مستوى طاقة

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
(بالتحويل من غلاف طاقة)
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
تركيب الذرة طبقا ً نموذج بور.

سوية[1] أو مستوى الطاقة في الفيزياءالذرية والفيزياء الجزيئية وكيمياء الكم هي كمة من الطاقة لحالة ترابط بين جيسمين في ميكانيكا الكم مثل حالة الإلكترون المرتبط بالذرة ويدور حول النواة. ويتم استخدام المصطلح غلاف الطاقة كمرجع للتوزيع الإلكتروني في الذرة أو الجزيء. وطبقا لنظرية الكم فإن الإلكترون يوجد فقط في حالات كمومية " مدارات " معينة أو أغلفة ذات طاقة معينة. هذا يعنى أن طاقة الإلكترون في الذرة أو في الجزيء تكون في شكل كمات (اقرأ الطيف و هزاز توافقي لمزيد من التفاصيل). وطبقا لتعريفات طاقة الوضع التقليدية، فإن طاقة الوضع تساوى صفر عند اللا نهاية، مما يؤدى لوجود طاقة وضع سالبة لحالة ترابط الإلكترون في الذرة.

وتبلغ طاقة الارتباط للإلكترون في ذرة الهيدروجين 6و13 إلكترون فولت.

مستوى طاقة الإلكترون في الذرة[عدل]

مستويات الطاقة في الذرة طبقا لنمودج الأغلفة الذرية .

نفترض وجود إلكترون في مدار حول الذرة. فتحدد طاقته بصفة رئيسية على أساس قوة التجاذب الكهروستاتيكي بينه وبين النواة الموجبة الشحنة. في هذه الحالة تتبع طاقة الإلكترون العلاقة التالية:

E_n = - h  c  R_{\infty} \frac{Z^2}{n^2} \

حيث R_{\infty} \ ثابت رايدبرج Rydberg constant ومقداره 7و13 إلكترون فولت بالنسبة لذرة الهيدروجين، ويختلف هذا الثابت باختلاف العناصر بين 1 إلكترون فولت إلى 103 إلكترون فولت (eV).

والعدد الذري Z

و n عدد الكم الرئيسي

و h ثابت بلانك

و c سرعة الضوء في الفراغ.

يحتل الإلكترون عادة مستوي طاقة الحالة القاعية . وهي على سبيل المثال في النموذج المبين الحالة n= 1 و الحالة القاعية تسمى أحيانا الحالة الأرضية حيث لا يمكن لطاقة الإلكترون تقل عنها . وقد ترتفع طاقة الإلكترون عن طريق الإثارة من الخارج واكتسابه طاقة ترفعه إلى الغلاف n=2 . وتسمي تلك الحالة حالة إثارة وهي تعني أن الإلكترون مثار وبالتالي أن الذرة في حالة إثارة . فيبقى الإلكترون في حالة الإثارة فترة زمنية قصيرة حيث يفضل الهبوط إلى مدارة الأرضي حتى تستقر الذرة . ويستطيع إجراء ذلك عن طريق اصدار الطاقة التي اكتسبها من قبل والتي رفعته من مداره n=1 إلى الغلاف n=2 . أي أن فوتون الضوء الذي يطلقه الإلكترون عند عودته إلى المدار n=1 تكون الفرق بين الطاقة الكمومية للغلاف 2 و الطاقة الكمومية للغلاف 1 . بالتالي تكون طاقة الفوتون المنطلق هي الأخرى كمومية ،أي محددة بفرق طاقة المدارين . ويظهر ذلك في الشكل أعلاه حيث ينطلق من الذرة فوتون أو شعاع ضوئي له تردد محدد.

ويمكن لمستويات الطاقة أن تنفطر أي تنشق قليلا عن بعضها، لو أن نفس مستوى الطاقة تم الوصول إليه بأكثر من حالة كم في ميكانيكا الكم. وتسمي مستويات طاقة منفطرة، ويظهر هذا النفطار أيضا في انفطار أو انشقاق خطوط الطيف للعنصر عند تسليط مجال مغناطيسي خارجي علي ذرات العنصر . وتعرف هذه الظاهرة ب تأثير زيمان. ويمكن أن نرى هذا الانفطار لمستويات طاقة الإلكترون في الذرة أيضا بتسليط مجال كهربائي على العنصر ، نجد أن خطوط طيف العنصر تنقسم أيضا ، وتعرف تلك الظاهرة ب تأثير شتارك .

حالة الجزيء[عدل]

في حالة الطاقة الجزيئية، يوجد الجزيء في حالة طاقة ذاتية كمومية أيضا يمكن وصفها طبقا لمعادلة هاملتون للجزيئ . وهي تنتج عن عدة حالات لطاقة الجزيئ : جزء منه يعطي طاقة حركة الإلكترون في الجزيئ ، وجزء ثان يرجع إلي حركة اهتزاز الذرات في الجزيئ ، وجزء ثالث يرجع إلى حركة دوران الجزيئ حول أحد محاوره التناظرية . فيمكن وصف حالة طاقة الجزيئ الكلية بالمعادلة الآتية (طاقة الإلكترونات ، والطاقة الاهتزازية للذرات في الجزيئ ، و طاقة الدوران للجزيئ) :

E = E_\mathrm{electronic}+E_\mathrm{vibrational}+E_\mathrm{rotational}\,

حيث E_\mathrm{electronic} هي قيمة متجه إيجن للهاملتونية الجزيئية الإلكترونية .

ويتم تسمية أغلفة الطاقة الجزيئية طبقا مصطلحات الرموز الجزيئية.

والطاقة المحددة لمركب تعتمد على مستوى طاقة المدار وعلى نوع المادة.

التفاعلات التي تحدد طاقة إلكترون مرتبط في ذرة مفردة[عدل]

بفرض أن هناك إلكترون في مدار ذري. طاقة حالته تكون غالبا محددة بقوى الجذب الكهرستاتيكية بين شحنة الإلكترون السالبة وشحنة النواة الموجبة، ويمكن حسابها باستخدام عدد الكم الرئيسي n.

وعموما فإن هناك تفاعلات عديدة تؤدى لتغييرات بسيطة لمستوى الطاقة، والتي يمكن حسابها عن طريق أعداد الكم الإلكترونية الأخرى، l, m_l, m_s. وعند وصف الدالة الموجية للإلكترون بدقة أكثر ،’ يؤدى ذلك إلى انقسام مستويات الطاقة وبالتالي تنحى فكرة انحلال مستويات الطاقة.

القائمة التالية تعطى فكرة عامة لأهم التعديلات لمستويات الطاقة.

حالة مدار مستوى الطاقة[عدل]

مستوى الطاقة ينشأ من تفاعل القوى الكهرستاتيكية بين الإلكترون وشحنة نواة الذرة الموجبة، ومن الطاقة الناشئة عن العزم الزاوي للإلكترون (حركية، مغناطيسية)

قيمتها النمطية 10... 10^{3} إلكترون فولت.

التفاعل الكهرستاتيكي بين الإلكترون والإلكترونات الأخرى[عدل]

لو أن هناك أكثر من إلكترون حول النواة، فإن التفاعل بين الإلكترونات وبعضها يؤدى لزيادة مستوى الطاقة. وغالبا ما يتم تجاهل هذه التفاعلات لو أن التداخل في الفضاء لدالة الإلكترون الموجية قليل.

تاثير زيمان[عدل]

شاهد المقالة الرئيسية : تأثير زيمان

عزم المدار الزاوي للإلكترون المقابل للعزم المغناطيسي، يتفاعل مع المجال المغناطيسي الخارجى (تآثر كهرومغناطيسي).

وتكون طاقة التفاعل : U = - \mu B حيث \mu = q L / 2m

تأثير زيمان عند الإخذ في الاعتبار اللف المغزلي للإلكترون[عدل]

وهنا يتم الأخذ في الاعتبار كل من العزم ثنائي القطب الناتج من العزم الزاوي للمدار والعزم المغناطيسي الناتج من اللف المغزلي للإلكترون.

وتبعا لتأثيرات النظرية النسبية في (معادلة ديراك)، فإن العزم الزاوي الناتج من لف الإلكترون الزاوي \mu = - \mu_B g s حيث g معامل الجيرو-مغناطيسية (ويكون تقريبا 2). \mu = \mu_l + g \mu_s وعلى هذا تصبح طاقة التفاعل U_B = - \mu B = \mu_B B (m_l + g m_s).

فصل التركيب الدقيق[عدل]

تأثير لف المدار (اقرأ ثابت البناء الدقيق). وقيمته النمطية 10^{-3} إلكترون فولت.

التركيب الفائق الدقة[عدل]

التزاوج بين اللف المغزلي النووي (شاهد التركيب فائق الدقة) وقيمته النمطية 10^{-4} إلكترون فولت.

تأثير شتارك[عدل]

التفاعل مع مجال كهربي خارجي (اقرأ تأثير شتارك)

ظاهرة باشين-باك[عدل]

شاهد أيضا[عدل]

مراجع[عدل]