محتويات
على ماذا تدل مستويات الطاقة في الذرة وما شكلها
تدل مستويات الطاقة في الذرة على المسار التي تتحرك فيها الإلكترونات حول النواة.
فالذرة تتكون من ثلاث جسيمات صغيرة هي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات التي تدور حول النواة في مستويات الطاقة السبعة، وهذه المسارات تكون عبارة عن دوائر متوازية كلها تكون حول النواة، تبعد الدوائر عن بعضها البعض مسافات متساوية تجعلها تتحرك بحرية.
لذا يعتبر ثوران الإلكترونات مقيد وفقاً لمستويات الطاقة الخاصة بها، يطلق أيضاً على هذه المستويات اسم أغلفة الإلكترونات، يمكن للإلكترون التحرك والانتقال من مستوى إلكتروني إلى مستوى إلكتروني آخر، لكنها لا يمكن أن تستقر في مستويين معاً.
يتم وضع مخططات مُستويات الطّاقة لتمكن الباحثين من دراسة طبيعة الترابط بين الإلكترونات، ومعرفة وضع الإلكترونات في المارات، ومعرفة تفاعلات العناصر وفقاً لظروف معينة.
تعرف مخططات مُستويات الطّاقة أيضاً باسم المدارات الفرعية، يطلق عليها أيضاً اسم مخططات جروتريان نسبة إلى عالم الفلك الألماني والتر جروتريان الذي وضعها في النصف الأول من القرن العشرين.
شكل مستويات الطاقة في الذرة
شكل مسارات دائرية أو دوائر متوازية متباعدة أبعاد متساوية فيما بينها حول النواة.
يمكن للإلكترون أن يتحرك في مستوى طاقة واحد أو إلى مستوى طاقة آخر، لكنه لا يستطيع البقاء بين مستويين من مستويات.
تبدأ مستويات الطاقة بالمستوى “K”، ثم تنتقل للمستوى الثاني L، بعدها للمستوى الثالث M، يحتوي المستوى الأول على أقل طافا بين المستويات الأخرى كونه يحتوي على إلكترونين فقط، هذا ما يفسر لماذا تبدأ مستويات الطاقة بحر K ف.
أما المستويات الأخرى يكون أقصى عدد للإلكترونات فيها ثماني إلكترونات، والإلكترونات التي توجد في الطبقة الخارجية من مُستويات الطّاقة يطلق عليها اسم تكافؤ العنصر، وخصائص العناصر كلها تعتمد على هذا التكافؤ.
تحدث الزيادة في مستويات الطاقة بشكل ثابت، فيمكن أن تفقد الذرة إلكترونات من مستوى من مستوياتها، ويقفز وينتقل لمستوى آخر أعلى، وعلى العكس يمكن أن يقفز إلكترون من مستوى طاقة لمستوى طاقة آخر أدنى منه.
يحدث عن انتقال الإلكترون من مستوى أدنى لمستوى أعلى انبعاث الطاقة، وتكون الطاقة المنبعثة على شكل ضوء، أما عندما ينتقل لمدار طاقة أدنى يحدث امتصاص الطاقة، يطلق على عملية انبعاث الطاقة اسم الحالة المثارة وامتصاص الطاقة بالحالة الأرضية. [1]
لماذا تزداد طاقة المستوى كلما ابتعدنا عن النواة
تزداد طاقة المستوى كلما ابتعدنا عن النواة لأن قوة الجذب للنواة تقل.
بشكل عام تحدث قوة الجذب في النواة بسبب الجسيمات التي تحتويها، فكما نعلم أن الذرة مؤلفة من ثلاث أنواع من الجسيمات الصغيرة وهي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.
الإلكترونات تدور حول النواة وهي ذات شحنة سالبة، والنيوترونات ليست لها أي شحنة، والبروتونات ذات شحنة موجبة، وكون أن الإلكترونات تدور حول النواة والنواة فيها البروتونات وهي أجسام موجبة.
فمن الطبيعي أن تكون قوة جذب الإلكترون للنواة أقوى في مستويات الطاقة القريبة من النواة من البعيدة عنها، فالشحنتين المختلفتين كهربائياً يتجاذبان. [2]
ما الذي يحدد طاقة المستويات
يحدد طاقة المستويات في أي ذرة وجود الإلكترون حول النواة.
هذا ما يفسر كم تساوي طاقة المستوى الأول لذرة الهيدروجين وكل مستويات الطاقة الأخرى تتحدد من خلال الإلكترونات، وبشكل عام كلما ابتعدت الإلكترونات عن النواة في مستوى الطاقة اكتسبت طاقة أكبر.
أي أن الإلكترونات القريبة من النواة ذات طاقة أقل من الإلكترونات البعيدة عنها، هذا ما يفسر القول بأن طاقة الإلكترون هي طاقة كمية لأن كمية الطاقة الموجودة في الإلكترون تعتمد على موقعه بالنسبة للنواة.
- فالإلكترونات ما هي إلا جسيمات سالبة صغيرة الحجم توجد في الذرة تدور باستمرار حول نواة الذرة، ولكل منها كمية مختلفة من الطاقة تختلف باختلاف المدار.
لماذا مستويات الطاقة مهمة
كسبت مُستويات الطّاقة في الذرة أهميتها من تأثيرها على كيفية تفاعل الذرات مع بعضها البعض.
فعندما تقوم الذرة بجذب طاقة الإلكترونات إليها فإن الإلكترونات تقفز من مستوى طاقة أدنى إلى مستوى طاقة أعلى، عندما تفقد الذرة الطاقة فهذا يشير أن الإلكترونات انتقلت إلى مستوى طاقة أدنى.
نتيجة لهذه التغيرات في مُستويات الطّاقة يتم إطلاق الإلكترونات للطاقة إما على شكل ضوء أو حرارة، وقد تختلف مُستويات الطّاقة لدى الذرات بكَسب الخصائص الكيميائية التي يتمتع فيها العنصر الكيميائي المكون لهذه الذرة.
سبيل المثال العنصر الذي يحتوي على مستوى أو اثنين من تكافؤ الإلكترونات فهو عنصر شديد التفاعل، هذا ما يفسر قدرته على اكتساب أو فقدان إلكترونات ليصبح أكثر استقراراً.
لا بد من التنوية أن مُستويات الطّاقة تؤثر على كيفية تفاعل الذرات مع بعضها البعض، عندما تنتقل الإلكترونات من مستوى طاقة مستوى طاقة أعلى فيحتاج إلى طاقة كبيرة، أما إذا انتقلت الإلكترونات من مستوى أعلى لمستوى أدنى فإنها تطلق طاقة.
كيف يتم قياس مستويات الطاقة
يَتم قياس مُستويات طاقة الإلكترونات في الذرة باستخدام التحليل الطيفي.
والمقصود بالتحليل الطيفي الدراسة التي تبين كيفية تفاعل الضوء مع المادة، تتم هذه العملية بتسليط ضوء ذو طول موجي محدد على الذرة أو الجزيء، يتم خلالها تحديد مُستويات طَاقة الإلكترونات.
ليس هذا فقط بل أن التحليل الطيفي يمكن العلماء من تحديد العناصر غير المعروفة، ومدى وفرة عناصر معينة في المادة، وتحديد بنية الجزيئات. [3]
يجب مليء مستويات الطاقة الأقل في الذرة أولاً قبل المدارات ذات الطاقات الأعلى، وذلك من أجل بناء الجدول الدوري