الوسم: الذرات

توزيع إلكتروني

المدارات الإلكترونية الذرية والجزيئية فى الفيزياء الذرية , التوزيع الإلكتروني هو ترتيب الإلكترونات فى الذرة , الجزيء , أو أى جسم أخر . وبالتحديد هو مكان تواجد الإلكترونات فى المدارات الذرية والجزيئية أو أى شكل من أشكال المدارات الإلكترونية .

لماذا التوزيع الإلكتروني
تصور التوزيع الإلكتروني تم توقعه بناءا على ثلاث حقائق :

1-فى الفراغ الضيق للذرة أو الجزيء , فإن طاقة وخواص الإلكترون الأخرى تكون محددة كميا , أو مقيدة لحالة محددة . وهذه الحالات يتم تعيينها بالمدارات الإلكترونية . وكل حالة بصفة عامة لها طاقة مختلفة عن أى حالة أخرى .

2-الإلكترونات هى فيرميونات وعلى هذا فهى تقع تحت مبدأ الإستبعاد لباولي , والذى ينص على أنه لا يمكن لإثنين من الفيرميونات أن يشغلا نفس حالة الكم . فبمجردج شغل حالة بإلكترون , فإن الإلكترون التالي يجب ان يشغل حالة مختلفة . فى الذرات , يتم تحديد حالات الكم بأربعة أرقام للكم الرئيسي .

3-حالة الإلكترون تكون غير مستقرة لو أنه فى أى حالة غير حالة الطاقة الأقل . وفى وجود حالة طاقة أقل , فإن الإلكترون فى زمن معين سينتقل لهذه الحالة ( وتنبعث منه الطاقة الزائدة فى شكل فوتونات ).

وكنتيجة لذلك , أى نظام له توزيع إلكتروني واحد ثابت . ولو تم تركه فى حالة إتزان , فسوف يكون له دائما هذا التوزيع ( يطلق عليه الحالة الأرضية ) , وهذا بالرغم من أن الإلكترونات قد تكون مثارة مؤقتا لأى توزيع أخر .

ويتم تحديد التوزيع الإلكتروني لأى نظام بمداراته وعدد الإلكترونات الموجودة فيه . ولو هناك من يريد إستنتاج هذا التوزيع , فيجب معرفة المدارات . وهذا سهل نسبيا للهيدروجين , ولكنه معقد للذرات الأخرى , وأكثر تعقيدا فى حالة الجزيئات .

تلخيص أرقام الكم
يتم إعطاء حالة تواجد الإلكترون فى الذرة أربعة أرقام للكم . ثلاثة منها هى خواص المدار الذري

عدد الكم الرئيسي والذى يرمز له بالرمز n ويأخذ قيمة أى عدد صحيح أكبر من أو يساوي 1 . ويمثل الطاقة النهائية للمدار , وبعده عن النواة .
عدد الكم السمتي والذى يرمز له بالمز l ويأخذ أى قيمة عدد صحيح فى المدى . . ويحدد عزم المدار الزاوي .
عدد الكم المغناطيسي والذى يرمز له بالرمز m ويأخذ أى قيمة صحيحة فى المدى . ويحدد هذا الرقم إزاحة الطاقة للمدار الذري تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي ( ظاهرة زيمان ) .
العزم المغناطيسي الحقيقي لدى القطبين للإلكترون فى مدار ذري ليس نتيجة لعزم الإلكترون الزاوي فقط , ولكن أيضا من لف الإلكترون , والذى يعبر عنه بعدد الكم اللفي . عدد الكم اللفي خاصية حيوية للإلكترون ولا تعتمد على الأرقام الأخرى . ويرمز لها بالرمز s وتأخذ فقط القيم +1/2 أو -1/2 ( أحيانا يرجع لها على أنها الدوران لأعلى أوأسفل )

غلاف إلكتروني

يعنى المصطلح الغلاف الإلكتروني فى الفيزياء الذرية مجموعة من المدارات الذرية التى لها نفس عدد الكم الرئيسي n .

ويكون عدد الإلكترونات الموجودة فى كل غلاف مساوية للمعادلة : 2n2 حيث n هى عدد الكم الرئيسي .

وقد تمت ملاحظة وجود الغلاف الإلكتروني لأول مرة عن طريق هنري موزلي أثناء دراسته لإمتصاص أشعة إكس . وقد قام بإطلاق K , L , M عليها . والتى تساوى القيم 3 , 2 , 1 على الترتيب .

وقد تم إطلاق المصطلح علاف إلكتروتي عن طريق نموذج بور , حيث تتجمع مجموعات الإلكترونات فى شكل مداري حول النواة بمسافات معينة , وعلى هذا فإن هذه المدارات تمثل أغلفة .

الأغلفة وتحت الأغلفة "المدارات أو الأوربيتالات"
الحالات التى لها نفس قيم n متناسبة ويقال أنها تشغل نفس الغلاف الإلكتروني . الحالات التى لها نفس قيم n و l تكون متناسبة اكثر , ويقال أنها تقع فى نفس تحت-غلاف الإلكتروني . ولو أن الحالات تتشابه أيضا فى قيم m فيقال أن لها نفس المدار الذري . ونظرا لأن الإلكترون له حالتان فقط للدوران , فإن الأوربيتال الذري لا يمكن ان يحتوى على أكثر من 2 إلكترون ( مبدأ الإستبعاد لباولي ) .

ولوهلة فإن الغلاف n=1 يمتلك تحت غلاف s فقط ويمكن له أن يأخذ 2 إلكترون , بينما الغلاف n=2 له تحت غلاف s و p ويمكن أن يأخذ 8 إلكترونات , n=3 له تحت غلاف s و p و d ويمكن أن يأخذ 18 إلكترون . وهكذا . ويمكن أن يلاحظ أن السعة النهائية لأى تحت-غلاف هى 2l+1 ولغلاف 2n2 .

مثال تطبيقي
التوزيع الإلكتروني للغلاف الخامس :

الغلاف تحت-غلاف المدار الإلكترونات

l = 1 m = -1, 0, +1 → 3 أوربيتال من النوع p → max 6 electrons

l = 2 m = -2, -1, 0, +1, +2 → 5 أوربيتال من النوع d → max 10 electrons

l = 3 m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 → 7 أوربيتال من النوع f → max 14 electrons

l = 4 m = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4 → 9 أوربيتال من النوعelectrons g → max 18

المجموع 50 إلكترون كحد أقصي

ويمكن كتابة هذه المعلومات كالتالي :5s2 5p6 5d10 5f14 5g18 ( راجع بالاسفل لمعرفة نظام الكتابة )

تحت الأغلفة s,p,d,f ناتجة من ترتيب خطوط الطيف كالتالي : "حاد sharp" , "أساسي principal" , "مشوش diffuse" , "أصلي fundamental" , بناءا على تركيبهم الدقيق . فعندما تم وصف أول أربعة أنواع للمدارات , كانوا تابعين لأسماء الخطوط , ولم يكن لهم أسماء . أما g فتم تسميته طبقا للترتيب الأبجدي الإنجليزى . الأغلفة التى لها أكثر من 5 تحت-غلاف غير ممكنة نظريا , حيث أن 5 تحت-اغلفة تغطى كل العناصر المكتشفة

نظام الكتابة
يستخدم الفيزيائيون والكيميائيون نظام قياسي لكتابة التركيب الإلكتروني . وفى هذا النظام يتم كتابة مختصر لإسماء العناصر والمدرات التى يحتويها بترتيب زيادة الطاقة . وكل تحت-غلاف "مدار" يتم وصفه بعدد الإلكترونات التى يتحتويها .

ولبرهه , فإن الحالة الأرضية للهيدروجين بها إلكترون وحيد فى تحت-الغلاف s للغلاف الأول , وعلى هذا فإن تركيبه يكتب كالتالي : 1s1 . الليثيوم يوجد به 2 إلكترون فى تحت الغلاف 1s وإلكترون فى 2s الأعلى طاقة وبذلك تكون تركيب حالته الأرضية يكون 1s22s1 . الفسفور ( الرقم الذري 15 ) يكون كالتالي : 1s22s22p63s23p3 .

وللذرات التى بها إلكترونات عديدة , فإن هذا النظام لكتابة تركيبها الإلكتروني يكون أطول . ويتم إختصارها غالبا طبقا لأقرب غاز نبيل مماثل للمدارات الأولى الموجودة بالعنصر . فمثلا : يختلف الفوسفور عن النيون (1s22s22p6) بوجود المدار n=3 , وعلى هذا فإنه يتم تجاهل التوزيع الإلكتروني للنيون ويكتب التوزيع الإلكتروني للفسفور كالتالي : [Ne]3s23p3.
كما أن هناك نظام أكثر سهولة لكتابة التوزيع الإلكتروني بكتابة عدد الإلكترونات لكل غلاف كالتالي ( الفسفور ) : 2-8-5 .

قاعدة أوف باو
فى الحالة الأرضية للذرة ( الحالة التى توجد عليها بطبيعتها ) يتبع التوزيع الإلكتروني قاعدة أوف باو . وطبقا لهذه القاعدة تدخل الإلكترونات فى مستويات الطاقة الفرعية ذات الطاقة المخفضة أولا ثم تملأ الأعلى منها بعد ذلك , والترتيب الذى يتم ملئ المستويات الفرعية به كالتالي :

1 1
2 2 3
3 4 5 7
4 6 8 10 13
5 9 11 14 17 21
6 12 15 18 22
7 16 19 23
8 20 24
زوج الإلكترونات الذى نفس الدوران يكون له طاقة أقل من زوج الإلكترونات الذى له دوران متعاكس . وحيث أن زوج الإلكترونات فى نفس المدار يجب أن يكون لهما دوران متعاكس , فإن هذا يجعل الإلكترونات تفضل ملئ مدارات مختلفة فرادى على أن تتواجد كزوج فى نفس المدار . وهذه الأفضلية توضح نفسها لو أن هناك مستوى فرعي له l>0 ( مستوى فرعي به أكثر من مدار ) أقل من الممتلئ , فمثلا , لو أن المستوى الفرعي p به 4 إلكترونات , فإن 2 إلكترون سيجبروا أن يشغلوا مدار واحد , و 2 إلكترون سيشغلوا 2 مدار , وسيكون دورانهم متساوي . أى أنه لا يتم ملئ مدارات اى مستوى فرعي بأزواج الإلكترونات إلا بعد ملئ مدارته المستقلة فرادى أولا , ويطلق على هذه الظاهرة قاعدة هوند .

ويمكن تطبيق قاعدة اوف باو , فى الشكل المعدل , للبروتون والنيترون فى نواة الذرة . ( شاهد نموذج الغلاف للفيزياء النووية ).
إستثناءات قاعدة أوف باو
المستوى الفرعي d النصف ممتليء أو الممتليء ( أى به 5 أو 10 إلكترونات ) يكون أكثر ثباتا من المستوى الفرعي s التالي له . فمثلا النحاس ( عدد ذري 29 ) له التوزيع [Ar]4s1 3d10, وليس [Ar]4s2 3d9 , كما قد يتوقع طبقا لقاعدة أوف باو . وبالمثل الكروم ( عدد ذري 24 ) له التوزيع [Ar]4s1 3d5, وليس [Ar]4s2 3d4

العنصر Z التوزيع الإلكتروني

Vanadium 23 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3
Chromium 24 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
Manganese 25 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
Iron 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Cobalt 27 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7
Nickel 28 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8
Copper 29 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
Zinc 30 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10
Gallium 31 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1
Tin 22 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
من المعروف أن هناك أربعة مجالات الكترونية رئيسية في الذرة وهي المجالات ( f , d , p , s ) – وهناك مجال خامس g – ولكن هل تعرفون كيف تم اختيار هذه الحروف لتكون رموزاً لهذه المجالات اللإلكترونية ؟

تم اختيار الحروف S , P , d , f في باديء الأمر على أساس الملاحظات الخاصة بالأطياف الخطية للعناصر ، فكما هو معروف لكل عنصر طيف خاص به أشبه ما يكون بالبصمة والتي تميزه عن غيره من العناصر مثل طيف الصوديوم وقد أمكن تصنيف هذه الأطياف إلى مجموعات تبعاً لخصائصها .

وقد لوحظ أن بعض الخطوط تنتمي إلى متتالية (Sharp) الحادة وهي ترتبط بانتقالات الطاقة التي تتضمن المجال الالكتروني S .

كما صنفت خطوط طيفية أخرى على أنها تنتمي إلى متتالية ( Principal ) الرئيسية وهي ترتبط بانتقالات الطاقة التي تتضمن المجال الالكتروني p .

ومتتالية ( diffuse ) المنتشرة وهي ترتبط بانتقالات الطاقة التي تتضمن المجال الالكتروني d .

ومتتالية ( Fundamental ) الأساسية وهي ترتبط بانتقالات الطاقة التي تتضمن المجال الالكتروني f .

من عجائب الذرات و الكترونات
لقد قفز العلم قفزته الكبرى في القرن الماضي فعلم أن المادة تتألف من أجزاء صغيرة هي الذرات و التي كان يحسبها أنها لا تتجزأ، لأنها أصغر شيء يمكن تصوره ، إن قطر الواحدة منها يقدر بخمسين مليون جزء من ( البوصة ) ووزنها يتراوح على اختلاف العناصر بين جزئين تقريباً و 395 جزء من (مليون مليار مليار جزء ) من الغرام .

و هذا الحجم يراه العلماء عظيماً بالنسبة لحجم الالكترونات و البروتونات التي تتألف منها الذرة ن و لكي يقربوا لنا تصور الفارق ضربوا مثلاً فقالوا إن الفرق بين حجم الذرة كلها و بين حجم الإلكترون الذي فيها هو كالفرق بين ذرة الغبار و هذه الغرفة التي يجلس الانسان فيها .

نعم غنهم عرفوا أن للذرة غلافاً تدور فيه نواة أو نويات كثيرة . أما الغلاف فهو مؤلف من الكترون ( electron ) واحد أو الكترونات كثيرة بحسب العناصر ن و أما النواة فتؤلف من بروتون (proton) واحد أو بروتونات كثيرة و من نوترون(neutro) واحد أو نوترونات كثيرة ن إلا في الهيدروجين فلا نوترون فيه .

نسال أنفسنا ما هي الالكترونات و النترونات و البروتونات ؟

الجواب : الالكترون عبارة عن وحدة كهربائية سالبة ن و البروتون عبارة عن وحدة كهربائية موجبة ،و النوترون عبارة عن وحدة كهربائية محايدة لا سالبة و لا موجبة .

و من عجائب هذا النظام و التنسيق أن عدد الالكترونات في مدار الذرة الخارجي (الذي سميناه غلافها ) يكون بعدد البروتونات في مدار الذرة الخارجي ( الذي سميناه غلافها ) يكون بعدد البوتونات التي في نواتها ن فإذا كان في نواتها بروتون واح كان في المدار الكترون واحد كما في الهيدروجين . و إذا كان في النواة بروتونان كان في المدار الكترونان و هكذا يتدرج العدد واحدا واحداً من اخف العناصر إلى اثقلها وزنا ذريا و هو الاورانيوم . و بهذا التعادل العجييب بين الالكترونات السالبة و البروتونات الموجبة تتعادل كهربائية الذرة ، أما النوترونات ( المحايد ) فإن عددها في النواة الرة قل أو كثر لا يتعادل مع عدد الالكترونات لأنها محايدة ن فتأمل بهذا التنسيق العجيب …و أعجب من هذا و أعظم هو ذلك القانون الدوري الذي يتحكم في ترتيب الالكترونات في مدار الذرة بل مداراتها ، و يتحكم بالتالي في تأليف العناصر المختلفة و تركيبها ، تبعاً لترتيب الالكترنات و عددها . ذلك أنهم وجدوا هذا السطح بل امتلأت اسرته الثمانية فلم يعد يتسع لإلكترون آخر ن فإذا كان للعنصر 9 الكترونات اتخذ التاسع مركزاً له في مدار ثان من غلاف الذرة ن و هكذا حتى تمتلىء الأسرة الثمانية في المدار الثاني ثم في الثالث إلى النهاية ثمانية ثمانية .

وأعجب من هذا أن اتحاد العناصر ببعضها يتمشى على أساس هذا الترتيب الثماني في السطح تمشياً فيه الكثير من ( أدب الضيافة ) .

ذلك أن اتحاد العناصر إنما يحصل بين الكتروناتها ، فإذا كان عدد الكترونات العنصر المضيف في سطح الغلاف أقل من ثمانية أي كان عنده أسرة فارغة فإنه يستطيع بكل رحابة صدر أن يستقبل و يضيف في الأسرة الفارغة عنصراً آخراً ، بشرط أن تكون عدد الكترونات العنصر الضيف بقدر عدد الأسرة الفارغة عند العنصر المضيف .فالعنصر الذي في طبقته الخارجية ثمانية الكترونات لا يستطيع أن يستقبل أحدا في ضيافته ، و هو معذور أما الذي في طبقته الخارجية سبعة كهارب فإنه يستطيع الاتحاد بعنصر آخر في طبقته إلكترون واحد ، و الذي في طبقته الخارجية ستة الكترونات يتحد مع الذي في طبقته إلكترونان ، و هكذا .

و لما كان اختلاف العناصر في الكون الأصلية في الكون إنما هو باختلاف عدد الكتروناتها كما سبق البيان ، و متى عرف ( الوزن الذري ) لأي عنصر عرفت خواصه كلها ، فقد استطاع العالم الروسي ( مندليف ) أن يصنف العناصر بحسب وزنها الذري ، فوضع لها جدولاً في سلم صاعد متدرج ، و لكنه فوجيء بمثل ( الفراغ) الذري إلي فوجىء به علماء الفلك بين المريخ و المشتري كما تذكر يا حيران ، فوجد أن درجات السلم الدوري للعناصر تطرد بالتابع لا فراغ فيه إلا في ثلاثة عناصر ، فإما أن يكون هذا ( القانون الدوري ) غير مطرد و غير مطرداً فلابد حينئذ من وجود هذه العناصر الثلاثة المفقودة في نفس تلك الدرجات الفارغة.

و من العجيب أن مندليف الذي كان مؤمنا بصحة قانونه الدوري أخذ يؤكد ان العناصر الثلاثة المفقودة لابد من وجودها على الأرض ، بل أنه استطاع على أساس وزنها الذري الذي في الدرجات الفارغة أن يحدد كل الخواص الكيميائية التي لها كأنه يراها . و من المدهش حقاً أن مندليف أسعده الحظ أن يرى قبل موته في سنة 1907 صدق نبوءته العلمية ، فقد أكتشف العلماء العناصر المفقودة و كان لكل واحد منها نفس الوزن و كل الخواص الكيميائية التي تنبأ بها مندليف .

.
حسب نظرية ميكانيكا الكم، لا تستطيع الإلكترونات أن تحصل علي أي كمية مفترضة من الطاقة. بدلاً من ذلك، فإن الإلكترونات مقيَّدة بمجموعة من الحركات كل منها مرتبط بقيمة محدَّدة من الطاقة. تُسمَّى هذه الحركات بالحالات الكمية
أو مستويات الطاقة. فعندما يكون إلكترون في حالة كمية معينة، فإنه لا يمتص ولا يعطي طاقة. ولهذا السبب، فإن الذرة تستطيع أن تكتسب أو تفقد طاقة فقط عندما يغيِّر واحد أو أكثر من إلكتروناتها من حالته الكمية.

وكما يبحث الماء دائمًا عن أقل مستوى ممكن، فإن الإلكترونات تبحث دائمًا عن الحالة المرتبطة بأقل طاقة. ومع ذلك، فإن أي حالة كمية لا يمكن أن تُشغل إلا بإلكترون واحد فقط. فعندما تمتلئ الحالات الكمية الأكثر انخفاضًا، فإن باقي الإلكترونات تُجبر على الانتقال لتشغل حالات كمية أعلى. فإذا كانت جميع الإلكترونات في أقل الحالات انخفاضًا فيُقال حينئذ: إن الذرة في الحالة الأرضية
. وهذه الحالة طبيعية للذرات عند درجة الحرارة العادية.

إذا سُخِّنت المادة إلى درجات حرارة أعلى من بضع مئات من الدرجات، تتوفر طاقة كافية لرفع إلكترون أو أكثر إلى مستوى طاقة أعلى. وتصبح الذرة حينئذ في حالة إثارة. ومع ذلك، فنادرًا ما تبقى هذه الذرة في حالة الإثارة
لأكثر من جزء من الثانية. يسقط الإلكترون المثار فورًا إلى حالة أكثر انخفاضًا ويستمر في السقوط حتى تعود الذرة إلى الحالة الأرضية. وعند كل سقوط، يعطي الإلكترون قدرًا محددًا من الطاقة الإشعاعية المركزة يسمى بالفوتون
. وتساوي طاقة الفوتون الفرق بين مستويين للطاقة. ويمكن كشف الفوتونات التي تعطيها الإلكترونات كضوء مرئي وكصور أخرى للإشعاع الكهرومغنطيسي.

وقد شبّه بور، في بادئ الأمر، الحالات الكمية للإلكترونات بمدارات الكواكب حول الشمس. لكن علماء الطبيعة اليوم يعلمون أن هذا التشبيه غير صحيح؛ لأن الإلكترون ليس مجرد جسم بسيط. فللإلكترون أيضًا بعض خواص الموجات. وإنه حقًا لمن الصعب أن نتخيل كيف يكون شيء ما جُسَيْمًا وموجةً في الوقت نفسه. وتمثل هذه الصعوبة إحدى المشاكل التي واجهت العلماء وهم يحاولون وصف الذرة لغير العلماء. فللقيام بذلك، ينبغي أن يستخدم العلماء أفكارًا مألوفة مبنية على معرفتنا بالعالم الذي نلاحظه. لكن الظروف داخل الذرة الدقيقة تختلف كثيرًا جدًا عن الظروف التي نقابلها في عالم كل يوم. ولهذا السبب، يستطيع علماء الفيزياء وصف حركات الإلكترونات تمامًا وبدقة فقط باستخدام الرياضيات.
القوى داخل النواة.
تنطبق القواعد الكمية التي تحكم حركة الإلكترونات أيضًا على حركة البروتونات والنيوترونات داخل النواة. لكن القوة التي تحافظ على جسيمات النواة معًا تختلف كثيرًا عن قوة الجذب التي تمسك بالإلكترونات داخل الذرة.فكل جُسَيْم نووي ينجذب إلى أقرب جار له بما يُسمَّى بالقوة النووية
أو ما يُسمَّى في بعض الأحيان بالتفاعل القويّ
. ومن المعروف أن الشحنات المتماثلة تتنافر، لكن القوى النووية العظيمة تتغلب على التنافر المتبادل بين البروتونات موجبة الشحنة، وهكذا تحافظ على النواة من التفكك. وتتلاشى هذه القوة بسرعة مالم تكن جُسَيمات النواة شديدة التقارب فيما بينها. والإلكترونات محصَّنة ضد القوة النووية.

والقوة النووية بالغة التعقيد، ولم يستطع العلماء بعد التوصل إلى وصف رياضي دقيق لها. وهناك نظرية تُعْرف بالنموذج المداري النووي
تعطي تقديرات سليمة لمستويات الطاقة في النواة.

ويستطيع بروتون واحد ونيوترون واحد أن يشغلا كل حالة كمية في النواة. ولهذا السبب فإن النواة الحقيقية يكون بها عدد متساو تقريبًا من البروتونات والنيوترونات. لكن البروتون والنيوترون الموجودان في نفس الحالة الكمية لا تتساوى كمية الطاقة الخاصة بكل منهما بالضرورة. ويُطْرد كل بروتون كهربائيًا بوساطة باقي البروتونات في النواة مما يزيد من طاقته.