المناهج

لماذا تبدأ مستويات الطاقة بحرف K

لماذا تبدأ مستويات الطاقة بحرف K

تشير K إلى الغلاف الأول (أو مستوى الطاقة) ، L الغلاف الثاني ، M ، الغلاف الثالث ، وهكذا. وبمعنى آخر ، يشير تدوين KLMN (OP) فقط إلى عدد الإلكترونات التي تمتلكها الذرة مع كل رقم كم رئيسي (n)، ويقسم تدوين SPDF كل قشرة إلى أقسامها الفرعية.

كما اتضح ، فإن الأشعة السينية من النوع K هي أعلى طاقة أشعة سينية يمكن أن تنبعث منها الذرة، ويتم إنتاجه عندما يتم التخلص من الإلكترون أو الاوربيتال الموجود في القشرة الداخلية ثم يتم استعادته، وتسمى هذه الصدفة الأعمق الآن K-shell ، بعد الملصق المستخدم للأشعة السينية. فاز باركلا بجائزة نوبل للفيزياء عام 1917 عن هذا العمل.

الآن دعنا ننتقل إلى سؤالنا لماذا تبدأ تسمية قذائف الإلكترون بـ K و L و M و N وليس بـ A و B و C؟

تابع لماذا تبدأ مستويات الطاقة بحرف K

 

تأتي أسماء قذائف الإلكترون أو الاوربيتال من عالم يدعى تشارلز جي باركلا ، وهو متخصص في التحليل الطيفي درس الأشعة السينية التي تنبعث من الذرات عندما تصطدم بإلكترونات عالية الطاقة.

لاحظ أن الذرات تبدو وكأنها تصدر نوعين من الأشعة السينية، واختلف نوعا الأشعة السينية في الطاقة ، وقد أطلق باركلا في الأصل على نوع الأشعة السينية عالي الطاقة من النوع A والأشعة السينية ذات الطاقة المنخفضة من النوع B

ثم أعاد تسمية هذين النوعين من الأشعة K و L منذ أن أدرك أن أعلى طاقة X- قد لا تكون الأشعة التي تم إنتاجها في تجاربه أعلى طاقة ممكنة من الأشعة السينية. 

ولقد أراد التأكد من وجود مجال لإضافة المزيد من الاكتشافات دون أن ينتهي به الأمر بقائمة أبجدية للأشعة السينية التي اختلطت طاقاتها. كما اتضح ، فإن الأشعة السينية من النوع K هي أعلى طاقة أشعة سينية يمكن أن تنبعث منها الذرة.

ويتم إنتاجه عندما يتم التخلص من الإلكترون الموجود في القشرة الداخلية ثم يتم استعادته، وتسمى هذه الصدفة الأعمق

 الآن K-shell ، بعد الملصق المستخدم للأشعة السينية، كما فاز باركلا بجائزة نوبل للفيزياء عام 1917 عن هذا العمل.

مستويات الطاقة

يمكن لنظام ميكانيكي كمي أو جسيم مرتبط – أي محصور مكانيًا – أن يأخذ قيمًا منفصلة معينة للطاقة ، تسمى مستويات الطاقة، وهذا يتناقض مع الجسيمات الكلاسيكية ، التي يمكن أن تحتوي على أي كمية من الطاقة.

كما يستخدم هذا المصطلح بشكل شائع لمستويات طاقة الإلكترونات في الذرات أو الأيونات أو الجزيئات ، والتي ترتبط

بالحقل الكهربائي للنواة ، ولكن يمكن أن يشير أيضًا إلى مستويات طاقة النوى أو مستويات الطاقة الاهتزازية أو الدورانية في الجزيئات.

ويقال إن طيف الطاقة لنظام بمثل هذه المستويات المنفصلة من الطاقة محدد كميًا (ولا يجب أن تكون مستويات الطاقة السبعة متساوية) في الكيمياء والفيزياء الذرية ، يمكن اعتبار الغلاف الإلكتروني ، أو مستوى الطاقة الأساسي ، بمثابة

مدار لإلكترون واحد أو أكثر حول نواة الذرة.

كما يُطلق على أقرب قشرة للنواة اسم “القشرة الواحدة” (وتسمى أيضًا “القذيفة K”) ، متبوعة بـ “القشرة 2”

(أو “القذيفة L”) ، ثم “القذيفة الثالثة” (أو “القذيفة M”) وما إلى ذلك أبعد وأبعد عن النواة.

تابع مستويات الطاقة

وتتوافق الأصداف مع الأرقام الكمومية الرئيسية (ن = 1 ، 2 ، 3 ، 4 …) أو يتم تصنيفها أبجديًا بالأحرف المستخدمة في

تدوين الأشعة السينية (K ، L ، M ، N …)، ويمكن أن تحتوي كل غلاف فقط على عدد ثابت من الإلكترونات:

  • الغلاف الأول يمكن أن يحمل ما يصل إلى إلكترونين.
  • أما الغلاف الثاني يمكنه استيعاب ما يصل إلى ثمانية (2 + 6) إلكترونات .
  • الغلاف الثالث يمكن أن يحمل ما يصل إلى 18 (2 + 6 + 10) ) وهلم جرا.
  • الصيغة العامة هي أن الغلاف النوني يمكنه مبدئيًا استيعاب ما يصل إلى 2 (ن 2) إلكترون.

ونظرًا لأن الإلكترونات تنجذب كهربائيًا إلى النواة ، فإن إلكترونات الذرة ستشغل عمومًا الأصداف الخارجية فقط إذا تم بالفعل ملء الأصداف الداخلية بالكامل بواسطة إلكترونات أخرى. ومع ذلك ، فإن هذا ليس مطلبًا صارمًا: فقد تحتوي الذرات على اثنتين أو

حتى ثلاث أغلفة خارجية غير مكتملة.

إذا تم ضبط الطاقة الكامنة على الصفر على مسافة غير محدودة من النواة أو الجزيء الذري ، فإن العرف المعتاد ، فإن

حالات الإلكترون المقيدة لها طاقة كامنة سالبة.

وإذا كانت الذرة أو الأيون أو الجزيء عند أدنى مستوى طاقة ممكن ، فيُقال إنها وإلكتروناتها في الحالة الأرضية، وإذا كان عند مستوى طاقة أعلى ، فيقال إنه متحمس ، أو أن أي إلكترونات ذات طاقة أعلى من الحالة الأرضية تكون متحمسة.

وإذا كانت أكثر من حالة ميكانيكية كمومية في نفس الطاقة ، فإن مستويات الطاقة “تتدهور”. ثم يطلق عليهم مستويات

الطاقة المتدهورة.

مستويات الطاقة الجوهرية

نسمع كثيراً عن مستويات الطاقة السبعة ولكن في معادلات طاقة الإلكترونات عند المستويات المختلفة الواردة أدناه في الذرة ، حيث يتم تعيين نقطة الصفر للطاقة عندما يغادر الإلكترون المعني الذرة تمامًا ، أي عندما يكون العدد الكمي الأساسي 

للإلكترون n = ∞.

وعندما يرتبط الإلكترون بالذرة بأي قيمة أقرب لـ n ، تكون طاقة الإلكترون أقل وتعتبر سالبة.

مستوى طاقة الحالة المدارية

ذرة / أيون مع نواة + إلكترون واحد افترض أن هناك إلكترونًا واحدًا في مدار ذري معين في ذرة شبيهة بالهيدروجين (أيون)، 

ويتم تحديد طاقة حالتها بشكل أساسي من خلال التفاعل الكهروستاتيكي للإلكترون (السالب) مع النواة (الإيجابية).

و(عادةً ما بين 1 eV و 103 eV) ، حيث R∞ هو ثابت Rydberg ، Z هو الرقم الذري ، n هو الرقم الكمي الرئيسي ، h هو ثابت Planck ، و c هي سرعة الضوء، وبالنسبة للذرات (الأيونات) الشبيهة بالهيدروجين فقط ، تعتمد مستويات Rydberg فقط على العدد الكمي الأساسي n.

ويتم الحصول على هذه المعادلة من الجمع بين صيغة Rydberg لأي عنصر يشبه الهيدروجين (كما هو موضح أدناه) مع E = h ν = h c / λ بافتراض أن الرقم الكمي الرئيسي n أعلاه = n1 في صيغة Rydberg و n2 = ∞ (الكم الأساسي رقم مستوى

 الطاقة الذي ينحدر منه الإلكترون ، عند إصدار فوتون).

وتم اشتقاق صيغة Rydberg من بيانات الانبعاث الطيفي التجريبية. 

ويمكن اشتقاق صيغة معادلة ميكانيكيًا كميًا من معادلة شرودنغر المستقلة عن الوقت باستخدام مشغل هاميلتوني للطاقة الحركية باستخدام دالة موجية كدالة ذاتية للحصول على مستويات الطاقة كقيم ذاتية ، ولكن سيتم استبدال ثابت ريدبيرج

بثوابت فيزيائية أساسية أخرى.

مستويات طاقة الإلكترونات الذرية

أو كما يطلق عليها السحابة الإلكترونية في الذرة في الذرة ، تفرض قوانين ميكانيكا الكم على الإلكترونات أن يكون لها واحدة 

من مجموعة من قيم الطاقة المحددة جيدًا.

وهذا يختلف تمامًا عن التفسير الكلاسيكي للفيزياء ، حيث كان يُسمح بأي قيمة للطاقة. أدنى مستوى للطاقة (الغلاف K) 

يمكن أن يشغله إلكترونان فقط ، القشرة L بمقدار 8 والقشرة M بمقدار 18. إلكترونات القشرة K هي الأقرب إلى النواة.

في الشكل أعلاه ، تركت فجوة على القذيفة K ، حيث تم طرد الشاغل السابق بواسطة جسيم عابر، ويتم استبدال الإلكترون المقذوف على الفور بإلكترون ذو غلاف L “يسقط” إلى المستوى الأدنى عن طريق إصدار أشعة سينية. IN2P3  ، لذا لا تتمتع الإلكترونات التي تتحرك حول النوى بنفس نوع الحرية.

كما تجبر الطبيعة الإلكترونات على الحصول على مجموعة محدودة من قيم الطاقة ، بنفس الطريقة التي يُجبر بها الميكانيكيون على استخدام براغي ذات عدد محدود من أحجام الرأس.

ولا يمكن أن تحتوي الإلكترونات على قيم الطاقة التي تريدها ، وكل قيمة مرتبطة بمسار مدار معين، ويلعب انبعاث وامتصاص الفوتون نفس الأدوار التي تلعبها الصواريخ المعززة ، مما يسمح للإلكترون بالقفز من “مدار” محدد مسبقًا إلى مدار آخر.

لذا تخضع الفيزياء على النطاق المجهري لقوانين ميكانيكا الكم ، حيث يفضل التحدث عن “حالات” الإلكترون بدلاً من “المدارات”، وكما تحدد كل حالة الطاقة التي يمتلكها الإلكترون ، ومقدار المساحة التي يشغلها.

تابع مستويات طاقة الإلكترونات الذرية

أما عن عدد حالات الطاقة التي يمكن أن يشغلها الإلكترون حول النواة محدود أيضًا ، وتُعرف الحالات المختلفة لنفس الطاقة

باسم “الأصداف”.

كما تنتمي إلكترونات الذرة إلى أغلفة مختلفة تتميز بطاقتها، وتُعرف هذه الأصداف باسم K ، L ، M ، N … من قبل علماء فيزياء الذرة.

والغلاف K ، الذي يشعر بأقوى جاذبية من النواة ، هو أول من يمتلئ تمامًا، ويمكن أن يملأ إلكترونان على الأكثر هذه الطبقة ، ويجب أن يدخل الإلكترون الثالث للذرة في الغلاف الثاني L.

وتنجذب الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي إلى النواة بشكل أضعف، وتنخفض طاقات الربط للإلكترونات مع زيادة رقم الغلاف، وعندما يتم توفير مكان على غلاف طاقة داخلي ، يملأ الإلكترون الموجود على غلاف أعلى الفجوة بالقفز لملء المكان المتبقي ، مما يزيد من قوة ارتباطه بالنواة، وهذه التحولات مصحوبة بانبعاث الطاقات “الكهرومغناطيسية” المحددة باختلاف

طاقات الغلافين.

وهذه الموجات الكهرومغناطيسية الدقيقة عبارة عن فوتونات يمكنها أحيانًا ترك انطباع على شبكية العين. إن طاقات هذه الفوتونات فريدة من نوعها ، حيث يتم تحديد طاقات الأصداف بدقة من خلال قوانين فيزياء الكم.

أما الطول الموجي للفوتونات (أي لونها) ، المرتبط بطاقاتها ، فريد أيضًا. وبالتالي ، فإن الفوتونات المنبعثة من الذرة لها طاقات وأطوال موجية وألوان محددة رياضيًا.

السابق
تعريف الصدى
التالي
مستويات الطاقة السبعة