محتويات
ماذا يُقصد بمستوى الطاقة في الذرّة؟
مستوى الطاقة (بالإنجليزية: energy level) هو المسافة المحددة بين النواة الموجودة في الذرة والموقع المحتمل لوجود الإلكترونات السالبة حول النواة، حيث تدور الإلكترونات في مدارات حول النواة الموجبة، توجد هذه المدارات داخل مستويات تسمى مستويات الطاقة الفرعية وهذه المستويات الفرعية توجد في مستويات الطاقة الرئيسية، بحيث يتم توزيع المستويات الفرعية في المستويات الرئيسية بناء على أقصى عدد من الإلكترونات في مستوى الطاقة الرئيس [١].
ولتوضيح الأمر أكثر فمن الجدير بالذكر أن مستويات الطاقة تشبه درجات السلم لحد كبير، حيث يمكنك الوقوف على درجة الأولى أو الثانية مثلاً ولكن لا يمكنك الوقوف بينهما، وهكذا تتوزع الإلكترونات، حيث يمكن أن تكون الإلكترونات في المستوى الأول أو الثاني ولكن لا يمكن أن تتواجد في الفراغ الموجود بينهما، وتختلف مستويات الطاقة من مستوى إلى آخر حول النواة، إذ إن لكل مستوى طاقة معينة، ويُعد المستوى الأول هو المستوى الأقل طاقة بين المستويات الأخرى وكلما ارتفع المستوى زادت طاقته،[٢]
يتم ترتيب الإلكترونات في الذرة بالبداية في المستوى الأول ذو مستوى الطاقة الأقل وعندما يمتلئ المستوى الأول تُضاف الإلكترونات إلى المستوى الثاني وهكذا، ويمكن أيضاً للإلكترونات الانتقال من مستوى إلى آخر لكن حتى يتم انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة يجب على الذرة امتصاص طاقة أو إطلاقها، عندما يتم امتصاص طاقة ينتقل الإلكترون من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع وعندما ينتقل الإلكترون من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى طاقة منخفض يتم إطلاق طاقة وهذا ما يسمى بالتحولات الإلكترونية.[٢]
لكل ذرة من ذرات العناصر والمواد عدد معين من الإلكترونات والتي من الممكن حدوث تغييرات عليها مثل انتقال أو زيادة أو نقصان من خلال التفاعلات الكيميائية سواء كانت تفاعلات طبيعة بفعل الطبيعة أو غير طبيعية بفعل الإنسان.
ما هو الحد الأقصى للإلكترونات في مستويات الطاقة الرئيسية؟
لكل مستوى طاقة معينة وبالتالي يمكنه تحمل عدد معين من الإلكترونات، حيث يكون المستوى الأول ذو مستوى الطاقة الأقل يحتوي على أقل عدد من الإلكترونات وكلما زادت طاقة المستوى زادت قدرته على استيعاب عدد أكبر من الإلكترونات، لذا لكل مستوى طاقة عدد ثابت من الإلكترونات، ويعتمد العدد الأقصى من الإلكترونات على عدد المدارات في المستوى، حيث لكل مستوى عدد مدارات فرعية معينة أيضًا، ويطلق على هذه المدارات رموز وهي؛ (s, p, d, f)،[٣]
حيث يستوعب المدار s إلكترونين فقط أما المدار p يستوعب 6 إلكترونات والمدار d يستوعب 10 إلكترونات وأخيرًا المدار f يستوعب 14 إلكترون؛[٣] أي أن المدار الأول يستوعب إلكترونين فقط أما المدارات الأخرى فيمكنها احتواء ما يصل إلى ثمانية إلكترونات لذلك يزداد عدد الإلكترونات في مستويات الطاقة الأعلى لأنها من الممكن أن تحتوي على أكثر من مدار كونها ذات طاقة أعلى، ويطلق على كل مستوى رمز معين حسب عدد الإلكترونات فيه،[٤]ويتم حساب أقصى عدد من الإلكترونات لكل مدار بواسطة 2 (n^2) حيث يمثل n رقم المستوى كما في الجدول:[٥]
رقم المستوى (n) | رمز المستوى | أقصى عدد من الإلكترونات |
n=1 | K | 2 |
n=2 | L | 8 |
n=3 | M | 18 |
n=4 | N | 32 |
أمثلة علىتوزيع الإلكترونات في الذرة
المثال الأول:
ذرة الأكسجين (O) ذات العدد الذري 8 والذي يساوي عدد الإلكترونات، يتوزع اثنين منهما في المدار الأول و6 إلكترونات في المدار الثاني.[٦]
المثال الثاني:
ذرة الكالسيوم (Ca) ذات العدد الذري 20 والذي يساوي عدد الإلكترونات، يتوزع اثنين منهما في المدار الأول و8 إلكترونات في المدار الثاني و8 إلكترونات في المدار الثالث و2 في المدار الرابع.[٧]
يتم التوزيع الإلكتروني البسيط بتوزيع الإلكترونات في مستويات الطاقة الرئيسية أما التوزيع الإلكتروني الأكثر تعقيدًا فيقوم على أساس توزيع الإلكترونات في المدارات (s, p, d, f) الموجودة في مستويات الطاقة الفرعية، بحيث يحتوى المستوى على أكثر من مدار حتى يصل إلى أقصى عدد من الإلكترونات.
كيف يمكن حساب طاقة المستوى في الذرّة؟
قام العالم نيلز بور بعمل تجارب على طيف ذرة الهيدروجين لأنها تُعد أبسط الذرات فأنشئ نظرية بور لحساب طاقة المستوى في ذرة الهيدروجين بحسب القانون الآتي:[٨]
طاقة المستوى = -13.6/ (رقم المستوى^2) إلكترون فولت
ويعبّر عنه بالرموز:
ط = -13.6/ (n^2) إلكترون فولت
ويعبّر عن القانون باللغة الإنجليزية كالآتي:
E = -13.6/ (n^2) ev.
قبل ظهور قانون بور كان يتم قياس طاقة المستوى عن طريق الفرق بين المستويين المتتاليين في الذرة، لكن بعد نظرية بور يمكن الان قياس طاقة المستوى بشكل منفصل عن المستويات الأخرى
ما هي وحدة قياس الطاقة في الذرة؟
يتم استخدام وحدة الإلكترون فولت (Electron volt) لقياس الطاقة في الذرة وهي الوحدة التي يتم استخدمها في الفيزياء الذرية والنووية والتي تساوي الطاقة المكتسبة بواسطة الإلكترون عندما يزداد الجهد الكهربائي مقدار 1 فولت،[٩] ولقد تم استخدام هذه الوحدة لأن الطاقة في الذرة جداً ضئيلة مقارنة مع طاقة الأجسام العادية.[١٠]
كيف يمكن حساب الطول الموجي في مستوى الطاقة؟
عندما ينتقل الإلكترون من مستوى إلى آخر فإنه يمتص أو يعطي طاقة وتكون هذه الطاقة على شكل حزم منفصلة تسمى فوتونات (photons) ولكل فوتون طاقة محددة، حيث يعتمد مقدار الطاقة في الفوتون على الطول الموجي للفوتون، ويمكن قياس الطول الموجي عن طريق المعادلة الآتية:[١١]
الطول الموجي = (ثابت بلانك×سرعة الضوء) /طاقة الفوتون.
ويعبّر عنه بالرموز كالآتي:
λ = (ثابت بلانك×س) /ط.
ويعبّر عن القانون باللغة الإنجليزية:
λ = hc/E حيث إن:
h = ثابت بلانك.
c = سرعة الضوء.
E = طاقة الفوتون.
أمثلة على حساب الطاقة والطول الموجي في الذرة؟
المثال الأول:
جد طاقة أول خمس مستويات في ذرة الهيدروجين؟[١٢]
بحسب قانون الطاقة؛ ط = -13.6/ (n^2) فإن طاقة المستويات الخمسة تساوي:
طاقة المستوى | رقم المستوى |
-13.6 eV | n=1 |
-3.4 eV | n=2 |
-1.51 eV | n=3 |
-.85 eV | n=4 |
-.54 eV | n-5 |
المثال الثاني:
جد طاقة المستوى عند أول خمس مستويات في ذرة الهيليوم المتأينة ذات الإلكترون الواحد؟[١١]
بحسب قانون الطاقة؛ ط = -13.6/ (n^2) فإن طاقة المستويات الخمسة تساوي:
طاقة المستوى | رقم المستوى |
-54.4 eV | n=1 |
-13.6 eV | n=2 |
-6.04 eV | n=3 |
-3.4 eV | n=4 |
-2.176 eV | n=5 |
المثال الثالث:
جد الطول الموجي لفوتون يمتلك 10.2 ev من الطاقة؟[١٢]
بحسب قانون الطول الموجي؛ λ = (ثابت بلانك×س) /ط وبتعويض ثابت بلانك وسرعة الضوء وطاقة الفوتون فإن الطول الموجي يساوي
λ = (ثابت بلانك×س) /ط
10.2 /(λ =( 4.14 x 10-15) × ( 3 x 108
λ = 1.21 x 10-7 m
المثال الرابع:
جد الطول الموجي لفوتون يمتلك 2.55 ev من الطاقة؟[١٠]
بحسب قانون الطول الموجي λ = (ثابت بلانك×س) /ط وبتعويض ثابت بلانك وسرعة الضوء وطاقة الفوتون
فإن الطول الموجي يساوي
λ = (ثابت بلانك×س) /ط = 4.87 × 10-7 m
المراجع
- ↑ "Atoms and Light Energy", nasa, Retrieved 10/4/2021. Edited.
- ^ أ ب "5.12 Energy Level", flexbooks, Retrieved 12/4/2021. Edited.
- ^ أ ب "The periodic table, electron shells, and orbitals", khanacademy, Retrieved 10/4/2021. Edited.
- ↑ "5.12 Energy Level", ck12, Retrieved 15/4/2021. Edited.
- ↑ "Principal Energy Level Definition", thoughtco, Retrieved 10/4/2021. Edited.
- ↑ "How to Write the Electron Configuration for Oxygen", terpconnect, Retrieved 12/4/2021. Edited.
- ↑ "How to Write the Electron Configuration for Calcium (Ca)", terpconnect, Retrieved 12/4/2021. Edited.
- ↑ "Solution for Calculate the Energy! Student Worksheet", gsfc.nasa, Retrieved 15/4/2021. Edited.
- ↑ "Electron volt", britannica, Retrieved 12/4/2021. Edited.
- ^ أ ب "Solution for Calculate the Energy! Student Worksheet", nasa, Retrieved 11/4/2021. Edited.
- ^ أ ب "Energy Levels of Electrons", skyserver, Retrieved 10/4/2021. Edited.
- ^ أ ب "Energy Levels of Electrons", skyserver, Retrieved 10/4/2021. Edited.
