لماذا تبدأ مستويات الطاقة بحرف K

تبدأ مستويات الطاقة بحرف K

تشير K إلى الغلاف الأول (أو مستوى الطاقة) ، L الغلاف الثاني ، M ، الغلاف الثالث ، وهكذا. وبمعنى آخر ، يشير تدوين KLMN (OP) فقط إلى عدد الإلكترونات التي تمتلكها الذرة مع كل رقم كم رئيسي (n)، ويقسم تدوين SPDF كل قشرة إلى أقسامها الفرعية.

كما تم الكشف عنه، فإن الأشعة السينية من النوع K هي أشد انبعاثا للطاقة، ويتم إنتاجها بإزالة الإلكترونات أو المدارات الداخلية في القشرة الذرية واستعادتها، ويطلق على هذه العملية اسم K-shell، والتي تسمى باسم الملصق المستخدم للأشعة السينية، وفاز باركلا بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1917 بسبب هذا الاكتشاف

لماذا يتم تسمية قذائف الإلكترون بالحروف K وL وM وN وليس A وB وC؟ هذا هو سؤالنا الآن

تأتي أسماء الأوربيتال أو القذائف الإلكترونية من عالم تشارلز جي باركلا، وهو متخصص في تحليل الأشعة السينية التي تنبعث عندما تصطدم الذرات بالإلكترونات ذات الطاقة العالية

يلاحظ أن الذرات تظهر وكأنها تصدر نوعين من الأشعة السينية، ويختلف نوع الأشعة السينية في الطاقة، وقد أطلق العالم باركلا في الأصل على النوع العالي الطاقة من الأشعة السينية اسم الأشعة السينية من النوع A، وعلى النوع ذو الطاقة المنخفضة اسم الأشعة السينية من النوع B

ثم أعاد العالم تسمية النوعين من الأشعة K و L بعد أن أدرك أن الأشعة X التي يمكن أن تصل إلى أعلى طاقة قد لا تكون الأشعة التي تم إنتاجها في تجاربها أعلى طاقة ممكنة من الأشعة السينية.

أراد التأكد من وجود مساحة لإضافة المزيد من الاكتشافات دون أن تتحول الأشعة السينية إلى قائمة أبجدية متشابكة. وتبين أن الأشعة السينية من النوع K هي الأشعة السينية ذات الطاقة الأعلى التي يمكن أن تصدر من الذرة.

يتم إنتاج الإشعاع السيني العميق عندما يتم التخلص من الإلكترون الموجود في القشرة الداخلية ثم يتم استرجاعه، ويعرف هذا الإشعاع باسم K-shell، وهو يأتي بعد اسم الملصق المستخدم في أشعة الأشعة السينية، كما حصل باركلا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1917 عن هذا الاكتشاف.

مستويات الطاقة

يمكن لنظام ميكانيكي كمي أو جسيم مرتبط مكانيًا أن يحتوي على مستويات طاقة منفصلة محددة، وهذا يتعارض مع الجسيمات الكلاسيكية التي يمكن أن تحتوي على أي كمية من الطاقة.

يُستخدم هذا المصطلح عادةً لوصف مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات، الأيونات، والجزيئات، والتي ترتبط بالحقل الكهربائي للنواة، بالإضافة إلى وصف مستويات طاقة النوى، ومستويات الطاقة الاهتزازية أو الدورانية في الجزيئات.

يمكن اعتبار الغلاف الإلكتروني أو مستوى الطاقة الأساسي في الكيمياء والفيزياء الذرية، مدارا لإلكترون واحد أو أكثر حول نواة الذرة، ويتم تحديد طيف الطاقة لنظام بمثل هذه المستويات المنفصلة من الطاقة كمية، وليس من الضروري أن تكون مستويات الطاقة السبعة متساوية.

تسمى القشرة الأقرب للنواة بـ `القشرة الواحدة`، وتليها القشرة الثانية (أو `القذيفة L`)، ومن ثم القذيفة الثالثة (أو `القذيفة M`)، وهكذا، كلما ازداد بعدًا عن النواة.

تتوافق الأصداف مع الأرقام الكمومية الرئيسية (ن=1، 2، 3، 4…)، أو يتم تصنيفها بشكل أبجدي باستخدام الأحرف المستخدمة في تدوين الأشعة السينية (K، L، M، N…)، ويحتوي كل غلاف على عدد ثابت من الإلكترونات فقط

• يمكن أن يحتوي الغلاف الأول على ما يصل إلى اثنين من الإلكترونات.
• يمكن للغلاف الثاني أن يحتوي على ما يصل إلى ثمانية (2 + 6) إلكترونات .
• يمكن للغلاف الثالث حمل ما يصل إلى 18 عينة (2 + 6 + 10) وغيرها.
• يمكن للغلاف النووي بشكل عام استيعاب ما يصل إلى 2 (ن 2) إلكتروني.

ونظرًا لأن الإلكترونات تنجذب كهربائيًا إلى النواة ، فإن إلكترونات الذرة ستشغل عمومًا الأصداف الخارجية فقط إذا تم بالفعل ملء الأصداف الداخلية بالكامل بواسطة إلكترونات أخرى. ومع ذلك ، فإن هذا ليس مطلبًا صارمًا: فقد تحتوي الذرات على اثنتين أو حتى ثلاث أغلفة خارجية غير مكتملة. 

عندما يتم ضبط الطاقة الكامنة على الصفر على مسافة غير محدودة من النواة أو الجزيء الذري، فإن حالات الإلكترون المقيدة لها طاقة سالبة.

إذا كان الذرة أو الأيون أو الجزيء عند أدنى مستوى طاقة ممكن، فإنه يعرف باسم الحالة الأرضية للذرة وإلكتروناتها. وإذا كان الذرة عند مستوى طاقة أعلى، فإنه يعرف باسم الحالة المتحمسة للذرة وإلكتروناتها التي تكون أكثر طاقة من الحالة الأرضية.

إذا كانت هناك أكثر من حالة ميكانيكية كمومية في نفس الطاقة، فإن مستويات الطاقة تتدهور، ويُطلق عليها مستويات الطاقة المتدهورة.

مستويات الطاقة الجوهرية

نسمع الكثير عن مستويات الطاقة السبعة، ولكن في معادلات طاقة الإلكترونات عند المستويات المختلفة الواردة أدناه في الذرة، يتم تعيين نقطة الصفر للطاقة عندما يترك الإلكترون المعني الذرة تمامًا، أي عندما يكون العدد الكمي الأساسي للإلكترون n = ∞.

عندما يتم ربط الإلكترون بالذرة في قيمة أقرب لـ n، يكون طاقته أقل ويعتبر سالبًا.

مستوى طاقة الحالة المدارية

في ذرة أو أيون، توجد نواة إيجابية وإلكترون واحد فقط في مدار ذري محدد، وتتم تحديد طاقة الإلكترون بشكل أساسي من خلال التفاعل الكهروستاتيكي بين الإلكترون (السالب) والنواة (الإيجابية).

تتواجد مستويات Rydberg للذرات (الأيونات) بين 1 إلكترون فولت و103 إلكترون فولت، حيث R∞ هو ثابت Rydberg، Z هو العدد الذري، n هو العدد الكمي الرئيسي، h هو ثابت Planck، و c هي سرعة الضوء. وبالنسبة للذرات (الأيونات) المشابهة للهيدروجين فقط، فإن مستويات Rydberg تعتمد فقط على العدد الكمي الرئيسي n.

يتم الحصول على هذه المعادلة من خلال جمع صيغة ريدبرغ لأي عنصر يشبه الهيدروجين مع E = h ν = h c / λ، مع افتراض أن العدد الكم الرئيسي n في صيغة ريدبرغ يساوي n1 والعدد الكم الأساسي n2 يساوي ∞ (وهو العدد الكم لمستوى الطاقة الذي ينحدر منه الإلكترون عند إطلاق الفوتون).

تم اشتقاق صيغة Rydberg من بيانات الانبعاث الطيفي التجريبية 

يُمكن اشتقاق معادلة ميكانيكية كمية من معادلة شرودنغر المستقلة عن الوقت، باستخدام مشغل هاميلتوني للطاقة الحركية، وذلك باستخدام دالة موجية كدالة ذاتية للحصول على مستويات الطاقة كقيم ذاتية. ومن ثم، يتم استبدال ثابت ريدبيرج بثوابت فيزيائية أساسية أخرى.

مستويات طاقة الإلكترونات الذرية

أو كما يشار إليها بـ السحابة الإلكترونية في الذرة، تفرض قوانين ميكانيكا الكم على الإلكترونات أن يكون لها واحدة من مجموعة محددة جيدا من القيم الطاقوية

يختلف هذا تمامًا عن التفسير الكلاسيكي للفيزياء، حيث كان يُسمح بأي قيمة للطاقة. يمكن لإلكترونات القشرة K فقط أن تحتل أدنى مستوى للطاقة (غلاف K) ، بينما يمكن لإلكترونات القشرة L أن تحتل ما يصل إلى 8 مستويات طاقة، والقشرة M تصل إلى 18 مستوى طاقة. وإلكترونات القشرة K هي الأقرب إلى النواة.

في الشكل أعلاه ، تركت فجوة على القذيفة K ، حيث تم طرد الشاغل السابق بواسطة جسيم عابر، ويتم استبدال الإلكترون المقذوف على الفور بإلكترون ذو غلاف L “يسقط” إلى المستوى الأدنى عن طريق إصدار أشعة سينية. IN2P3  ، لذا لا تتمتع الإلكترونات التي تتحرك حول النوى بنفس نوع الحرية. [6ٍ]

بالطريقة نفسها التي يتم فيها إجبار الميكانيكيين على استخدام براغي ذات عدد محدود من أحجام الرؤوس، تجبر الطبيعة الإلكترونات على الحصول على مجموعة محدودة من قيم الطاقة.

لا يمكن للإلكترونات أن تحتوي على قيم الطاقة التي تريدها، حيث يتم ربط كل قيمة بمسار مدار محدد، ويقوم انبعاث وامتصاص الفوتون بالدور نفسه الذي يقوم به الصواريخ المعززة، مما يسمح للإلكترونات بالقفز من مدار محدد مسبقاً إلى مدار آخر.

لذا تخضع الفيزياء على المستوى الدقيق إلى قوانين ميكانيكا الكم، حيث يفضل الحديث عن “حالات” الإلكترون بدلاً من “المدارات”، ويتم تحديد طاقة الإلكترون ومساحتها التي يشغلها كل حالة.

تكون عدد حالات الطاقة التي يمكن للإلكترون أن يشغلها حول النواة محدودًا أيضًا، وتُعرف الحالات المختلفة لنفس الطاقة باسم `الأوربتال`.

تنتمي إلكترونات الذرة إلى أغلفة مختلفة، تتميز كل منها بطاقة معينة، وتُعرف هذه الأغلفة باسم K، L، M، N، وما إلى ذلك، من قبل علماء فيزياء الذرة.

يتم ملء الغلاف الكرومي K، الذي يشعر بأقوى جاذبية من النواة، أولاً تمامًا، ويمكن لعدد أقصى يصل إلى إلكترونين أن يمتلئا هذه الطبقة، ويجب على الإلكترون الثالث للذرة أن يدخل الغلاف اللوني الثاني L.

الإلكترونات المتواجدة في الطبقة الخارجية تجذب بشكل أقل إلى النواة، وتنخفض طاقة ربط الإلكترونات بزيادة رقم الطبقة، وعندما يتاح مكان في الطبقة الداخلية، يقفز الإلكترون المتواجد في الطبقة الأعلى لملء المكان المتبقي، مما يزيد من قوة ارتباطه بالنواة، وهذه التغييرات مصحوبة بانبعاثات الطاقة الكهرومغناطيسية التي تختلف وفقا لطاقات الطبقات.

تتألف الموجات الكهرومغناطيسية الدقيقة من فوتونات، ويمكن لهذه الفوتونات أحيانًا ترك انطباعًا على شبكية العين، وتتميز طاقات هذه الفوتونات بالفرادة، حيث تحدد طاقات الأصداف بدقة بواسطة قوانين فيزياء الكم.

– يتميز طول الموجة للفوتونات المنبعثة من الذرة بالألوان المحددة رياضيًا والتي تعتمد على طاقتها وبطاقاتها الخاصة.