كيمياء صف عاشر متقدم فصل الاول 2024-2025 PDF

## القسم 2 نظرية الكم والذرة ### الأسئلة الرئيسة - كيف يمكن المقارنة بين نموذج بور ونموذج ميكانيكا الكم للذرة؟ - ما تأثير الطبيعة المزدوجة (موجة - جسيم) لدي دي بروغلي ومبدأ الشك في هايزنبرج على النظرة الحالية الخاصة بالإلكترونات في الذرة ؟ - ما العلاقة بين مستويات الطاقة الذرة الهيدروجين ومستوياته...

## القسم 2 نظرية الكم والذرة ### الأسئلة الرئيسة - كيف يمكن المقارنة بين نموذج بور ونموذج ميكانيكا الكم للذرة؟ - ما تأثير الطبيعة المزدوجة (موجة - جسيم) لدي دي بروغلي ومبدأ الشك في هايزنبرج على النظرة الحالية الخاصة بالإلكترونات في الذرة ؟ - ما العلاقة بين مستويات الطاقة الذرة الهيدروجين ومستوياتها الفرعية والأفلاك الذرية؟ ### الفكرة الرئيسة تساعد الخصائص الموجية للإلكترونات على الربط بين طيف الانبعاث الذري ومستويات الطاقة والأفلاك الذرية. ### الكيمياء تخيل أنك تتسلق سلها وتحاول الوقوف بين الدرجات. لن تنجح بالطبع إلا إذا كان بمقدروك الوقوف على الهواء. حين تكون الذرات في حالات طاقة مخالفة تتصرف الإلكترونات بنفس الطريقة التي يتصرف بها الشخص الذي يصعد درجات السلم الخشبي. ### نموذج بور للذرة فسر النموذج المزدوج موجة جسيم الخاص بالضوء عدة ظواهر لم يكن من الممكن تفسيرها من قبل، ولكن لا يزال العلماء لا يفهمون العلاقات بين البنية الذرية والإلكترونات وطيف الانبعاث الذري. تذكر أن طيف انبعاث الهيدروجين منفصل، أي أنه يتكون فقط من ترددات ضوئية محددة. ما السبب الذي يجعل طيف الانبعاث الذري للعناصر منفصلاً بدلا من أن يكون متصلا؟ اقترح عالم الفيزياء الدنماركي نيلز بور الذي كان يعمل في مختبر رذرفورد عام 1913 نموذجا كميا لذرة الهيدروجين يبدو أنه يجيب على هذا السؤال. كما تنبأ نموذج بور أيضًا بشكل صحيح بترددات الخطوط الموجودة في طيف الانبعاث الذري للهيدروجين. ### مفردات للمراجعة - الذرة (atom): أصغر جزء في العنصر يحتفظ بجميع خصائص العنصر ويتكون من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات. ### مفردات جديدة - الحالة الأرضية - رقم الكم - معادلة دي بروغلي - مبدأ الشك لهايزنبرج - النموذج الميكانيكي الكمي للذرة - الفلك الذري - رقم الكم الرئيس - مستوى الطاقة الرئيس - مستوى الطاقة الفرعي ### حالات الطاقة لذرة الهيدروجين بناء على تصورات بلانك وأينشتاين للطاقة الكمية اقترح بور أن ذرة الهيدروجين لها حالات طاقة محددة مسموح بها. أقل حالة طاقة مسموح بها للذرة تسمى الحالة الأرضية، حين تكتسب الذرة الطاقة، يقال أنها في حالة مستثارة. ### ربط بور أيضا حالات الطاقة لذرة الهيدروجين بالإلكترون داخل الذرة وقد اقترح أن الإلكترون في ذرة الهيدروجين يتحرك حول النواة في مدارات دائرية محددة مسموح بها فقط. كلما صغر مدار الإلكترون كلما كانت حالة الطاقة للذرة أو مستوى الطاقة أقل. وعلى العكس كلما ازداد حجم مدار الإلكترون، كلما كانت حالة الطاقة للذرة أو مستوى الطاقة أعلى. ومن ثم يمكن أن يكون لذرة الهيدروجين عدة حالات مستثارة على الرغم من أنها تحتوي على إلكترون واحد فقط. تتضح فكرة بور في الشكل 10. ### الشكل 10 يوضح الشكل ذرة لها إلكترون واحد لاحظ أن الرسم التوضيحي ليس مطابقا لمقياس رسم في حالته الأرضية (المستقرة). يوجد الإلكترون بأقل مستوى للطاقة. حين تكون الذرة في حالة مستثارة، يوجد الإلكترون بمستوى طاقة أعلى. ### الجدول 1 وصف بور لذرة الهيدروجين | المدار الذري لبور | رقم الكم | نصف قطر المدار (nm) | مستوى الطاقة الذري المقابل | الطاقة النسبية | |---|---|---|---|---| | الأول | n = 1 | 0.0529 | 1 | E1 | | الثاني | n = 2 | 0.212 | E2 = 4E1 | 2 | | الثالث | n = 3 | 0.476 | E3 = 9E1 | 3 | | الرابع | n = 4 | 0.846 | E4 = 16 E1 | 4 | | الخامس | n = 5 | 1.32 | E5 = 25E1 | 5 | | السادس | n = 6 | 1.90 | E6 = 36 E1 | 6 | | السابع | n = 7 | 2.59 | E7 = 49 E1 | 7 | وحتى يكمل حساباته ، حدد بور عددا يسمى رقم الكم لكل مدار. كما قام أيضا بحساب نصف قطر كل مدار بالنسبة للمدار الأول (أقرب المدارات للنواة). n = 1 ونصف قطر المدار 0.5 بالنسبة للمدار الثاني n = 2 ونصف قطر المدار هو 0.212m وما إلى ذلك. يوضح الجدول 1 مزيداً من المعلومات حول وصف بور المدارات ذرة الهيدروجين المسموح بها ومستويات الطاقة. ### طيف الانبعاث الخطي لذرة الهيدروجين اقترح بور أن ذرة الهيدروجين توجد في الحالة الأرضية، وتسمى أيضًا مستوى الطاقة الأول، حين يكون الإلكترون الوحيد لها في مستوى الطاقة n = 1 في الحالة الدنيا لا تنبعث أي طاقة من الذرة. حين تضاف الطاقة من مصدر خارجي، ينتقل الإلكترون لمستوى طاقة أعلى، مثل مستوى الطاقة n = 2 الموضح في الشكل 11. انتقال الإلكترونات هذا يجعل الذرة في حالة مستثارة. حين تكون الذرة في حالة مستثارة يمكن أن يسقط الإلكترون من المستوى ذو الطاقة الأعلى إلى مستوى طاقة أقل. نتيجة لهذا الانتقال، ينبعث من الذرة فوتون يتطابق مع الفرق في الطاقة بين المستويين. - hf = ΔE = E - AE = E - E هي مستوى الطاقة الأعلى - E هي مستوى الطاقة الأدنى ### الشكل 11 حين يسقط إلكترون من مستوى ذو طاقة أعلى إلى مستوى ذو طاقة أقل، ينبعث فوتون. تتوافق سلاسل الأشعة فوق البنفسجية (ليمان). والمرئية (بالمر) وتحت الحمراء (باشن) مع سقوط الإلكترونات إلى n = 1 ، n = 2 n = 3 على التوالي. ### الشكل 12 مستويات طاقة محددة فقط هي المسموح بها. مستويات الطاقة شبيهة بدرجات السلم. تتطابق الأربعة خطوط المرئية مع سقوط الإلكترونات من مستوى أعلى إلى المستوى n = 2. ومع زيادة n تصبح مستويات الطاقة الذرة الهيدروجين أقرب إلى بعضها البعض. ### ونظرا لأن طاقات ذرية محددة فقط هي المحتملة، يمكن أن تنبعث ترددات معينة للإشعاع الكهرومغناطيسي: يمكنك مقارنة حالات الطاقة الذرية للهيدروجين بدرجات السلم. يمكن للشخص تسلق السلم لأعلى أو لأسفل من درجة إلى درجة فقط. وبالمثل، يمكن لإلكترون ذرة الهيدروجين أن ينتقل فقط من مستوى واحد مسموح به لمستوى آخر، لذلك يمكن أن ينبعث منه كميات محددة من الطاقة تتطابق مع الفرق في الطاقة بين المستويين. ### الشكل 12 يوضح أنه على عكس درجات السلم، فالمسافات بين مستويات الطاقة الذرية للهيدروجين غير متساوية. كما يوضح الشكل 12 أيضًا انتقال أربعة إلكترونات وهو ما يفسر الخطوط المرئية التي تظهر في طيف الانبعاث الذري للهيدروجين والموضحة في الشكل . انتقال الإلكترون من مستوى ذو مستوى طاقة أعلى إلى المستوى الثاني يفسر وجود كل الخطوط المرئية للهيدروجين والتي تتكون منها سلسلة بالمر. تم قياس انتقالات الإلكترون الأخرى والتي لم تكن مرئية. مثل سلسلة ليمان (فوق البنفسجية) حيث يسقط الإلكترون إلى المستوى n = 1. وسلسلة باشان (تحت الحمراء حيث يسقط الإلكترون إلى المستوى n = 3. ### التأكد من فهم النص فسر سبب تكون ألوان ضوئية مختلفة من سلوك الإلكترون في الذرة. ### قصور نموذج بور شرح نموذج بور الخطوط الطيفية الملحوظة للهيدروجين. ومع ذلك فقد فشل النموذج في شرح طيف أي عنصر آخر. كما أن نموذج بور لم يفسر السلوك الكيميائي للذرات. في الواقع على الرغم من أن فكرة بور بشأن مستويات الطاقة الكمية قد مهدت طرح فكرة النماذج الذرية فيما بعد، فقد أوضحت التجارب الأخيرة أن نموذج بور لم يكن صحيحًا في الأساس. فحركات الإلكترونات في الذرات غير مفهومة بشكل تام حتى الآن، ومع ذلك يشير الدليل الجوهري إلى أن الإلكترونات لا تتحرك حول النواة في مدارات دائرية. ### النموذج الميكانيكي الكمي للذرة صاغ العلماء في منتصف عشرينيات القرن العشرين الذين كانوا مقتنعين حينها بأن نموذج بور الذري كان خاطئا - تفسيرات جديدة ومبتكرة حول كيفية ترتيب الإلكترونات في الذرات. عام 1924 اقترح طالب جامعي فرنسي تخرج في الفيزياء يدعى لويس دي بروغلي (1892-1987) فكرة استطاعت فيما بعد أن تفسر مستويات الطاقة الثابتة لنموذج بور. ### الإلكترونات كموجات ظل دي بروغلي يفكر في أن مدارات الإلكترون الكمية لبور لها مواصفات شبيهة بمواصفات الموجات. على سبيل المثال، كما يتضح من الشكلين 13 و 13 ب فإن مضاعفات نصف الأطوال الموجية فقط هي المطلوبة من أجل وتر قيثارة تم اقتلاعه لأن الوتر مثبت من كلا الطرفين. وبالمثل فقد رأى دي بروغلي أن الأعداد الفردية فقط للأطوال الموجية هي المسموح بها في مدار دائري ذو نصف قطر ثابت، كما يتضح من الشكل 13 ج. كما أشار أيضًا إلى حقيقة أن الضوء الذي كان يعتقد بكل قوة في فترة ما أنه ظاهرة موجية - يمتلك مواصفات كلا من الموجة والجسيم. هذه الأفكار قادت دي بروغلي لطرح سؤال جديد. إذا كان يمكن للأمواج أن تسلك سلوك الجسيمات هل يمكن أن يكون العكس صحيحًا؟ أي هل يمكن للجسيمات المادة، بما في ذلك الإلكترونات أن تتصرف كالموجات؟ #### الشكل 13 A. يهتز الوتر على القيثارة بين نقطتي نهاية ثابتتين B. اهتزازات الوتر بين نقطتي النهاية الثابتتين تم تسميتهما B و A وهي محددة بمضاعفات نصف الأطوال الموجية. J. يمكن أن تكون الإلكترونات على المدارات الدائرية ذات أعداد فردية فقط للأطوال الموجية. ### تتنبأ معادلة دي بروغلي بأن جميع الجسيمات المتحركة تتمتع بمواصفات موجية. كما أنها تشرح أيضا سبب استحالة ملاحظة الطول الموجي سيارة تتحرك بسرعة. فالسيارة التي تتحرك بسرعة 25 m/s وتبلغ كتلتها 10 kg يكون طولها الموجي 2.9 × 10-3 وهو طول موجي صغير للغاية بحيث لا يمكن رؤيته أو الكشف عنه. على النقيض، فإن الإلكترون الذي يتحرك بنفس السرعة يكون له طول موجي يسهل حسابه ويساوي 2.9 × 10-5. وقد أوضحت التجارب اللاحقة أن الإلكترونات والجسيمات المتحركة الأخرى لها في الواقع مواصفات موجية بالفعل. عرف دي بروغلي أنه إذا كان للإلكترون حركة تشبه الموجة، وأنه ينحصر في مدارات دائرية أو ذات نصف قطر ثابت، فإنه يحتمل وجود أطوال موجية وترددات وطاقات محددة. وبتطوير فكرته، استنتج دي بروغلي المعادلة التالية: ### العلاقة بين الجسيم والموجة الكهرومغناطيسية - λ= h/ mv - λ مثل الطول الموجي. - h ثابت بلانك. - m مثل كتلة الجسيم - v تمثل السرعة. طول موجة جسيم ما هو ناتج قسمة ثابت بلانك على حاصل ضرب كتلة الجسيم في سرعته. ### مختبر حل المشكلات ### تفسير الرسومات التوضيحية العلمية ### ما هي انتقالات الإلكترون التي توضح سلسلة بالمر؟ يشمل طيف انبعاث الهيدروجين ثلاث سلاسل من الخطوط: بعض الأطوال الموجية عبارة عن أشعة فوق بنفسجة (سلسلة ليمان) وتحت الحمراء (سلسلة باشان). والأطوال الموجية المرئية هي التي تتكون منها سلسلة بالمر. إن نموذج بور الذري ينسب هذه الخطوط الطيفية لانتقالات من حالات ذات طاقة عالية التي تكون فيه n = n إلى حالات ذات طاقة منخفضة تكون فيها n = n ### التحليل يوضح الشكل على اليسار الانتقالات في سلسلة بالمر الخاصة بالهيدروجين. يتم تعيين خطوط بالمر هذه Ha (6562 Å) H(4861 A), (4340 Å) (4101 Å). يتعلق كل طول موجي بانتقال إلكترون ضمن ذرة هيدروجين من خلال المعادلة التالية حيث λ = 1/1.09678 × 10 7 (2) - (n) -2 1.09678 × 10 7 يُعرف بثابت ريد بيرج m-1 بالنسبة لسلسلة بالمر للهيدروجين ينتقل الإلكترون من المستويات العليا إلى المستوى n = 2 أي أن n= 2 ### التفكير الناقد 1. احسب الأطوال الموجية لانتقال الإلكترون : - n = 3; n = 2.a - n = 4; n = 2.b - n = 5; n = 2.c - n = 6; n = 2.d 2. أوجد العلاقة بين الأطوال الموجية في سلسلة بالمر التي قمت بحسابها في السؤال 1 وبين تلك المحسوبة تجريبيا بالسماح بأخطاء تجريبية وعدم الدقة في الحسابات هل تتطابق الأطوال الموجية؟ فسر إجابتك. علما أن واحد أنجستروم (Å) يساوي 10-10 m 3 طبق المعادلة hf = ΔE لحساب طاقة الكم لكل انتقال بين المستويات في السؤال 1 4. توسع في نموذج بور عن طريق حساب الطول الموجي والطاقة بالكم لانتقال الالكترون بين المدارات الذي تكون فيه n = 3 و n = 5. هذا الانتقال يوضح الخط الطيفي لسلسة باشان للهيدروجين. ### مبدأ الشك لهايزنبرج خطوة بخطوة استطاع علماء مثل رذرفورد وبور ودي بروغلي فك غموض الذرة. ومع ذلك، فالنتيجة التي توصل إليها عالم الفيزياء النظرية الألماني ورنر هايزنبرج (1901-1976) أثبتت أن لها نتائج عميقة على نماذج الذرة. ### وقد أوضح هايزنبرج أنه من المستحيل أخذ قياسات أي جسم دون إحداث اضطراب فيه. تخيل أنك تحاول تحديد موضع بالون متأرجح مملوء بالهيليوم في غرفة مظلمة. إذ لوحت بيديك، يمكنك أن تحدد موقع البالون حين تلمسه. ومع ذلك حين تلمس البالون فإنك تنقل إليه الطاقة وتغير موضعه. يمكنك أيضا التنبؤ بموقع البالون عن طريق إضاءة كشاف باستخدام هذه الطريقة، تصل فوتونات الضوء المنعكسة من البالون إلى عينيك وتكشف عن موقع البالون. ونظرا لأن البالون جسم كبير يمكن رؤيته بالعين المجردة، فإن تأثير الفوتونات المرتدة على موقعة يكون صغيراً جدا وغير ملحوظ. ### تخيل أنك تحاول أن تحدد موقع إلكترون ما عن طريق "اصطدامه" بفوتون ذو طاقة عالية نظراً لأن هذا الفوتون يمتلك نفس طاقة الإلكترون، فإن التفاعل بين الجسيمين يغير كل من الطول الموجي للفوتون وموقع وسرعة الإلكترون كما يظهر في الشكل 14. بمعنى آخر، فإن ملاحظة الإلكترون ينتج عنها شك واضح لا يمكن تجنبه في موقع وحركة الإلكترون. قاد تحليل هايزنبرج للتفاعلات، كتلك الموجودة بين الفوتونات والإلكترونات لاستنتاجه التاريخي. يوضح مبدأ الشك لهايزنبرج أنه من المستحيل معرفة سرعة وموقع أي جسيم في نفس الوقت بدقة. ### التأكد من فهم النص اشرح مبدأ الشك لهايزنبرج. ### على الرغم من أن العلماء في هذا الوقت قد وجدوا أن مبدأ هايزنبرغ صعب القبول، فلقد ثبت أنه يصف الحدود الجوهرية لما يمكن ملاحظته. إن التفاعل بين الفوتون والجسم الكبير كالبالون المليء بالهيليوم له تأثير قليل جدا على البالون. حتى أن الشك في موقعه سيكون صغير جدا بحيث لا يمكن قياسه. ولكن ليس هذا هو الحال مع إلكترون يتحرك بسرعة 10 بالقرب من نواة الذرة. إن الشك في موقع الإلكترون يكون على الأقل 10-10 m. أي حوالي أكبر بـ 10 أضعاف من قطر الذرة بكاملها. ### إن مبدأ الشك لهايزنبرج أيضًا يعني أنه من المستحيل تعيين مسارات محددة للإلكترونات مثل المدارات الدائرية في نموذج بور. الكمية الوحيدة التي يمكن معرفتها هي احتمالية أن يشغل أحد الإلكترونات منطقة محددة حول النواة. ### الشكل 14 حين يصطدم فوتون مع إلكترون في حالة السكون، يتم تعديل كل من سرعة الإلكترون وموقعه. يوضح ذلك مبدأ الشك لهايزنبرج من المستحيل معرفة موضع وسرعة جزيء ما في نفس الوقت. فسر لم تغيرت طاقة الفوتون? ### معادلة شرودنجر للموجات توسع الفيزيائي النمساوي إيروين شرودنجر (1961-1887) في عام 1926 في نظرية الموجة - الجسيم التي اقترحها دي بروغلي. اشتق شرودنجر معادلة تتعامل مع إلكترون ذرة الهيدروجين كموجة. وقد بدا النموذج الجديد لشرود نجر بالنسبة لذرة الهيدروجين مناسب للتطبيق بشكل جيد على ذرات عناصر أخرى وهو ما فشل فيه بور. النموذج الذري الذي يتم فيه التعامل مع الإلكترونات كموجات يسمى النموذج الميكانيكي الموجي للذرة أو النموذج الميكانيكي الكمي للذرة وكنموذج بور، يضع نموذج ميكانيكية الكم حدا ل طاقة الإلكترون بقيم محددة. ومع ذلك، على عكس نموذج بور، لا يحاول نموذج ميكانيكية الكم أن يصف مسار الإلكترون حول النواة. التأكد من فهم النص قارن وقابل بين نموذج بور والنموذج الميكانيكي الكم. ### إن معادلة شرودنجر للموجة معقدة للغاية حتى يتم مناقشتها هنا. ومع ذلك. كل حل للمعادلة يعرف باسم دالة الموجة، وهو يتعلق باحتمالية وجود إلكترون ضمن حجم محدد من الفراغ حول النواة. تذكر من دراستك للرياضيات أن أي حدث ذو احتمال عالي للحدوث يكون احتمال وقوعه أكبر مقارنة بالحدث الأقل احتمالا. ### الموقع المحتمل للإلكترون تتنبأ دالة الموجة بمنطقة ثلاثية الأبعاد حول النواة تسمى الفلك الذري وهو الذي يصف الموقع المحتمل للإلكترون. يمكن تشبيه الفلك الذري بسحابة ضبابية تتناسب فيها الكثافة في نقطة معينة مع احتمالية العثور على الإلكترون في هذه المنطقة. يوضح الشكل 115 خريطة الكثافة الإلكترونية التي تصف الإلكترون في حالة الطاقة المنخفضة للذرة. يمكن اعتبار خريطة الكثافة الإلكترونية صورة لحظية للإلكترون الذي يتحرك حول النواة، والذي تمثل فيه كل نقطة موقع الإلكترون في لحظة زمنية. تشير الكثافة العالية للنقاط بالقرب من النواة إلى أكثر موقع محتمل للإلكترون. ومع ذلك. ونظرا لأن السحابة ليس لها حد معين، فمن الممكن أيضًا العثور على الإلكترون على مسافة هائلة من النواة. ### التأكد من فهم النص صف أين تقع الإلكترونات في الذرة. ### الشكل 15 تمثل خريطة الكثافة احتمالية العثور على إلكترون في موقع معين حول النواة. A. الكثافة الأعلى للنقاط بالقرب من النواة توضح أن في الغالب يحتمل العثور على الإلكترون بالقرب من النواة. B. في أي وقت محدد، يحتمل بنسبة 90% العثور على إلكترون ضمن المنطقة الدائرية الموضحة. يتم اختيار هذا السطح في بعض الأوقات ليمثل حد الذرة في هذا الرسم التوضيحي. تتطابق الدائرة مع إسقاط كرة ثلاثية الأبعاد تحتوي على الإلكترونات. ### الأفلاك الذرية لذرة الهيدروجين نظرا لضبابية حد الفلك الذري، فلا يمتلك الفلك حجماً محددًا ودقيقاً. وللتغلب على الشك المتأصل حول موقع الإلكترون رسم الكيميائيون بصورة افتراضية سطح الفلك بحيث يحتوي على 90% من التوزيع المحتمل الإجمالي للإلكترون. مما يعني أن احتمالية وجود إلكترون ضمن الحد تبلغ 0.9 واحتمالية وجوده خارج الحد تبلغ 0.1. بمعنى آخر، في الغالب يحتمل وجود الإلكترون بالقرب من النواة وضمن الحجم المحدد بحدود أكثر من وجوده خارج هذا الحجم. تضم الدائرة الموضحة في الشكل 15 ب 90% من فلك الهيدروجين الأقل طاقة. ### رقم الكم الرئيس تذكر أن نموذج بور الذري يعين أعداداً كمية المستويات الطاقة للإلكترونات. وبالمثل فإن نموذج ميكانيكية الكم يعين أربعة أعداد كمية لل أفلاك الذرية. الأول هو رقم الكم الرئيس (n) ويشير إلى الحجم النسبي لل أفلاك الذرية وطاقتها. وبزيادة n يصبح الفلك أكبر، ويقضي الإلكترون وقتا أطول بعيدا عن النواة، وتزيد طاقة الذرة. لذلك تحدد مستويات الطاقة الرئيسة للذرة. كل مستوى طاقة أساسي يسمى مستوى الطاقة الرئيس. يتم تعيين رقم كمي رئيسي وهو 1 لمستوى الطاقة الرئيس الأقل للذرة. حين يشغل الإلكترون الوحيد لذرة الهيدروجين فلك تكون فيه n = 1. تكون الذرة في حالتها المستقرة. تم التنبؤ بما يصل إلى 7 مستويات طاقة الذرة الهيدروجين، مما يمنح n قيمة تبدأ من 1 حتى 7. ### مستويات الطاقة الفرعية تحتوي مستويات الطاقة الرئيسة على مستويات طاقة فرعية. يتكون مستوى الطاقة الرئيس 1 من مستوى فرعي واحد، يتكون مستوى الطاقة الرئيس 2 من مستويين فرعيين ويتكون مستوى الطاقة الرئيس 3 من ثلاثة مستويات فرعية، وما إلى ذلك. لفهم العلاقة بين مستويات طاقة الذرة ومستوياتها الفرعية تصور المقاعد في قسم على شكل وندي من المسرح. كما يظهر في الشكل 16 وبينما تتحرك بعيدًا عن المسرح، تصبح الصفوف أعلى وتشمل مزيد من المقاعد. بالمثل فإن مستويات الطاقة الفرعية في مستوى الطاقة الرئيس تزيد بزيادة n. . ### التأكد من فهم النص اشرح العلاقة بين مستويات الطاقة والمستويات الفرعية. ### الشكل 16 يمكن التفكير في مستويات الطاقة على أنها صفوف مقاعد في المسرح. تحتوي الصفوف العليا والأبعد عن خشبة المسرح على عدد أكبر من المقاعد. وبالمثل، تحتوي مستويات الطاقة التي ترتبط بالأفلاك الأبعد عن النواة على عدد أكبر من المستويات الفرعية. ### أشكال الأفلاك تسمى المستويات الفرعية s أو p أو d أو f طبقا لأشكال أفلاك الذرة. كل أفلاك s كروية الشكل ، و جميع أفلاك p تأخذ شكل دميل تشبه الرقم 8 ولكنها ثلاثية الأبعاد)، مع ذلك لا تتخذ كافة أفلاك d أو f نفس الشكل. يمكن أن يحتوي كل فلك على إلكترونين على الأكثر. يتطابق المستوى الفرعي الوحيد في مستوى الطاقة الرئيس 1 مع الفلك الكروي ويسمى 1s. بينما تم تعيين المسميين 2s و 2p للمستويين الفرعيين في مستوى الطاقة الرئيس 2. يحتوي المستوى الفرعي 2s على الفلك 2s كروي الشكل مثل الفلك 1s ولكنه أكبر حجما، كما يتضح من الشكل 117. ### يتوافق المستوى الفرعي 2p مع أفلاك p الثلاثة التي تأخذ شكل الدمبل وتسمى 2py , 2px , 2pz الأحرف السفلية ل و p و 2 تعين فقط اتجاه أفلاك p بطول x و y و z محاور الإحداثيات، كما يظهر في الشكل 17 ب. كل فلك من أفلاك p تتعلق بمستوى طاقة فرعي له نفس الطاقة. ### التأكد من فهم النص صف أشكال أفلاك s و p. ### يتكون مستوى الطاقة الرئيس 3 من ثلاثة مستويات فرعية هي 3s , 3d , 3p كل مستوى فرعي d يرتبط بخمس أفلاك لها نفس الطاقة. أربعة من أفلاك d لها نفس الشكل ولكن اتجاهاتها مختلفة على طول محاور الإحداثيات x و y و z. أما الفلك الخامس dz2 فذو شكل واتجاه مختلف عن الأربعة السابقة. ترد أشكال واتجاهات أفلاك d الخمسة في الشكل 17 ج. يحتوي مستوى الطاقة الرئيس الرابع (4) = n على مستوى فرعي رابع يسمى المستوى الفرعي 4f الذي يرتبط بسبعة أفلاك f لها نفس الطاقة. أفلاك f ذات أشكال معقدة متعددة الحلقات . ### الشكل 17 نصف أشكال الأفلاك الذرية التوزيع المحتمل للإلكترونات في مستويات الطاقة الفرعية ### الجدول 2 أول أربعة مستويات طاقة رئيسة للهيدروجين | رقم الكم الرئيس (n) | المستويات الفرعية (أنواع الأفلاك ) الموجودة | عدد الأفلاك المتعلقة بالمستوى الفرعي | إجمالي عدد الأفلاك المتعلقة بالمستوى الرئيس (2 n2) | |---|---|---|---| | 1 | s | 1 | 1 | | 2 | s, p | 1, 3 | 4 | | 3 | s, p, d | 1, 3, 5 | 9 | | 4 | s, p, d, f | 1, 3, 5, 7 | 16 | ترد مستويات الطاقة الأربعة الأولى للهيدروجين ومستوياته الفرعية والأفلاك الذرية المتعلقة به بإيجاز في الجدول 2. لاحظ أن عدد الأفلاك المرتبط بكل مستوى فرعي دائما ما يكون عدداً فردياً، وأن أقصى عدد أفلاك يتعلق بكل مستوى طاقة رئيس يساوي n2. ### في أي وقت محدد يمكن أن يشغل الإلكترون في ذرة الهيدروجين فلكا واحداً فقط. يمكنك التفكير في الأفلاك الأخرى كمساحات غير مشغولة - مساحات تتوافر في حال زادت طاقة الذرة أو قلت. على سبيل المثال، حين تكون ذرة الهيدروجين في حالتها المستقرة، يشغل الإلكترون فلك 1s. إلا أنه حين تكتسب الذرة كما من الطاقة، ينتقل الإلكترون إلى أحد الأفلاك غير المشغولة بناء على كمية الطاقة المتاحة. يمكن للإلكترون أن ينتقل للفلك 2s أو إلى أحد الأفلاك 2p الثلاثة أو إلى أي فلك آخر فارغ. ## القسم 2 مراجعة ### ملخص القسم - يعزي نموذج بور الذري طيف انبعاث الهيدروجين للإلكترونات التي تسقط من مدارات طاقة أعلى إلى مدارات الطاقة أقل. - يفترض النموذج الميكانيكي الكم للإلكترونات خصائص موجية. - تشغل الإلكترونات مناطق ثلاثية الأبعاد من الفضاء تسمى الأفلاك الذرية. ### الفكرة الرئيسة فسر سبب احتواء طيف الانبعاث الذري على ترددات ضوئية محددة وفقا لنموذج بور الذري. ### فرق بين الطول الموجي للضوء المرئي والطول الموجي لكرة قدم متحركة. ### عدد المستويات الفرعية التي تحتوي عليها مستويات الطاقة الأربعة الأولى لذرة الهيدروجين. ما الأفلاك التي تتعلق بكل مستوى فرعي s وكل مستوى فرعي p? ### فسر سبب الشك في موقع أي إلكترون بالذرة مستعينا بمبدأ هايزنبرج للشك و معادلة دي بروغلي للازدواجية الموجة - الجسيم كيف يتم التعرف على موقع الإلكترونات في الذرات? ### احسب استخدم المعلومات الواردة في الجدول 1 في حساب إلى أي ضعف يزيد طول نصف قطر بور السابع لذرة الهيدروجين عن نصف قطر بور الأول. ### قارن بين نموذج بور و النموذج الميكانيكي الكم للذرة.