الفيزياء الذرية الوحدة الرابعة

الفيزياء الذرية

• الوحدة الرابعة تركز على الفيزياء الذرية وتتألف من ثلاثة أقسام رئيسية.
• القسم الأول يتناول مفهوم الأطياف الذرية، بينما القسم الثاني يركز على نموذج بور للذرة.
• القسم الأخير يتناول دراسة الأشعة السينية، أساسياتها، وكيفية إنتاجها، ومناقشة الطيف المستمر وخطوط الطيف المميزة.
• تم تذييل الوحدة بسرد شامل للمصطلحات العلمية مع أسئلة تقويم ذاتي وتدريبات.

أهداف الوحدة

• فهم أهمية دراسة الأطياف الذرية.
• شرح نموذج بور للذرة.
• التعرف على النتائج التي حققتها نظرية بور.
• شرح تجربة فرانك وهيرتز.
• المقارنة بين الأعداد الكمية.
• تعريف الأشعة السينية.
• شرح كيفية الحصول على الأشعة السينية.
• توضيح الطيف المستمر وماذا يعني بدراسة خطوط الطيف المميز.
• حل المسائل والتمارين.

الفيزياء الذرية

• النموذج الأول للذرة كان الذي اقترحه تومسون في عام 1898، وهو عبارة عن كرة موجبة الشحنة تتضمن إلكترونات سالبة الشحنة.
• في عام 1911، أجرى رذرفورد تجربة لتشتيت جسيمات ألفا باستخدام شريحة رقيقة من الذهب.
• رذرفورد افترض أن الذرة تتكون من نواة صغيرة تتركز فيها كل الشحنة الموجبة والكتلة، بينما توجد الإلكترونات حول النواة على مسافة بعيدة نسبياً.
• نموذج الذرة الذي اقترحه رذرفورد لم يقدم تفسيراً لأطياف الذرة الخطية أو لثبات مدارات الإلكترونات.
• بور قدم نموذجاً أفضل للذرة في عام 1913 بالاستعانة بنظرية الكم.

الأطياف الذرية

• الجوامد عند تسخينها لدرجات حرارة مختلفة تبعث طيفاً مستمراً يشمل كل الأطوال الموجية.
• مصادر الطيف في الجوامد هي ذرات مختلفة ومتفاعلة مع بعض، وتكون المسافات بين الذرات صغيرة جداً.
• الغازات تبعث أطوال موجية معينة عند التسخين وتمتص في أطوال موجية معينة.
• في عام 1885، درس بالمر طيف الهيدروجين ووجد أن الطيف الخطي الأول يكون عند الطول الموجي 65.63 نانومتر.
• العلماء باشن وبراكت وبفند قاموا بدراسة الطيف الخطي لذرة الهيدروجين في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

نموذج بوهر لذرة الهيدروجين

• اعتمد بوهر في نظريته على الفيزياء التقليدية بالإضافة لنظرية بلانك في الكمية الاشعاع.
• نجحت نظرية بوهر في وضع صورة تتفق مع الحقائق حول الطيف الذري وطبقت بنجاح على ذرة الهيدروجين.

افتراضات بوهر

• يدور الإلكترون في مدارات ثابتة غير مشعة حول النواة بحيث تتساوى قوة الطرد المركزي وقوة الجذب الكهربية الساكنة.
• المدارات المسموح بها هي فقط تلك التي يكون فيها الاندفاع الزاوي يساوي حاصل ضرب عدد صحيح (n) مع ثابت بلانك مقسوماً على .2π
• انبعاث الإشعاع يحدث فقط عندما ينتقل الإلكترون من مدار ذو طاقة عالية إلى مدار آخر ذو طاقة منخفضة.
• تردد الطيف الكهرومغناطيسي يعتمد على الفرق بين الطاقتين.

معادلات مهمة

• نصف قطر المدار (n):
  • =
  • n² h² /4π² kme² rn
• سرعة الإلكترون:
  • vn=2π ke² /nh
• قيمة نصف قطر المدار الأرضي (n=1) لذرة الهيدروجين:
  • , r= 0.53×10⁻¹⁰ m
• طاقة الحركة:
  • 1/2m v²
• الطاقة الكامنة:
  • ke²/r-
• الطاقة الكلية للالكترون في المدار n :
  • En = ke²/-2r
• معادلة لحساب قيم الثوابت:
  • en= -(13.6/n²)eV
• تردد الفوتون المنبعث عند هبوط الإلكترون:
  • v = Ef -Ei / h

علاقات رياضية

• العلاقة بين الأعداد الكمية:
  • v = 2π² k² me⁴ / h³ (1/nf²-1/ni²)
• معادلة الطول الموجي للإلكترون عند الهبوط من الحالة العليا إلى الدنيا:
  • λ = c/v
• قيمة ثابت ريدبيرج:
  • R = 2π² k² me⁴/c h³

متسلسلات طيف ذرة الهيدروجين

• ليمان: 1916, تنتهي عند الحالة (nf=1)
• بالمر: 1884, تنتهي عند الحالة (nf=2)
• باشن: 1908, تنتهي عند الحالة (nf=3)
• براكت: 1922, تنتهي عند الحالة (nf=4)
• بفند: 1924, تنتهي عند الحالة (nf=5)

النتائج والإخفاقات في نظرية بوهر

• اتّفاق قيمة الثابت الذي توصل إليه رايد بيرج مع القيمة التي توصلت إليها نظرية بوهر.
• تنبؤ نظرية بوهر بالأطياف الخطية لذرة الهيدروجين الذي يطابق نتائج التجارب العملية.
• تطابق تأين ذرة الهيدروجين على حسب النظرية مع النتائج المعملية.
• تفسير نظرية بوهر لبعض الظواهر كإنتاج الأشعة السينية.

جوانب القصور في نظرية بوهر

• نجاح النظرية فقط بالنسبة للهيدروجين وأشباه الهيدروجين.
• فشل النظرية في تفسير التركيب الدقيق لخطوط الطيف للهيدروجين.
• توفير معلومات عن تردد الضوء المنبعث ولكنها لا تحلل الشدة النسبية لخطوط الطيف.
• عدم تفسير النظرية لظهور عدد كبير من خطوط الطيف عند وجود مجال كهربي ومغناطيسي.
• تعامل النظرية مع انتقال إلكترونات معزولة نتج عنه أطياف خطية ولكن في السوائل والجوامد تكون الذرات متقاربة وينتج عن ذلك طيف مستمر وهذا لا يمكن تفسيره بواسطة نظرية بوهر.

تجربة فرانك وهيرتز

• تهدف لإثبات وجود مستويات للطاقة.
• تستخدم الإلكترونات لإثارة الذرات بوساطة التصادمات.
• عند تصادم الإلكترون بذرة من الغاز يرتد الإلكترون في اتجاه جديد بالنسبة لمساره.
• يرتد الالكترون بالقليل من طاقة حركته ويسمى هذا بالتصادم المرن ( elastic).
• عندما تصل طاقة الإلكترون إلى قيمة معينة ينخفض التيار فجأة.
• السبب عند التصادم يفقد الإلكترون كل طاقته أو جزءًا كبيرًا منها لإثارة الذرة من المستوي الأرضي إلى مستوي أعلى.
• يسمى هذا التصادم هو تصادم غير مرن فبالتالي تكون هناك فقد في الطاقة .

الأعداد الكمية

• العدد الكمي n ، الذي اقترحه بوهر ، غير كاف لمعرفة حالة الإلكترون.
• هنالك حاجة لثلاث أعداد كمية أخرى.
• العدد الكمي يعرف بالعدد الكمى الرئيسي (principal quantum number) ، وله القيم التالية .(n=1,2,3,....)
• يحدد هذه القيم العدد n.
• العدد الكمى الثاني (l) فهو العدد الكمى المدارى (orbital quantum number) وله القيم التالية:
  • ´l=0,1,.....n-1
• يحدد العدد الكمى (1) الاندفاع الزاوى بالنسبة لإلكترون في مدار معين.
• العدد الكمى (m) فيسمى بالعدد الكمى المغناطيسي (magnetic quantum number).
• يوضح العدد الكمى (m) الزيادة في خطوط الطيف التي تنتج عند وجود مجال مغناطيسي خارجي.

تعبئة الذرات بالإلكترونات

• في الذرة غير المثارة فإن الإلكترونات تحتل حالات الطاقة الدنيا مع الأخذ في الاعتبار قانون باولى والذي لا يسمح لإلكترونين بأن يكون لهما نفس الأعداد الكمية.
• كل الإلكترونات التي لها نفس العدد الكمي n تبعد تقريباً نفس المسافة من النواة ولها نفس الطاقة . وبالتالي تعتبر بأنها في نفس القشرة الذرية.
• الإلكترونات التي تكون بنفس القشرة ولها نفس العدد الكمي تعتبر بأنها تتشارك في نفس القشرة الفرعية (subshell).

سعة القشرة

• القشرة الفرعية هي 2+1(2l) الإلكترون
• سعة القشرة القصوى هي 2n² إلكترون

الأﺷﻌﺔ اﻟﺴﻴﻨﻴﺔ X-rays

• أول من اكتشف الأشعة السينية هو العالم رونتجن في عام 1895.
• يوجد نوعان من الأشعة السينية.
  • الأشعة السينية المميزة (characteristic X-rays).
  • الأشعة السينية المستمرة (continuous X-rays) وتسمى أيضاً بأشعة الفرملة و هي ترجمة للكلمة الألمانية Bremsstrahlung.

الطيف المميز

• يحمل صفات الذرات التي أنبعث منها.
• ينتج عند هبوط إلكترونات الذرة من قشرة الى أخرى ويظهر في الرسم البياني في شكل قمم حادة .

الطيف المستمر

• ينتج عند تخفيض سرعة الإلكترون بالقرب من النواة ولذلك تسمى باشعة الفرملة ويمتاز بحد أدنى للطول الموجة .

خواص الأشعة السينية واستخداماتها

• تقع الأشعة السينية في الطيف الكهرومغناطيسي مابين الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما وتمتاز الأشعة السينية بقدرة اختراق عالية .
• يتناسب عمق الاختراق عكسياً مع كثافة المادة.
• شرائح رقيقة من الرصاص تستطيع أن توقف الأشعة السينية.
• استخدامات كثيرة في المجالات الطبية. وأيضا في دراسة تركيب البلورات.

إنتاج الأشعة السينية X-rays Production

• يتم تسخين المهبط بواسطة تيار من دائرة كهربية مساعدة وذلك لإنتاج الإلكترونات الحرارية .
• يتم التحكم في في شدة الإلكترونات المنبعثة بواسطة التحكم في المقاومة الخاصة بدائرة التسخين .
• يستخدم في هذا الالنوع من الأجهزة فرق جهد عالي بين المهبط والهدف المعدني.
• يقوم هذا الجهد بتعجيل الإلكترونات نحو الهدف.
• يكون الهدف من معدن لة عدد ذري عالي ودرجة ذوبان عالية.

الطيف المستمر Bremsstrahlung

• يحدث هذا النوع من الأشعة عند تصادم إلكترونات ذات طاقة عالية بالهدف .
• الطاقة الناتجة = v*e
• أقصر طول موجي للاشعاع الناتج يعطى بالعلاقة:
  • hc/eV= λmin

خطوط الطيف المميز

• عند دراسة الأشعة السينية يتم استخدام الحروف ....K,L,M للقشرة المرتبطة بالعدد الكمي (n=1,2,3,...).
• فعندما يحرر الإلكترون المسرع إلكتروناً من القشرة K . يقوم إلكترون من القشرة بالهبوط إلى المكان الفارغ.
• انتقال إلكترون من القشرة L إلى K ينتج عنه الطيف الخطي Ka. وكذلك الإلكترونات من M و N فإنها تنتج الأطاف الخطية KB و K. كذلك عندما يهبط إلكترون من القشرة ...N,O إلى فجوة في القشرة L فينتج الطيف الخطي ...L, L.
• الطيف المستمر يظهر في شكل منحني بينما يظهر الطيف الخطي في شكل قمم حادة.