة الفرعية p، l = 1، وقيمة ml ستكون، -1,0,+1.

الرقم الكمومي الرابع هو الرقم الكمومي الدوراني، ويمثله ms. نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في المدار مشحونة سلبًا، وتدور حول محورها الخاص، يتم إنتاج مجال مغناطيسي. لذلك، في المدار، إذا دارت إلكترونين في نفس الاتجاه، فإن المجال المغناطيسي الناتج عنهما سوف يتنافر مع بعضهما البعض. وبالتالي تصبح الذرة غير مستقرة. لتجنب هذا عدم الاستقرار، تدور الإلكترونات الموجودة في المدار في اتجاهين متعاكسين لبعضها البعض، وتلغي المجالات المغناطيسية الناتجة بعضها البعض. يدور الإلكترون الأول حول محوره في اتجاه عقارب الساعة، بينما يدور الإلكترون الثاني في اتجاه عكس عقارب الساعة. -1/2 مخصص للدوران في اتجاه عقارب الساعة للإلكترون و +1/2 مخصص للدوران عكس اتجاه عقارب الساعة.

الآن إذا كتبنا بعض الأرقام مثل [2,1,-1,-1/2] فسيكون من الواضح جدًا فهم هذه الأرقام فيما يتعلق بما تمثله. الأول هو العدد الكمي الرئيسي. والثاني هو العدد الكمومي السمتي. الثالث هو العدد الكمي المغناطيسي. الرابع هو رقم الكم المغزلي.