محاضرة نماذج البناء الذري PDF

‫نماذج البناء الذري وطيف ذرة‬ ‫الهيدروجين‬ ‫المحاضرة‪6-‬‬ ‫د‪.‬فاتن األحمد‬ ‫الفيزياء الطبية‪-‬سنة أولى‪-‬كلية الصيدلة ‪-‬جامعة الحواش‬  ‫نماذج البناء الذري‬...

‫نماذج البناء الذري وطيف ذرة‬ ‫الهيدروجين‬ ‫المحاضرة‪6-‬‬ ‫د‪.‬فاتن األحمد‬ ‫الفيزياء الطبية‪-‬سنة أولى‪-‬كلية الصيدلة ‪-‬جامعة الحواش‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ مقدمة‪:‬‬ ‫ بدأت المحاوالت لفهم تركيب المادة منذ القديم وكان العالم دالتون أول من افترض في بداية‬ ‫القرن التاسع عشر ‪ 1808‬أن المادة تتكون من وحدات أساسية أو ذرات ال يمكن تقسيمها وأن‬ ‫ذرات العناصر المختلفة تختلف عن بعضها في حين تتماثل ذرات العنصر الواحد‪.‬‬ ‫ اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكريل مع العالمين الفرنسيين أيضا ً ماري و بيير كوري عام‬ ‫‪ 1896‬ظاهرة النشاط االشعاعي‪.‬‬ ‫ وفي العام التالي اكتشف العالم اإلنكليزي تومسون أول الجسيمات األولية وأكثرها شهرة ً وهو‬ ‫االلكترون‪.‬ثم بين بعد ذلك أن جميع الذرات تحتوي على الكترونات وأن كتلة هذه اإللكترونات‬ ‫صغيرة جدا ً مقارنةً بكتلة الذرة‪.‬‬ ‫ وبما أن شحنة االلكترون سالبة فان الذرة كي تحافظ على تعادلها الكهربائي البد وان تحتوي على شحنة‬ ‫كهربائية موجبة مساوية لشحنة االلكترونات‪ ،‬لكن توزع هذه الشحنة وكذلك الكتلة داخل النواة بقي مجهوالً‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -1‬نموذج تومسون‪:‬‬ ‫ وضع تومسون في عام ‪ 1898‬العام التالي الكتشاف االلكترون‪ ،‬أول‬ ‫نموذج لتركيب الذرة وبالتالي لتوزع الشحنة والكتلة داخل الذرة‪.‬‬ ‫ فرض تومسون أن الذرات عبارة عن كرات مصمتة مشحونة ايجابيا ً‬ ‫بشكل متجانس وااللكترونات تتوزع بشكل منتظم داخل الكرة‪ ،‬وذلك‬ ‫بسبب التنافر بينها‪.‬‬ ‫ تكون طاقة الذرة حسب هذا النموذج أقل مايمكن أي في حالتها‬ ‫األولية أو األرضية عندما تكون االلكترونات في مواضع اتزانها‪.‬‬ ‫ و عندما تُثار الذرة باكتسابها طاقة معينة فإن اإللكترونات تهتز أو‬ ‫تتذبذب حول مواضع اتزانها‪.‬‬ ‫مادة مشحونة ايجابيا‬ ‫الكترون‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -2‬نموذج رذرفورد‪:‬‬ ‫ ان التجربة التي قام بها كل من غايغر ومارسدن في عام ‪ 1911‬بنا ًء على اقتراح العالم رذرفورد‬ ‫أثبتت عكس نموذج تومسون‪.‬وبينت أن الذرة تتألف من نواة صغيرة تحمل الشحنة الموجبة ويتركز‬ ‫فيها معظم كتلة الذرة ويدور حول هذه النواة اإللكترونات‪.‬‬ ‫ أي أن الذرة تتألف من فراغ ال تشغل النواة و اإللكترونات إال جزءا ً صغيرا ً من حجمها‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -2‬نموذج رذرفورد‪:‬‬ ‫ التجربة تم تنفيذيها بحيث يوضع حاجز من الرصاص أمام جسيمات ألفا (وهي‬ ‫عبارة عن نوى الهليوم أي تحمل شحنة موجبة مقدارها ضعف شحنة‬ ‫اإللكترون) المنطلقة من مادة مشعة‪.‬‬ ‫ يحتوي الحاجز على ثقب صغير لتأمين حزمة ضيقة من جسيمات ألفا تسقط‬ ‫على صفيحة رقيقة جدا ً من الذهب ويوضع خلفها حاجز من كبريتات التوتياء‬ ‫يمكن أن يتألق أي يعطي ومضة ضوئية إذا اصطدمت به جسيمات ألفا‪.‬‬ ‫ وقد أثبتت هذه التجربة أن الغالبية العظمى من جسيمات ألف قد اخترقت‬ ‫صفيحة الذهب دون أي انحراف وعددا ً قليالً تشتت بزاوية معينة وقسما ً ضئيالً‬ ‫ارتد باالتجاه المعاكس تماما ً‪.‬‬ ‫ وبما أن جسيمات ألفا ثقيلة نسبيا ً إذ أن كتلتها أكبر بحوالي ‪ 7000‬مرة من كتلة‬ ‫اإللكترون وأن سرعتها كبيرة أيضا ً فال بد من أن قوى كبيرة موجودة بالذرات‬ ‫سببت تشتت جسيمات ألفا وحتى ارتدادها الى الخلف أحيانا ً‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -2‬نموذج رذرفورد‪:‬‬ ‫ وعلى هذا األساس كان تصور رذرفورد للذرة بأنها مكونة من فراغ وأن النواة التي‬ ‫تحمل الشحنة اإليجابية وتتركز فيها معظم كتلة الذرة واإللكترونات ال يشغالن إال جزءا ً‬ ‫صغيرا ً من حجم الذرة‪.‬‬ ‫ و عندما يصدف أن جسيما ً من جسيمات ألفا تقترب من النواة فإن النواة تُؤثر عليها بقوة‬ ‫كهربائية تُسبب بانحرافها عن مسارها بزاوية معينة تكون كبيرة عندما يقترب جسيم ألفا‬ ‫كثيرا ً من النواة‪.‬‬ ‫ وبما أن اإللكترونات خفيفة جدا ً بالنسبة لجسيمات ألفا لذا فلن يكون لها تأثير ملحوظ على‬ ‫مسير جسيمات ألفا والتأثير الفعال يأتي من النواة فقط‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫ قام بور بوضع نموذج لذرة الهيدروجين التي تتكون من بروتون واحد والكترون وحيد‪.‬‬ ‫ ومن أجل فهم آلية امتصاص وإصدار الطاقة من قبل الذرة وضع الفرضيات التالية‪:‬‬ ‫ ‪-1‬إن الكترون ذرة الهيدروجين يدور حول النواة (وهي بروتون) في مدار (مسار) دائري تحت تأثير قوة كولون الكهربائية‬ ‫ويحقق اإللكترون في دورانه قوانين نيوتن في الحركة‪.‬‬ ‫ ‪-2‬يمكن لإللكترون أن يتواجد في مسارات دائرية معينة فقط تجعل قيمة الدفع الزاوي ‪ L‬مساوية ألحد مضاعفات ثابت بالنك‬ ‫‪.  = h‬أي أن كمية حركة اإللكترون الزاوية تُعطى بالعالقة التالية‪:‬‬ ‫المختزل‬ ‫‪2‬‬ ‫‪L = m   r = n ‬‬ ‫حيث ‪n=1,2,3,…..‬‬ ‫ ‪-3‬تكون طاقة اإللكترون في مداره المسموح مقدارا ً ثابتاً‪ ،‬هذا يعني أن اإللكترون في أثناء دورانه حول النواة ال يصدر‬ ‫إشعاعا ً كهرطيسيا ً‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫ ‪-4‬يمكن أن تتغير طاقة اإللكترون عند انتقاله من مدار مسموح آلخر‪.‬فإذا كان اإللكترون في مدار طاقته ‪ Ei‬ثم انتقل لمدار‬ ‫طاقته ‪ E f‬فإن اإللكترون يصدر إشعاعا ً كهرطيسيا ً (فوتون) يُعطى تردده بالعالقة التالية‪:‬‬ ‫‪Ei − E f‬‬ ‫=‪‬‬ ‫‪h‬‬ ‫ يُالحظ أن فرضيات بور هي عبارة عن مزيج من الفيزياء الكالسيكية (قوانين نيوتن وكولون) والفيزياء الكمية (الفوتون و‬ ‫تكميم كمية الحركة الزاوية)‪.‬‬ ‫ سوف نستخدم هذه الفرضيات للحصول على طاقة اإللكترون في مداراته المختلفة وتفسير طيف ذرة الهيدروجين‪.‬‬ ‫ نفرض أن كتلة اإللكترون ( ‪ )m‬وشحنته ( ‪ )e‬بينما كتلة النواة ( ‪ )M‬وشحنتها ( ‪.)+Ze‬ونفرض أيضا ً أن النواة ساكنة ال تتحرك ألن كتلتها كبيرة‬ ‫مقارنةً مع كتلة اإللكترون‪.‬‬ ‫ يوجد بين اإللكترون سالب الشحنة والبروتون موجب الشحنة قوة تجاذب كهربائية تُعطى بقانون كولون على الشكل التالي‪:‬‬ ‫‪( Ze)e‬‬ ‫‪F1 = K‬‬ ‫‪r2‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫ االلكترون يتحرك على مدار حول النواة فهو يخضع لقوة طرد مركزية تُعطى بالعالقة‪:‬‬ ‫‪v2‬‬ ‫‪F2 = ma = m‬‬ ‫‪r‬‬ ‫ وفي حال استقرار الذرة يكون‪:‬‬ ‫‪F1 = F2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪v‬‬ ‫‪ze‬‬ ‫‪m =k 2‬‬ ‫‪r‬‬ ‫‪r‬‬ ‫ ومن هذه العالقة نحصل على نصف قطر المدار الذي يتحرك عليه اإللكترون‪:‬‬ ‫‪ze 2‬‬ ‫‪r=K‬‬ ‫‪mv 2‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫‪L = m   r = n ‬‬ ‫ وباالستفادة من فرضية بور الثانية‬ ‫‪ze 2‬‬ ‫نحصل على نصف قطر المدار الذي يتحرك عليه اإللكترون بداللة العدد ‪:n‬‬ ‫‪r=K‬‬ ‫ ومن العالقة‬ ‫‪mv 2‬‬ ‫‪n 2 2‬‬ ‫= ‪rn‬‬ ‫‪Kmze 2‬‬ ‫ نُسمي العدد ‪ n‬بالعدد الكمي الرئيسي وهو يُعبر عن رقم المدار الذي يتواجد فيه اإللكترون‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ من أجل ‪ n=1‬فأن‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪−10‬‬ ‫= ‪rn = r0‬‬ ‫=‬ ‫‪0‬‬ ‫‪.‬‬ ‫‪53‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪0‬‬ ‫‪.‬‬ ‫‪53‬‬ ‫‪A‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪Kme 2‬‬ ‫وهو نصف قطر مدار بور األول في ذرة الهيدروجين‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫‪L = m   r = n ‬‬ ‫ وباالستفادة من فرضية بور الثانية‬ ‫‪n 2 2‬‬ ‫= ‪rn‬‬ ‫‪Kmze 2‬‬ ‫ وتكون السرعة الخطية ‪:v‬‬ ‫‪n‬‬ ‫‪ze 2‬‬ ‫=‪v‬‬ ‫‪=K‬‬ ‫‪mr‬‬ ‫‪n‬‬ ‫ وبالتالي نحصل على الطاقة الحركية لإللكترون‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1 2 1  ze 2 ‬‬ ‫‪m  ze 2  1‬‬ ‫‪T = mv = m K‬‬ ‫‪ =  K‬‬ ‫‪ 2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2  n ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪  n‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫ وبالتالي نحصل على الطاقة الحركية لإللكترون‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1 2 1  ze ‬‬ ‫‪m  ze  1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫=‪T‬‬ ‫‪mv = m K‬‬ ‫‪ =  K‬‬ ‫‪ 2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2  n ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪  n‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ الطاقة الكامنة لإللكترون تُعطى بالعالقة‪:‬‬ ‫‪ze‬‬ ‫‪V = −K‬‬ ‫‪r‬‬ ‫وهي طاقة سالبة ألن قوة كولون هي قوة تجاذب‪.‬‬ ‫ أما الطاقة الكلية لإللكترون فيمكن الحصول عليها من جمع الطاقة الحركية مع الطاقة الكامنة‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪m  ze K ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪ ze K ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫= ‪E = T +V‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ − m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2  n ‬‬ ‫‪ n ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪m  ze K  1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪13.6‬‬ ‫‪E = − ‬‬ ‫‪ 2 = − 2‬‬ ‫‪2   n‬‬ ‫‪n‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫ أما الطاقة الكلية لإللكترون فيمكن الحصول عليها من جمع الطاقة‬ ‫الحركية مع الطاقة الكامنة‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪m  ze K  1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪13.6‬‬ ‫‪En = − ‬‬ ‫‪ 2 = − 2‬‬ ‫‪2   n‬‬ ‫‪n‬‬ ‫ من هذه المعادلة نجد أن الطاقة الكلية لإللكترون تأخذ قيما ً محدودة‬ ‫فقط تبعا ً لقيمة الثابت ‪.n‬‬ ‫ ويمكن توضيح طاقة الذرة من خالل ما يُعرف بمخطط سويات‬ ‫الطاقة‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نماذج الذرة‪:‬‬ ‫‪ -3‬نموذج بور‪:‬‬ ‫ أما الطاقة الكلية لإللكترون فيمكن الحصول عليها من جمع الطاقة‬ ‫الحركية مع الطاقة الكامنة‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪m  ze K  1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪13.6‬‬ ‫‪En = − ‬‬ ‫‪ 2 = − 2‬‬ ‫‪2   n‬‬ ‫‪n‬‬ ‫ من هذه المعادلة نجد أن الطاقة الكلية لإللكترون تأخذ قيما ً محدودة‬ ‫فقط تبعا ً لقيمة الثابت ‪.n‬‬ ‫ ويمكن توضيح طاقة الذرة من خالل ما يُعرف بمخطط سويات‬ ‫الطاقة‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نموذج بور وتفسير طيف ذرة الهيدروجين‪:‬‬ ‫ عند امتصاص الذرة لطاقة فأن الذرة ستكون في حالة مثارة (أي‬ ‫اإللكترون ينتقل من السوية األرضية إلى سويات طاقية أعلى)‪.‬‬ ‫ الذرة ستعود من الحالة المثارة إلى الحالة المستقرة وذلك بعودة‬ ‫اإللكترون من السوية المثارة إلى السوية األرضية المستقرة‪.‬‬ ‫ ويرافق انتقال االلكترون من السوية المثارة الى السوية األدنى اصدار‬ ‫فوتون تردده يتناسب مع الفرق الطاقي بين السويتين‪:‬‬ ‫‪Ei − E f‬‬ ‫=‪‬‬ ‫‪h‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪m  ze K  1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪En = −‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ 2‬‬ ‫‪2   n‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نموذج بور وتفسير طيف ذرة الهيدروجين‪:‬‬ ‫ ويرافق انتقال االلكترون من السوية المثارة الى السوية األدنى اصدار‬ ‫فوتون تردده يتناسب مع الفرق الطاقي بين السويتين‪:‬‬ ‫‪Ei − E f‬‬ ‫=‪‬‬ ‫‪h‬‬ ‫‪ 1‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪Ei − E f‬‬ ‫‪m  ze K ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‪‬‬ ‫=‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ − ‬‬ ‫‪h‬‬ ‫‪2h   ‬‬ ‫‪ n2 n2 ‬‬ ‫‪ f‬‬ ‫‪i ‬‬ ‫‪Ei − E f‬‬ ‫‪me 4 z 2 K 2  1‬‬ ‫‪1 ‬‬ ‫=‪‬‬ ‫=‬ ‫‪− 2‬‬ ‫‪h‬‬ ‫‪4  n f ni ‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪2‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نموذج بور وتفسير طيف ذرة الهيدروجين‪:‬‬ ‫ ويرافق انتقال االلكترون من السوية المثارة الى السوية األدنى اصدار‬ ‫فوتون تردده يتناسب مع الفرق الطاقي بين السويتين‪:‬‬ ‫‪Ei − E f‬‬ ‫‪me 4 z 2 K 2  1‬‬ ‫‪1 ‬‬ ‫=‪‬‬ ‫=‬ ‫‪− 2‬‬ ‫‪h‬‬ ‫‪4  n f ni ‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2‬‬ ‫= ‪‬‬ ‫‪1‬‬ ‫ وبداللة العدد الموجي‬ ‫‪‬‬ ‫‪me 4 K 2 2  1‬‬ ‫‪1 ‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2 1‬‬ ‫‪1 ‬‬ ‫= ‪‬‬ ‫‪z‬‬ ‫‪− 2 = Rz‬‬ ‫‪− 2‬‬ ‫‪4 c  n f ni ‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪n‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪f‬‬ ‫‪n‬‬ ‫‪i‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪me 4 K 2‬‬ ‫ حيث ‪ :R‬ثابت رايدبيرغ‬ ‫=‪R‬‬ ‫‪4 3c‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نموذج بور وتفسير طيف ذرة الهيدروجين‪:‬‬ ‫ وبالتالي فأن انتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات ‪ ni=2,3,4,….‬إلى السوية ‪nf=1‬‬ ‫فيترافق ذلك بإصدار فوتون ينتمي إلى سلسلة ليمان‪.‬‬ ‫‪ 1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ = Rz  2 − 2 ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪ n f ni ‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات ‪ ni=3,4,5,….‬إلى السوية ‪ nf=2‬فيترافق ذلك‬ ‫ ‬ ‫بإصدار فوتون ينتمي إلى سلسلة بالمر‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات ‪ ni=4,5,6,….‬إلى السوية ‪ nf=3‬فيترافق ذلك‬ ‫ ‬ ‫بإصدار فوتون ينتمي إلى سلسلة باشن‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات ‪ ni=5,6,7,….‬إلى السوية ‪ nf=4‬فيترافق ذلك‬ ‫ ‬ ‫بإصدار فوتون ينتمي إلى سلسلة براكيت‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات ‪ ni=6,7,8,….‬إلى السوية ‪ nf=5‬فيترافق ذلك‬ ‫ ‬ ‫بإصدار فوتون ينتمي إلى سلسلة بفوند‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫ نموذج بور وتفسير طيف ذرة الهيدروجين‪:‬‬ ‫وبالتالي فأن انتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من‬ ‫ ‬ ‫السويات ‪ ni=2,3,4,….‬إلى السوية ‪ nf=1‬فيترافق ذلك‬ ‫بإصدار فوتون ينتمي إلى سلسلة ليمان‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات‬ ‫ ‬ ‫‪ni=3,4,5,….‬إلى السوية ‪ nf=2‬فيترافق ذلك بإصدار فوتون‬ ‫ينتمي إلى سلسلة بالمر‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات‬ ‫ ‬ ‫‪ni=4,5,6,….‬إلى السوية ‪ nf=3‬فيترافق ذلك بإصدار فوتون‬ ‫ينتمي إلى سلسلة باشن‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات‬ ‫ ‬ ‫‪ni=5,6,7,….‬إلى السوية ‪ nf=4‬فيترافق ذلك بإصدار فوتون‬ ‫ينتمي إلى سلسلة براكيت‪.‬‬ ‫وانتقال الكترون في ذرة هيدروجين مثارة من السويات‬ ‫ ‬ ‫‪ni=6,7,8,….‬إلى السوية ‪ nf=5‬فيترافق ذلك بإصدار فوتون‬ ‫ينتمي إلى سلسلة بفوند‪.‬‬  ‫نماذج البناء الذري‬ ‫خطوط تُقابل‬ ‫امتصاص طاقة‬ ‫خطوط تُقابل‬ ‫اصدار طاقة‬