المحاضرةالثانية. -2 النماذج الذرية Atomic Models نموذج سمسون الذري Thomson's Atomic Model

Transcript

1 المحاضرةالثانية نماذج بنية الذر ة - النماذج الذرية Atomic Models نموذج سمسون الذري Thomso's Atomic Model - نموذج رزرفورد الذري Rutherford Atomic Model - نموذج بور الذري Bother Atomic Model -3 نموذج سمر فيلد الذري Sommerfeld Atomic Model -4 النموذج الذري الحديث Moder Atomic Model -5 وسنناقش فيما يلي هذه النماذج واحدا تلو اآلخر. -- نموذج سمسون الذري Thomso's Atomic Model الشكل )-(: نموذج سمسون الذري وبشكل مختصر فأن الذرة وفقا لنموذج سمسون الذري تتأل م : كرة مصمتة موجبة الشحنة تتخلل االلكترونات السالبة الذرة )كما تتخلل البذور ثمرة البرتقال( الذرة متعادلة كهربيا...3 9

2 -- نموذج رزرفورد الذري :Rutherford Atomic تتأل الذرة طبقا لهذا النموذج كما هو مبي في الشكل )-(. الشكل )-(: نموذج رزرفورد الذري المجموعة الشمسية )نواة مركزية يدور حولها على م سافات شاسعة االلكترونات سالبة الذرة تشب الشحنة(. الذرة معظمها فراغ )ألن الذرة ليست مصمتة وحجم النواة صغير جدا بالنسبة لحجم الذرة(. تتركز كتلة الذرة في النواة )ألن كتلة االلكترونات صااااااغيرة جدا مقارنة بكتلة مكونات النواة م البروتونات والنيوترونات(. الشحنة )شحنة موجبة بالنواة وشحنات سالبة على اإللكترونات. يوجد بالذرة نوعان م عدد الشحنات السالبة )البروتونات( يساوي الشحنات الموجبة عدد الذرة متعادلة كهربيا ألن )االلكترونات(. تدور اإللكترونات حول النواة في مدارات خاصة. في المقدار في االتجاه متساويتي متضادتي ثبات الذرة يعود إلى وقوع اإللكترونات تحت تأثير قوتي دوران اإللكترونات حول النواة. النواة لإللكترونات وقوة الطرد المركزي الناشئة ع هما قوة جذ ي الكهرباء المغناطيسية نموذج رذرفورد رغم نجاح اعتراضات وانتقادات كثيرة وأك دت قواني واج أساااااسيي. أو لهما: أ ن اإللكترون المشحون بكهربائي ة سالبة )الكهرطيسية( عدم استقرار هذا النموذج لسببي والذي يتحر ك على مدار دائر ي في حقل الن واة ذات الشااااحنة الموجبة سااااوف يخضااااع لتسااااارع ناظمي نحو المركز يجعل يفقد طاقت باسااااااتمرار ليسااااااقط في نهاية المطاف على الن واة. وثانيهما: أ ن الط اقة التي يفقدها حول الن واة يجب أن تظهر على هيئة إشااعاع مسااتمر. ولك في واقع األمر تب اإللكترون في أثناء دوران أن تشا ع تلقائيا وإذا ما أصابحت محر ضاة أو مثارة فإ ن اإلشاعاع الصاادر عنها ال أن الذر ة المساتقر ة ال يمك يشك ل طيفا مستمرا وإن ما يشك ل خطوطا طيفي ة متقط عة. الكهرطي سية كان ال بد الذر ي وقواني نموذج وعندما لم يستطع رذرفورد أن يفس ر سبب التناقض بي قبل علماء جدد لتطوير نظري ة التركيب الذر ي. محاوالت جديدة م م 3-- نموذج بور الذري Bohr's Atomic Model قبل بور في عام 93. افترض في هذا النموذج أن كل لنموذج رزرفورد الذري وقد اقترح م هو تحسي لنموذج بور الذري. الصعوبات الموجودة في مبدأ رزرفورد غير موجودة. النموذج الذري الحديث مشاب النواة ذات الشحنة الموجبة في المركز كما وافق على أن االلكترونات ذات الشحنة فاستبقى بور في نموذج 0

3 السالبة تدور حول النواة في مدارات دائرية. طبق بور النظرية الكمية Theory( )Quatum على االلكترونات الدائرة لتمتد إلى نموذج. ولتوضي حركة اإللكترون في الذرة اقترح بور الفرضيات التالية: - تستمر االلكترونات بالدوران في مداراتها النسبية بدون فقد طاقة. طبقا لهذه النظرية تبقى طاقة اإللكترون ثابتة طالما أن اإللكترون يبقى في نفس المدار. يقود هذا المفهوم إلى أن كل مدار يقترن بطاقة محددة. لهذا تعرف المدارات بمستويات الطاقة أو أغلفة )جدران( الطاقة. - المدار األصغر )المدار األول م النواة( ذو طاقة أصغرية والمدار األبعد )المدار األخير م النواة( ذو طاقة أعظمية. 3- تنبعث الطاقة بواسطة اإللكترون عندما يتحرك م مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أدنى أو بكالم آخر م المدار األبعد ع النواة إلى المدار األقر منها. بشكل مشاب تمتص الطاقة بواسطة اإللكترون عندما يتحرك م مستوى الطاقة األخفض إلى مستوى الطاقة األعلى. تشتق كمية الطاقة المنبعثة أو الممتصة م نظرية بالنك الكمية Quatum Theory Plak's وتعطى بالعالقة التالية: E E E h )-( حيث: : ثابت بالنك : طاقة المدار ( ) المنخفض. ) المرتفع. : طاقة المدار ( h E E : الط اقة الموافقة لالنتقال اإللكتروني م المدار ( ) إلى المدار ( (. E : تواتر اإلشااااعاع الموافق لالنتقال اإللكتروني م المدار ( ) إلى المدار ( υ.) ) المرتفع ال بد أن يمت ص كمية الط اقة نفسااها ) المنخفض إلى المدار ( المدار ( ولكي يقفز اإللكترون م التي أصدرها أثناء هبوط. إن العزم الزاوي )عزم كمية الحركة( إللكترون يتحر ك على مدار مسااااااتق ر يساااااااوي عددا 4- بالعالقة الرياضية التالية: ( h / π وي عب ر عن وحدات الك م ( صحيحا م (-0) e. h m. r : كتلة اإللكترون. me : سرعت. V قطر المدار الذي يتحر ك علي. : نص R موجب يشير إلى رقم المدار. : عدد صحي N : ثابت بالنك. H : النسبة التقريبية وقيمتها ( 3.46.)

4 وانطالقا م نظري ة بور يمك اساتخراج العالقات الرياضاية التي تحد د أنصااف أقطار المدارات التي يتحر ك عليها اإللكترون وساااااارعة اإللكترون على ك ل مدار وكذلك طاقة ك ل مدار والط اقة الكلية لإللكترون وهو على مداره. آ- حساب نصف قطر المدار )r(: اختار العالم بور ذر ة الهيدروجي ألن ها أبسط الذر ات التي يمك أن ت درس وهي كما تبدو في الش كل) -3 ( عبارة ع إلكترون وحيد يدور بساااااارعة مقدارها) ) في مدار دائر ي حول نواة فيها بروتون واحد )العدد الذر ي للهيدروجي (. V Z الشكل )-3( طاقة اإللكترون ويؤث ر على هذا اإللكترون في أثناء دوران حول الن واة نوعان م القوى يعمل أحدهما على إبعاد اإللكترون ع الن واة ويتمث ل بالقو ة النابذة ( ( التي يول دها دوران اإللكترون حول الن واة وت عطى بالعالقة: حيث: F m e. V r (3-) F : كتلة اإللكترون. : سرعة اإللكترون. m e V اإللكترون والن واة )نص قط المدار(. :: المسافة بي r وأم ا النوع اآلخر م القوى المؤث رة على اإللكترون فيعمل على تقريب م الن واة ويتمث ل بقو ة التجاذ الكهربائي )F( بي الن واة ذات الشااحنة الموجبة واإللكترون ذي الشااحنة السااالبة )قو ة كولون( وهي تعر ف بالعالقة اآلتية: Z. e F r (-4) : Z العدد الذر ي للهيدروجي ويساوي الواحد. : شحنة اإللكترون. ولثبات اإللكترون وتوازن على مداره يجب أن تتساوى القوتان و وعندها يكون: F F m. V e e ; Z (5-) r e

5 وباستخدام شرط العزم الزاوي لبور العالقة وحذف م العالقتي )-0( و) -5 ( نجد أن : V. h r 4. e. m e (-6) تسم العالقة األخيرة بحسا أنصاف أقطار المدارات في ذر ة الهيدروجي حيث إ ن جميع رموزها معروفة القيمة وبالتعويض ع هذه الرموز بالقيم اآلتية: h erg s & me 0 e esu & g نحصل على العالقة اآلتية: ) بالقيم,,3, r (7-) التي ن ستطيع بو ساطتها حسا الموافقة ألرقام المدارات وعندها نجد أن : نص نص أنصاف أقطار ذر ة الهيدروجي وذلك با ستبدال ( نص قطر المدار الثاني قطر المدار الثالث وهكذا. قطر المدار األول r cm A r. 6 r A A ب- حساب سرعة اإللكترون )v(: سارعة اإللكترون )V( بتعوياض قيمة حساا يمك نجد أن :.. e V (8-) h. أو م عالقة شرط العزم الزاوي )-( بعد معرفة قيمة نص قطر المدار ( h. V (9-).. m. r م العالقة )-6( في العالقة )-5( وعندها ( حيث يكون: r يالحظ م العالقتي السابقتي )-7( و) -8 ( أن سرعة اإللكترون تتناقص كل ما ازداد بعده ع الن واة. ولو حساابنا ساارعة إلكترون يتحر ك على مدارات بور لذر ة الهيدروجي باسااتخدام إحدى العالقتي )- 7( أو )-8( لوجدنا أن : V سرعة اإللكترون على المدار األول. V سرعة اإللكترون على المدار الثاني. سرعة اإللكترون على المدار الثالث. V r 3 e.880 cm s cm s cm. s

6 ج- حساب طاقة اإللكترون )E(: إن الط اقة الكلية لإللكترون ( ( وهو يدور حول نفساااا وطاقت الكامنة ( الكامنة ( بجمع العالقتي وبالتعويض ع وحول الن واة تساااااوي مجموع طاقت ) الحركي ة ( ) وت عر ف الط اقة ( أي أن : ( الن اتجة ع قيمة العمل ( E E K E P (-0) ) الن اتجة ع حركة اإللكترون بالعالقة )-( التي سبق ذكرها. وأما الط اقة التجاذ الكهربائ ي بي ) الذي يبذل dr e r (-) اإللكترون والن واة فيمك اإللكترون عندما يقتر )-7( و) -9 ( نجد أن الط اقة الكلية لإللكترون هي: ) بقيمت ( وبوساطة هذه العالقة يمك م حسا e E (3-) r العالقة )-4( نحصل على: فيما يلي أوجه النجاح والقصور في نموزج بور: 4. me. e E (4-). h طاقة اإللكترون وهو في المدار ( م.) E التوصل إلى قيمتها بحسا الن واة حيث إن: E K E P W r e r e r E P r W. (-) e V e E m r وبتعويض العالقة )-6( في العالقة )-3( نجد أن : E K E P r E P أوال: تفسير األطياف الذرية لذرة الهيدروجي والذرات واأليونات المشابهة مثل طي ذرة الديوتيريوم وأيون الهيليوم وحسا طاقة التأي لهذه الذرات. ثانيا: أستخدم بور فكرة الكم في تحديد طاقة اإللكترونات في مستويات الطاقة المختلفة ثالثا: التوفيق بي نموذج راذرفورد ونظرية ماكسويل حيث أكد نموذج بور أن اإللكترونات أثناء دورانها حول النواة في الحالة المستقرة ال تشع طاقة وبالتالي التسقط في النواة. - لم يسااااااتطع نموذج بور تفسااااااير أطياف الذرات األكثر تعقيدا م ذرة الهيدروجي التي تحتوي على اكثر م إلكترون واحد. - أفترض أن اإللكترون يدور في مدارات محددة وفي مسااااتوى واحد حول النواة مما يعني أن ذرة الهيدروجي مسطحة مما ينافى مع ما ثبت بعد ذلك م أن الذرة مجسمة. - أفترض ان اإللكترون جسيم مادي ولم يعتبر الطبيعة الموجية لإللكترونات. أوجه النجاح أوجه القصور 4

7 - أفترض أن يمك تعيي كال م مكان وسرعة اإللكترون في نفس الوقت بدقة وهذا عمليا مستحيل ألن جهاز القياس المستخدم سوف يغير المكان أو السرعة. - لم يعتبر بور احتمال تجاوز اإللكترون للمدارات الثابتة التي حددها واحتمال وجوده في منطقة حول هذا المدار الثابت. - قد ربطت بي نظري ة الك م وقواني الفيزياء الكالسيكية دون معرفة أساس لهذا الربط. ولهذا كان ال بد م البحث ع نظري ة أفضااااال م ساااااابقاتها تتجن ب التناقض بي الكهرطيسية وتتوصل إلى وضع نموذج صحي حول بنية الذر ة. نظري ة الك م والن ظرية 4-- نموذج سمر فيلد الذري :Sommerfeld atomic model هو نموذج محس لنموذج بور الذري وقد اقترح م قبل سمر فيلد عام 96. لقد وافق سمر فيلد على كل الفرضيات في نظرية بور ماعدا المدارات الدائرية لحركة االلكترون. فوفقا لنموذج سمر فيلد فم أجل قيمة خاصة ل هناك العدد نفس م األغلفة الفرعية الخارجية بحيث أن مدارا واحدا يكون دائريا والبقية - تكون أهليلجية الشكل يمك فهم ذلك بشكل أفضل م خالل األمثلة التالية: الشكل) -4 ( األغلفة واألغلفة الفرعية في الذرة في المستوى الطاقي األول )=( هناك فقط مدار وحيد أو غالف فرعي لإللكترون. هذا المدار دائري كما هو مبي بالشكل )7- -a( وبشكل مشاب فم أجل المستوى الطاقي الثاني )=( هناك غالف فرعيان لاللترونات, واحد دائري واألخر اهليلجي كما هو مبي بالشااكل )4- -b(. وم أجل مسااتوى الطاقي الثالث )3=( هناك ثالثة أغلفة فرعية لإللكترون, واحد دائري واآلخران اهليليجيان كما هو مبي في الشااكل )4- )c- كل المدارات الفرعية محددة بحرف L فم أجل قيمة خاصة ل فالقيم المختلفة ل l هي )-...0,, ( حيث =العدد الكمي األساسي. = l العدد الكمي المداري. إن مستوى الطاقة والغالف الفرعي l يرتبطان بالعالقة: b/a=(l +)/ حيث = a, b أنصاف المحاور الرئيسية والثانوية للمدار األهليلجي. يمك أن نالحظ أن عندما = عندئذ 0=l وبكالم أخر a=b في هذه الحالة نجد بأن محوري الشكل متساويان. وبنتيجة ذلك فالمدار الموافق ل = يكون دائريا. يرمز لهذا الغالف الفرعي ب s-sub-shel هذا الغالف 5

8 0., نعوض قيمتي l عندما = فان l يأخذ قيمتي الفرعي الذي ينتمي إلى = محدد ب s وبشكل مشاب في العبارة العامة فنجد: l=0, b/a=0+/ or b=a/ =0.5a باااااا s وبشكل العالقة السابقة نالحظ أن الغالف الفرعي الموافق لااااااl=0 ذو شكل اهليلجي ومعي أيضا م عندما l=, b/a=+/= or b=a مشاب ب pعندما 3= فان l يملك العالقة السابقة نجد أن الغالف الفرعي الموافق لl= دائري الشكل ومعي م قيم هي 0 و و نعوض هذه القيم في المعادلة العامة فنجد: ثال l=0, b/a=0+/3=/3 or b=a/3 l=, b/a=+/3=/3 or b=a/3 l=, b/a = +/3= or b=a فاألغلفة الفرعية الموافقة ل && 0=l تعي ب &3p,3s على التوالي. وبالتالي لم يك نموذج بور- سمرفيلد الجوا النهائي لمسالة التركيب الذر ي وكان ال بد م البحث ع نظري ة أفضااال م ساااابقاتها تتجن ب التناقض بي نظري ة الك م والن ظرية الكهرطيساااية وتتوصااال إلى وضاااع نموذج صحي حول بنية الذر ة. م هنا كانت انطالقة العالم الفرنسي دي بروغلي De Broglie عام 94 لوضع حجر األساس لعلم جديد في الفيزياء الن ظرية ي رساااي القواعد واألساااس الصاااحيحة لتفساااير خطوط الط ي والعديد م خوا ص الذر ة وهو ما يعرف اليوم بعلم الميكانيك الكم ي )الكوانتي(. - الطبيعة الموجي ة لإللكترون والميكانيك الكم ي إن الفكرة األساااااااسااااااية لعلم الميكانيك الكم ي تقوم على تعميم الطبيعة الموجي ة للفوتون على ك ل الدقائق والج سيمات الميكرونية وبشكل خا ص على اإللكترون. -- الطبيعة الموجي ة لإللكترون أثبت عالم الفيزياء الفرنسااااااي دي بروغلي أن اإللكترونات تتمتع بطبيعة موجي ة )مثل الفوتونات( إلى جانب خواص ها الج سيمية واستطاع العالم ذات قياس األمواج الن اتجة عنها. وقد استخدم لهذا الغرض الن ظرية النسبية آلينشتاي Eistei التي تربط بي طاقة الفوتون ( ) وكتلت ( ) بوساطة العالقة اآلتية: m p E E E m p.c (5-) ) بوساااااااطة العالقة )4.( ) وتواتره ( طاقة الفوتون ( ونظري ة الك م لبالنك Plak التي تربط بي العالقة )-( نجد ) بقيمتها م ( )-4( و) -5 ( والتعويض ع وهي) (. E h. وبمسااااااواة العالقتي أن : h m c (6-) p. 6

9 ولم ا كان المقدار ( فإن العالقة )-4( يمك ) ) يمث ل كمية حركة الفوتون ( (7-) أن تأخذ الش كل الجديد اآلتي: (8-) عم م دي بروغلي العالقة ) -8 (على إلكترون كتلت بالعالقة اآلتية: ( أي أن : ( فكان طول موجت p ) ويتحر ك بسرعة ( p m. p c m e h p h h p m. e V (9-) m p.c يعطى ك وبحسااااا بساااايط نجد أ ن طول الموجة المصاااااحبة لحركة اإللكترون ذي الكتلة 8 me 9.0 g يساوي تقريبا 3 وهو طول يمك قياس بسهولة cm والسرعة V 30 cm. s ولكي يتم اإللكترون الذي يتحر ك على مدار بور الد ائري أن يشااك ل موجة مسااتقر ة يتعي طولها م طول الموجة موجب م ) عدد صااااااحي العالقة )-9( يجب أن يتحق ق على محيط المدار الد ائري ( المرافقة لإللكترون كما في المخطط اآلتي:.r الش كل )-5( موجة إلكترونية مستقر ة في المدار الخامس يجب أن تتحق ق العالقة اآلتية: أي أن..r (0-) بور العالقة )-9( نحصاال على شاارط العزم الزاوي الذي فرضاا ) بقيمتها م ( وبالتعويض ع على إلكترون ذر ة الهيدروجي. تمتلك أ ن اإللكترونات تمتلك خوا ص الدقائق الماد ية أو الج ساااااايمات وفي الوقت ذات مم ا تقد م يتضاااااا القول بأ ن اإللكترونات ذات طبيعة مزدوجة جساااااايمية- موجي ة Particle-( لذلك يمك الطبيعة الموجي ة.)Wave ature خوا ص األجسام الكبيرة نسبي ا بينما تكون تبدو الخوا ص الج سيمي ة مهم ة جد ا عندما نتطرق إلى وص خوا ص المواد أو األجسام المتناهية في الصغر. الخواص الموجي ة أكثر أهمية عند وص 7

10 وهكذا فقد مه دت فر ضيات دي بروغلي في األمواج الماد ية الطريق لوضع أسس نظري ة جديدة كلي ا لها القدرة على تثبيت الخوا ص الكم ية للطاقة في المنظومات الفيزيائية وقد سم يت هذه الن ظرية الحديثة باسم الميكانيك الكم ي أو الكوانتي mechaics(.)quatum --- مبدأ الش ك أو عدم التعيين يمث ل هذا المبدأ الذي أشااااااتق عالم الفيزياء األلماني هايزنبرغ Heiseberg عام 97 إحدى النتائج المهم ة للطبيعة الموجي ة-الج ساااااايمية للماد ة. وين ص هذا المبدأ على أ ن م المسااااااتحيل تعيي موقع اإللكترون )وغيره م الدقائق الميكرونية( وكمية حركت أو سااارعت بدق ة في آن واحد وذلك أل ن تعيي أحدهما )الموقع على ساابيل المثال( بدرجة متناهية م الدق ة تجعل تعيي اآلخر )كمية الحركة( بدرجة م الدقة أقل بكثير مم ا هو علي الحال بالنسبة إلى األول )الموقع( والعكس صحي. وأوض هايزنبرغ أ ن الحااد األدنى لعاادم التعيي أو الالدق ة هو ( الرياضية اآلتية: h p x. x (-) 4 كمية الحركة على امتداد االت جاه هو الخط أ في تعيي حيث: (. ويمك التعبير ع ذلك بالعالقة h 4. x p x x الخط أ في تعيي موقع اإللكترون. لهذا فإن م الخط أ أن نتصو ر اإللكترون كجسيم يتحر ك م نقطة إلى أخرى على المدار بسرعة معي نة )محد دة( تماما عند كل نقطة. واألصاااااا م ذلك هو أن نتحد ع كثافة احتمال تواجد اإللكترون عند أي ة نقطة. وم هنا فإن ال يمك رساااااام صااااااورة لمدار اإللكترون في مسااااااتوى طاقة معي حول الن واة. ولك لو تصو رنا اإللكترون يتحر ك كموجة فإ ن طول الموجة يعي سرعة اإللكترون ا ستنادا لعالقة دي بروغلي. كما أن سعة الموجة في أي ة منطقة م الفراغ تد ل على االحتمال النسبي لوجود اإللكترون في تلك المنطقة. 3- األعداد الكمية Quatum Numbers ليست واحدة بل بينت الدراسات الطيفية مؤخرا بأن الطاقة لكل اإللكترونات التي تنتمي لمستوى طاقة معي الكامل لطاقة وموقع اإللكترون في الذرة التوضي غير الممك م واحد لآلخر. لذلك استنتج بأن م تختل بشكل كامل طاقة بمساعدة عدد كمي واحد )(. فقد بينت الدراسات المتقدمة بأن هناك أعداد كمية توض اإللكترونات وموقعها في الذرة. هذه األعداد الكمية األربعة هي: العدد الكمي الرئيسييييييي )( Pricipal Quatum Number يعطي هذا العدد الكمي - اإللكترون. فيأخذ هذا العدد فقط قيما معلومات حول مساااااتوى الطاقة الرئيساااااي الذي ينتمي ل أجل مساتوى الطاقة أ جل مساتوى الطاقة األول = وم صاحيحة..., 3, وهكذا. فم الثاني = وهكذا. 8

11 - العدد الكمي المداري )L( Orbital Quatum Number يعطي هذا العدد الكمي معلومات حول شاااااكل المساااااتوى الفرعي لمساااااتوى الطاقة الرئيساااااي الذي ينتمي ل االلكترون. فيأخذ هذا العدد أيضاااا فقط قيما صاااحيحة. لك قيمت تعتمد على فان القيم المختلفة ل L تتراوح م 0 إلى -, فم أجل قيمة 4= فالقيم ل L هي,,0&3. وهذا ما يوضح الجدول اآلتي: الجدول) - (: األعداد الكم ية ( ) والمدارات اإللكترونية المرافقة,l العدد الكم ي الر ئيس )( الط بقة اإللكترونية الر ئيسة العدد الكم ي الث انوي )l( المدار الث انوي s K 0 L 0, s, p 3 M 0,, 3s,3 p, فم وللتمييز بي إلكترونات المدارات الث انوية ي صطل عادة على تسمية اإللكترونات بأسااااااماء المدارات الث انوية ذاتها فنقول اإللكترونات واإللكترونات واإللكترونات وهكذا. وتتمي ز المدارات الث انوية بأشكالها المختلفة المطابقة ألشكال الس حابات اإللكترونية العائدة إللكترونات هذه المدارات. 4 العدد الكمي المغناطيسي )ml( Magetic Quatum Number يقدم هذا العدد الكمي معلومات حول توجي أو ترتيب المستوى الفرعي Sub-Level في الفراغ الذي ينتمي ل االلكترون. فتحدد قيم بواسطة قيمة L والمجال لهذه القيم م )-L 0 +L) والكلي هو L+.فم أجل =L فالقيم المختلفة ل ml هي,0&+ - وبناء على ما تقد م فإ ن عدد األوضاااااااع التي يمك أن تأخذها السااااااحب اإللكترونية العائدة للمدارات.)Multiplicity( (. وهذا ما ي عرف باسم الجدائية أو التعد دية l ) في الفراغ يساوي,s,p الث انوية d, أجل اإللكترونات وبالتالي فهناك توضاع اآلتي: l 0 s واحد ممك d p s s, p, d, تكون هناك قيمة واحدة ممكنة للعدد الكم ي المغناطيسااااااي هي ( 0 ( m للسا حابة اإللكترونية العائدة للمدار الث انوي كما هو موضا في الشا كل s الش كل )-5( وضع الس حابة اإللكترونية للمدار في الفراغ s 9

12 .) m,0, وم أجل اإللكترونات يأخذ العدد الكم ي المغناطيسااااااي ثال قيم ممكنة هي ) وبالتالي تكون هناك ثالثة أوضاع مختلفة في الفراغ للسحب اإللكترونية العائدة للمدار الث انوي ي شار إليها p l p, p, p كما هو مبي في الش كل اآلتي: p X Y Z بالرموز وم أجاال اإللكترونااات الش كل )-6( أوضاع السحب اإللكترونية للمدارات في الفراغ هناااك خمس قيم ممكنااة للعاادد الكم ي المغناااطيسااااااي وهي ( p, ( m وتقابلها خمسة أوضاع مختلفة في الفراغ للسحب اإللكترونية العائدة للمدار الث انوي 0,,,. يوض حها الش كل )-7( ويشار إليها بالرموز d, XY d XZ, dyz, d, d Z X Y l d d الش كل )-7( وضع الس حب اإللكترونية للمدارات d في الفراغ 0

13 4 العدد الكمي السبيني Number)ms( Spi Quatum يقادم هاذا العادد الكمي معلوماات حول دوران االلكتروناات حول محورهاا الخااص في المادار فيماا إذا كاان الاادوران مع عقااار الساااااااااعااة أو بعكسااااااهااا. فهناااك قيمتااان فقط للعاادد الكمي المحوري )الاادوراني( ms هما( ms=+/&ms=-/ ). تتحرك االلكترونات حول النواة في نوعي الحركة: م -حركة دورا نية حول النواة في مدارات دائرية أو اهليليجية. حركة كل إلكترون حول محوره.Spi ملخص لما تقد م يمكن أن نستنتج االتي: - كل مدار فرعي يستوعب إلكتروني كحد أقصى. ) م ) أو ( - كل مدار ثانوي يحتوي على ( 3- كل مدار ثانوي يستوعب م اإللكترونات. 4- عدد أنواع المدارات الث انوية في ك ل مدار رئيس يساوي ( المدارات الفرعية..).) ( كحد أقصى. l l l 5- عدد المدارات الفرعية في ك ل مدار رئيس يساوي ( 6- عدد اإللكترونات في ك ل مدار رئيس يساوي ( ت عرف وهنا ال بد م اإلشارة إلى أن ي ستعاض عادة ع باسم الحجيرات الكمومية أو الكوانتية. المدارات الفرعية بح جيرات مربعة الش كل تت ساااااع كل حجيرة إللكتروني متعاكساااااي بالل الذ اتي ( لإللكترون األول و لإللكترون s s الثاني( ي سميان باإللكتروني المتزاوجي وي شار إليهما بالرمز. وخالصة القول أن نا اآلن نستطيع أن نمي ز كل إلكترون في الذر ة تمييزا كامال ع غيره م إلكترونات الذر ة ذاتها وذلك بوساطة أعداد الك م األربعة ( ) التي تخ ص هذا اإللكترون. l m s والجدول )-3( ي ظهر أعداد الك م األربعة باإلضااااااافة الى عدد اإللكترونات التي تسااااااتوعبها المدارات الث انوية والر ئيسة.

14 الك م () السعة اإللكترونية عدد عدد الك م عدد الك م المدار عدد الك م الط بقة عدد أعداد الكم ),l,m,s( وحالة اإللكترونات في الذر ة الجدول )-4(: أعداد الكم ),l,m,s( وحالة للمدار الث انوي المدارات السبيني المغناطيسي (m) الث انوي الث انوي (l) اإللكترونية الر ئيس الر ئيسة (s) الفرعية (l+) (l+) K 0 s 0 ±/ 0 L s p 0 -, 0, + ±/ ±/ M 3s 3p 0 -, 0, + ±/ ±/ N 3 4p 4d 4f -, -, 0, +, + 0 -, 0, + -, -, 0, +, + -3, -, -,0,+,+ ±/ ±/ ±/ ±/ ±/ الجدول )-3(: السعة اإللكترونية للطبقة الر ئيسة ) ( 8 8 3

15 4- النموذج الذري الحديث Moder atomic model العلماء في الوقت الحاضر. وفقا لهذا النموذج: النموذج الذري األخير الذي القى قبوال م ان جزيئات أساسية الكترونات بروتونات ونيترونات. فااللكترونات ذات الشحنة ثال تتكون الذرة م - سالبة والبروتونات ذات شحنة موجبة والنيوترونات ال تملك شحنة فهي حيادية كهربائيا. تتوضااااع البروتونات والنيوترونات في نواة صااااغيرة في مركز الذرة بساااابب وجود البروتونات فالنواة - تكون ذات شحنة موجبة. تدور اإللكترونات حول النواة في مسارات دائرية واهليليجية ثابتة تعرف بمستويات الطاقة األساسية أو 3- النواة األغلفة الرئيساية. تمثل هذه المساتويات باألحرف K,L,M,N,O,P&Q تعد هذه المساتويات م باتجاه الخارج. يقساااااام كل مسااااااتوى طاقة أو غالف إلى أغلفة فرعية)مدارات ثانوية(.تمثل هذه المدارات الفرعية 4- باألحرف,s,p d f& كما تقسم هذه المدارات الفرعية إلى مدارات أخرى sub-sub- shells إلى النواة ذو طاقة أصغري بينما الطاقة. فمستوى الطاقة األقر يقرن كل مستوى طاقة بكمية ثابتة م 5- النواة يكون ذا طاقة أعظمي. مستوى الطاقة األبعد ع وتبقى الذرة مستقرة لك ليس هناك أي تغير في طاقة اإللكترون طالما بقي يدور في مستوى الطاقة نفس 6- عندم مستوى طاقة أعلى إلى مستوى مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى أو عندما يسقط م ا يقفز م 7- تغيرا في طاقة اإللكترون. يحد طاقة أدنى فان تحتل اإللكترونات المتحركة في مستويات طاقة مختلفة الفراغ حول النواة بسرعة. فالتكدس الكلي 8- الكهروستاتيكي بينهم. لاللكترونات يشكل سحابة الكترونية حول النواة بسبب قوة التجاذ إن عدد البروتونات يساوي عدد االلكترونات في الذرة العادية لهذا تكون النواة حيادية )معتدلة( كهربائيا العدد األعظمي لاللكترونات في الذرة Maximum Number of Electros i a Atom علمنا أن االلكترونات ذات جزيئات مشحونة سلبيا وتشكل سحابةحول النواة في هذه السحابة ترتب االلكترونات طبقا لطاقتها في مستويات طاقة أساسية مختلفة أو أغلفة أساسية. يعبرع مستويات الطاقة هذه باألرقام,,3,4,5,6&7 أو باألحرف K,L,M, N,O,P Q هذه األغلفة الرئيسية تحوي أغلفة فرعية sub-sub-shells وأغلفة جزئية م هذه األغلفة الفرعية sub-sub- shells سنناقش العدد األعظمي لاللكترونات في الذرة تحت عنواني : العدد األعظمي لإللكترونات في األغلفة الرئيسية Maximum umber of electros i mai shells يعطى العدد االعظمي لاللكترونات في االغلفة الرئيسية بالعالقة: Max.No.of. Electros i Mai Shells= حيث = رقم الغالف الرئيسي م النواة. فم أجل K-shell فان = فالعدد األعظمي لاللكترونات يكون وبشكل مشاب فم أجل L-shell فان = فالعدد األعظمي لاللكترونات 8

16 وم أجل M-Shell فان 3= فالعدد األعظمي لاللكترونات 8 وم أجل N-Shell فان 4= فالعدد األعظمي لاللكترونات 3 وهكذا م المهم في الوقت الحاضر معرفت بأن العالقة السابقة للعدد األعظمي لالتلكترونات غير دقيقة للمدارات بعد N فالعدد األعظمي لاللكترونات في المدارات O-Shell حيث,5= P-shell حيث 6= و- Q shell حيث 7= هو 3 فقط العدد األعظمي لاللكترونات في األغلفة الفرعية. Maximum umber of electros i the sub-shells يعطى العدد األعظمي لاللكترونات في األغلفة الفرعية Sub-shells بالعالقة: Max.No.of Electros i sub- Shells = (L+) حيث L =رقم الغالف الفرعي. وهكذا فم أجل الغالف الفرعي األول )0=L( فان العدد األعظمي لاللكترونات: Max. No. of Electros i Sub-Shells=(x0+) = هذا الغالف الجزئي معروف S-Sub-Shell.فالرمز, s,s,3s, يعني الغالف الجزئي S-Sub- Shell األول الثاني الثالث والرابع لمستويات الطاقة بالتتالي. - في الغالف الجزئي الثاني ) L= (,فان العدد األعظمي لاللكترونات 6 هذا الغالف الجزئي معروف ب P-Sub-Shell.فالرمز, p,3p,4p يعني الغالف الجزئي P-Sub-Shell الثاني الثالث والرابع لمستويات الطاقة بالتتالي. - في الغالف الجزئي الثالث )=L( فان العدد األعظمي لاللكترونات 0 هااذا الغالف الجزئي معروف d-sub-shell فااالرمز,4d,5d, يعني الغالف الجزئي d-sub- Shell الثالث الرابع والخامس لمستويات الطاقة بالتتالي. إلكترون(. -4- مخطط مستوى الطاقة لذرة متعددة اإللكترونات يبي الشكل مخطط مستوى الطاقة النظامي لذرة متعددة اإللكترونات )تحوي الذرة أكثر م 4

17 شكل) -8 ( مخطط مستوى الطاقة لذرة متعددة اإللكترونات في ضوء المعرفة مستويات الطاقة الرئيسية في الذرة لك أن هناك عددا غير محدد م المفيد معرفت م = حتى 7=(. وبكالم أخر الحالية فان توزيع اإللكترونات يتم في سبع مستويات طاقية رئيسية فقط )م المستوى األقل في الطاقة إلى المستوى األعلى في الطاقة. إن تسلسل ملء فان توزيع اإللكترونات يتم م اإللكترونات في األغلفة الفرعية المختلفة أو المدارات يتم وفق مجموعة القواعد التالية: عنصر إلى العنصر التالي بنظام تضاف اإللكترونات الواحد بعد األخر إلى المدارات عند الحركة م. تزايد العدد الذري. بالت تابع وفق نظام زيادة طاقتهم. تزداد الطاقات وفق الن ظام,3S,S,S,P تمأل ال مدارات.. 3P,4S,,4P,5S,4d,5P,6S,4f,5d,6P,7S أما األعداد. etc,,3 4 تشااااير إلى مسااااتوى الطاقة الرئيسي. ولكي تسهل معرفة هذا الترتيب يت م رسم المدارات الث انوية على شكل دوائر مرت بة في شااكل هرمي معكوس s وتماشيا مع األسهم المتوازية الموضحة في الش كل )9- (. ث م ت مأل هذه المدارات ابتداء بالمدار وم 5

18 الش كل )-9( رسم توضيحي لتسلسل المدارات الث انوية حسب طاقاتها حتى تحوي كل المدارات المتاحة للمجموعة زوج اإللكترونات في أي مدار f or s,p,d غير ممك المعطاة إلكترونا واحدا في كل منها. اإللكترونات مقداره بدوران يتسع مدار الغالف الجزئي في العدد الكمي األساسي لعدد أعظمي م ألن كل إلكترون باتجاه الدوران نفس أن يتسع إللكتروني متعاكس. أو بكالم آخر ال يوجد مدار يمك سيصد )سيرد( اآلخر بقوة كبيرة وذلك حسب مبدأ باولي. مملوءة باإللكترونات ألنها تمثل مملوءة أو نص لتصب تميل المدارات في المستوى الفرعي نفس ترتيب مستقر لإللكترونات. إذا كان هناك مداران أو أكثر لمجموعة معطاة )p,d,f( تحوي إلكترونا واحدا في كل منها فهي تميل في المدار سيكونان دوما بدوران اإللكترونيي لتكون باتجاه موحد للدوران )لها نفس العدد اللفي( لك متعاكس البناء اإللكتروني للذرات يتم توزيع إلكترونات الذر ة على ال مدارات الث انوية المحي طة بنواة اإللكتروني وذلك باالعت ماد على قواعد البناء -5- مبدأ االستبعاد لباولي في ذر ة واحدة أن يملكا أعداد الك م األربعة نفسااااااها. فلو إللكتروني ال يمك وينص هذا المبدأ على أ ن نفسها في الذر ة فال بد أن يختلفا بالعدد الكم ي السبيني و جد إلكترونان يملكان أعداد الك م الثالثة أي متزاوجي بالل الذ اتي في حجيرة كوانتية أن يكونا متعاكساااااي يشاااااترط عند تواجد إلكتروني أي أن. وهذا ما يمث ل بسهمي متوازيي ومتعاكسي في االت جاه.)Paired( فمثال في ذر ة الهيليوم المستقر ة ( Z العدد الذر ي( تكون أعداد الك م األربعة لإللكتروني كاآلتي: لإللكترون األو ل, l 0, m 0, s لإللكترون الثاني, l 0, m 0, s 6 s l m

19 ويمك تمثيل البنية اإللكترونية لذر ة الهيليوم بالرمز التعبيري التالي: يمث ل : حيث إ ن اإللكترون األو ل ي مث ل داخل الحجيرة الكوانتية بالسااااااهم المت ج السهم المت ج نحو األسفل. والرقم الموجود بي القوسي على يمي لذر ة الهيليوم. نحو األعلى واإللكترون الثاني He الرمز يمث ل العدد الذر ي He Z نفساااااهما( تتوزع على و الكم يي -5- قاعدة هوند و تن ص على أ ن اإللكترونات التي لها الط اقة نفساااااها )لها العددي أعظميا نفساا عدد اإللكترونات التي يكون لها العدد الكم ي الساابيني الحجيرات الكوانتية بشااكل يكون مع شااااااريطة عدم اإلخالل بمبدأ االسااااااتبعاد. وتعرف هذه اإللكترونات باساااااام اإللكترونات الفردية أو العازبة.)Upaired( وبمعنى آخر فقاعدة هوند تقول بأ ن اإللكترونات تتوز ع بصاااااورة فردية على المدارات الث انوية المنحل ة multiplicity( )Maximum دون التعددية القصااااااااااوى )المتساااوية بالط اقة( بشااكل تتحقق مع أي أن : لإللكتروناااات الفردياااة تمثااال مجموع الساااااابي اإلخالل بمبااادأ االسااااااااااااااااااتبعااااد حياااث ( تمثاال ساااااابي اإللكترون األو ل والثاااني والثااالااث على التوالي s, s, s3, S s s s3 وهكذا(. s l S S بعض االمثلة: الكربون )6=Z( تملك ذرة الكربون ستة إلكترونات. يتوضع اإللكترون في الغالف الرئيسي األول يتوضع اإللكترونان اآلخران في الغالف الفرعي s للمدار الرئيسي الثاني بينما يتوضع اإللكترونان المتبقيان في الغالف الفرعي p. s للغالف الرئيسي الثاني. فالشكل اإللكتروني العام لذرة الكربون يأخذ الشكل s p الصوديوم =( )Z تملك ذرة الصوديوم أحد عشر إلكترون يتوضع إلكترونان في الغالف الرئيسي األول يتوضع اإللكترونان األخران في الغالف الفرعي s للمدار الرئيسي الثاني تتوضع اإللكترونات الستة األخرى في الغالف الفرعي p للغالف الرئيسي الثاني وبينما يتوضع اإللكترون الوحيد المتبقي في المدار الفرعي s للغالف الرئيسي الثالث فالشكل اإللكتروني العام لذرة الصوديوم يأخذ الشكل.s s p 6 3s تجدر اإلشارة إلى أ ن اإللكترونات الفردية لها أهمية خاص ة في تحديد الصفات المغناطيسية للذر ة حيث إن وجود إلكترون فردي أو أكثر في الذر ة يجعلها ذات صااافات بارامغناطيساااية )Paramagetic( وإذا ما احتوت فقط على اإللكترونات المتزاوجة تكون ذات صاااااافات ديامغناطيسااااااية.)Diamagetic( والمواد البارامغناطيسااية تتفاعل بشااد ة مع المجال المغناطيسااي أما المواد الديامغناطيسااية فيكون تأث رها بهذا المجال ضعيفا. 7

20 وكنتيجة لقاعدة هوند )التعددية أقصااى ما يمك ) فإ ن المدارات الممتلئة باإللكترونات أو نصاا الممتلئة تزيد م استقرار الذر ة. وبناء على ذلك تظهر بعض المفارقات في البناء اإللكتروني وليس s s p 3s 3p فمثال التركيب اإللكترون ي لذر ة الكروم هو: 6 6 ألن التوزيع األو ل ( ) يكون فيا كا ل م الماداري الثا انويي s s p 3s 3p نص ممتلئ وبالتالي فهو األكثر استقرارا م التوزيع الث اني ( ( ولاياس: s s p 3s 3p والاتاركاياااب اإللاكاتاروناي لاااذر ة الاناحااااس هاو:. 6 6 وهناك حاالت أخرى مشااابهة نجدهااا في ذر ات الفضة والذ هب s s p 3s 3p وغيرها. s s Ag p s 3p 6 0 والتركيب اإللكتروني لذر ة الفضة )47=Z( هو s s p 6 3s 3p 6 0 4p 6 4d 0 5s 4p 6 4d 0 والتركيب اإللكتروني لذر ة اليورانيوم )Z=9( هو: 4f 4 5s 5p 6 5d 0 5f 3 6s 6p6 6d 7s ويمك المدار المملوء أق ل طاقة م يصاااب وقد ثبت أ ن المدار بعض إلكتروناتها وتتحول إلى شاااااااردة موجبة. فمثال تتكون شاااااااردة التيتانيوم الثنائي إلكتروني م الماادار وليس م 6 6 Ti : s s p 3s 3p التيتااانيوم التركيب اإللكتروني لشاردة التيتانيوم الثنائي هو: مالحظة ذلك عندما تفقد الذر ة عندما تفقد ذر ة الماادار فيكون Ti 4 Ti Cr 4 5 Cu 9 S وهذا يشاااير إلى أ ن طاقة المدار أعلى م طاقة المدار في ذر ة التيتانيوم. وكذلك تتكون شااااردة النحاسااااااي بفقدان ذر ة النحاس Cu9 إلكترونا واحدا م المدار وليس م المدار. فيكون Cu 8 : s s p 3s 3p التركيب اإللكتروني لشاردة النحاسي هو: أم ا الش وارد الس البة في كتب تركيبها اإللكتروني بإضافة عدد م اإللكترونات مساو لقيمة الش حنة الس البة وشاااااااردة 5 F9 : s s p التي تحملها الشاااااااردة. فمثال ذر ة الفلور F9 لها التركيب اإللكتروني:. وذر ة الكاااااابريت لها التركيااااااب لها التركيب اإللكترونااااااي: 6 S6 F 0 : s s p الفلوريد F فتركيبهاااا اإللكتروني هو: أماااا شااااااااااردة الكبريتياااد S 6 4 S6 : s s p 3s 3p اإللكتروني:. 6 6 S 8 : s s p 3s 3p أخيرا ال بد م اإلشااااااارة الى أ ن ال النظامية )Irregularity( في التوزيع اإللكتروني سااااااببها أ ن في الطبقات العليا يزداد تداخل المدارات الث انوية وتق ل الفوارق الطاقية فيما بينها. وهكذا يكون م الصاااعب توقع التركيب اإللكتروني في ذر ات العناصر الثقيلة. نهاية المحاضرة الثانية : s s p 3s 3p 0 Cu Au

21 إضافات مدرس المقرر 9

22 30