3 – التوزع الالكتروني في ذرات العناصر الطبيعية

3 – التوزع الالكتروني في ذرات العناصر الطبيعية

تعتبر ذرة الهيدروجين الذرة الابسط والاصل لجميع ذرات العناصر في الطبيعة, يبلغ عدد العناصر في الطبيعة 103 مئة وثلاث عناصر, يتوفر منها 92 عنصرا والعناصر الأخرى لا تستمر الا بظروف خاصة مختلفة عن ظروف الارض.
وكما رأينا سابقا تتميز ذرة كل عنصر بثلاثة قيم A,Z,V وهي رقم الكتلة A والعدد الذري وتكافؤ العنصر على الترتيب, تبدأ سلسلة العناصر بالهيدروجين H(1,1,1) حيث القيم في القوسين تمثل من اليسار الى اليمين رقم الكتلة , العدد الذري , التكافؤ وتنتهي العناصر الطبيعية باليورانيوم U(238,92,2) وترتب هذه العناصر في جدول يعرف بجدول مندلييف يمكن معرفة بعض الخواص الفيزيائية والكيميائية للعنصر من خلال هذا الجدول
في ذرة الهيدروجين نجد الكترونا وحيدا يدور حول النواة, لكن السؤال كيف تتوزع الالكترونات في ذرات العناصر الثقيلة متل اليورانيوم الذي يحوي 92 الكترونا ؟
بينت الدراسات التي اجريت اوائل القرن الماضي ان الالكترونات تتوزع في سبع طبقات كروية ولكل كبقة عدة مستويات لتوزع الالكترونات
1- الطبقة الاولى K هي الطبقة الاقرب الى النواة ويمكن لها ان تحوي الكنرونين فقط وليس فيها سوى مستوي توزع وحيد
2- الطبقة الثانية L وهي الطبقة التالية وتحوي مستويي توزع يتسعان لـ 2 ثم 6
3- الطبقة الثالثة M تحوي ثلاثة مستويات توزع تتسع لـ 2 ثم 6 ثم 10
4- الطبقة الرابعة N تحوي اربعة مستويات توزع تتسع لـ 2 ثم 6 ثم 10 ثم 14
5- الطبقة الخامسة O مثل سابقتها
6- الطبقة السادسة P تحوي ثلاثة مستويات تتسع لـ 2 ثم 6 ثم 2
7- الطبقة السابعة تحوي مستوي توزع وحيد يتسع لـ 2 الكترون
اذن تتسع الطبقات لـ 2 , 8 , 18 , 32 , 32 , 10 , 2 من الالكترونات علما ان الطبقتين الاخيرتين لم توف حاجتهما من الالكترونات لعدم وجود عناصر توفي هذه الحاجة

هذا التوزع يحدده ما يسمى بالعدد الكمي للإلكترون , وتصف نظرية العالم بور وتحدد مستويات التوزع لكل الكترون من الكترونات الذرة لندرس توزع الكترونات كل من النحاس و الكربون والجرمانيوم

النحاس Cu(63,29,2) K(2),L(2,6),M(2,6,10)N(1,0,0)
الكربون C(12,6,4) K(2),L(2,2)
الجرمانيوم Ge(73,32,4) K(2),L(2,6),M(2,6,10),N(2,2,0)

كما يمكن توقع سلوك العنصر الكيميائي والكهربائي من دراسة التوزع الكمي لإلكتروناته, فالعنصر الذي يتمم حاجة مستويات طبقاته من الالكترونات, عنصر خامل لا يدخل في التفاعلات الكيميائية مثل الهليوم والارغون He,Ar
الهليوم He(4,2,0) K(2)
الارغون Ar(40,18,0) K(2),L(2,6),M(2,6,0)

العناصر التي يزيد هم حاجة مستويات طبقاته الكترونا وحيدا هي عناصر شديدة النشاط كيميائيا وكهربائيا
اما العناصر التي ينقص عن حاجة طبقاتها الكترونا وحيدا فهي شديدة النشاط كيميائيا وعازلة كهربائيا

ونفسر هذا السلوك بأن الذرة تنزع الى الاستقرار في حالات التوزع الالكتروني المذكورة سابقا فإذا وجد لديها الكترونا فائضا عن حالة الاستقرار فأنها تسعى لمنحه الى ذرات أخرى تنقصها الالكترونات كي تصل الى حالة التوزع المستقر, وكذلك الذرة التي تعوزها الالكترنات للوصول الى الاستقرار !
هذه الفلسفة تجعل العناصر النشطة كيميائيا تتفاعل مع بعضها بعضا ليكمل كل منها حاجة الآخر مشكلة المركبات الكيميائية المختلفة والمتنوعة الخواص.

نسمي الالكترونات الفائضة عن حاجة الاستقرار بـ : الكترونات مستوى الناقلية

كما نسمي الالكترونات التي تشغل مستويات الاستقرار بـ : الكترونات مستوى التكافؤ

ولا يمكن لعنصر لا يحوي الكترونات في مستوى الناقلية ان ينقل التيار الكهربائي

ان مستوى الناقلية والتكافؤ مفهوم افتراضي يساعد على فهم طبيعة الناقلية للتيار الكهربائي بصورة متماثلة لجميع العناصر تعكس أثر البنية الذرية دون ان تغوص في تفاصيلها

وكل الكترون في مستوى التكافؤ يحتاج الى طاقة لتحريره ونقله الى مستوى الناقلية وهذه الطاقة تميز كل مادة مركبة بغض النظر عن تركيبها
فالنحاس والحديد والالمنيوم وكل النواقل لها الكترونات في مستوى الناقلية ولا تحتاج الكتروناتها الى أي طاقة ونقول :

ان طاقة الانتقال الى مستوى النقلية لهذه المعادن صفر

اما العناصر الاخرى فتحتاج الى قيم متفاوتة تميز كل عنصر من العناصر

ونصنف العناصر وفق هذا المفهوم الى : نواقل , عوازل , انصاف نواقل

النواقل : تملك الكترونات حرة في مستوى الناقلية في الدرجة حرارة الغرفة وتنخفض ناقليته كلما ارتفعت درجة الحرارة
العوازل : ليس لديها الكترونات حرة في مستوى الناقلية كما تحتاج الى طاقة كبيرة جدا لنقل الكتروناتها الى مستوى الناقلية ( ويحصل عندئذ ما يسمى بانهيار العازل الكهربائي )
أنصاف النواقل : لا تحوي الكترونات في مستوى الناقلية ويمكن نقل الكترونات مستوى التكافؤ الى مستوى الناقلية باعطائها طاقة صغيرة نسبيا , كما ان ناقليتها تزداد بازدياي درجة الحرارة

تلعب انصاف النواقل دورا هاما في الصناعة الالكترونية, وسنتعرض الى خواصها مستقبلا .

دعنا نتساءل الآن عن التيار الكهربائي, ما هو التيار الكهربائي؟

بالتعريف التيار الكهربائي هو كل انتقال منظم للشحنات الكهربائية

وكما نعلم ان حوامل الشحنات هي الالكترونات ونوى الذرات, ولان الالكترونات ذات كتلة مهملة مقارنة مع كتلة النواة فمن الطبيعي ان تكون هي حوامل الشحنات في النواقل , حيث تستطيع التجول بحرية في النسيج المعدني وفي جميع التجاهات
فلو تخيلنا مقطعا في سلك معدني نستطيع من خلاله مراقبة الالكترونات العابرة للمقطع في كلا الاتجاهين, لرأينا ان الالكترونات التي تعبر باتجاه اليمين تساوي الالكترونات التي تعبر بالاتجاه الآخر ونقول ان التيار الكهربائي المار في المقطع يساوي الصفر !
ولكن عندما يكون هناك اتجاها عاما للشحنات والمجموع الجبري لها عند المقطع لا يساوي الصفر نقول :

ان تيارا كهربائيا يمر في هذا السلك وجهة هذا التيار تعاكس جهة الحركة العامة للشحنات الكهربائية ( الالكترونات )

نرمز للتيار الكهربائي بـ I ونعرفة في مقطع ما مساحته S بأنه عدد الشحنات المارة في هذا المقطع في واحدة الزمن , نعبر عن ذلك رياضيا بالمعادلة :

I = Q / t
حيث I التيار الكهربائي
Q الشحنات العابرة للمقطع , و t الزمن الذي استغرقته الشحنات للعبور في المقطع S .

د.سمان اسعد الله مساءك اليس من تعليق على هذه المعلومات ؟

بداية جميلة وربط منطقي سلس بين البنية الفيزيائية للذرة والتيار الكهربائي

ولكن البحث يعاني شيئا من الإطالة قد تعيق التركيز والفهم وأرى انه قابل للتقسيم الى بحثين

تحية لك

سلام الله عليك أخي الحبيب

تحية علمية هندسية ..

أين الصور المساعدة يا حبيبنا، أنتظرك ...ولو درس كل شهر فما لا يدرك كله لا يترك جله

سلام الله عليك أخي الحبيب
تحية علمية هندسية ..
أين الصور المساعدة يا حبيبنا، أنتظرك ...ولو درس كل شهر فما لا يدرك كله لا يترك جله

د.إسلام تحية لك

مشتاق لك اخي الحبيب , ومشتاق لملاحظاتك الدقيقة
نعم الصور المساعدة امور اساسية في شرح العلم والمعرفة وسأسعى الى توفير وقت لذلك

لك التحية

تعب الشوق ومل صحبتنا كذلك أخي الغالي، ليتنا نريحه قليلا ونتعانق طويلا ... والله هي ظروف خارجة عن نطاق القدرة ( وحدود الطاقة بما أننا في مجال مدارات الكهارب)
من لي بمعلم يشتاق لطلابه! وليس لما في جيوبهم ! كبعض معلمي الدروس الخصوصية ...
معك قدر الطاقة !