في هذا الدرس، سوف نستكشف دور وخصائص الإلكترونات في سياق الذرة. الإلكترونات هي جسيمات أساسية تلعب دورًا حاسمًا في تحديد الخواص الكيميائية للعناصر. ومن خلال التعمق في سلوكها وتوزيعها وتفاعلها مع المكونات الذرية الأخرى، نكتسب نظرة ثاقبة على أسس الكيمياء والفيزياء.
الإلكترونات هي جسيمات دون ذرية ذات شحنة سالبة، يُشار إليها بالرمز \(e^-\) . وهي واحدة من المكونات الثلاثة الرئيسية للذرة، إلى جانب البروتونات والنيوترونات. على عكس البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواة الذرة، تدور الإلكترونات حول النواة في مناطق تسمى الأغلفة الإلكترونية أو مستويات الطاقة. كتلة الإلكترون أصغر بكثير من كتلة البروتونات والنيوترونات، تقريبًا \(\frac{1}{1836}\) كتلة البروتون. تسمح هذه الكتلة الصغيرة للإلكترونات بشغل الحجم الهائل من مساحة الذرة على الرغم من مساهمتها الضئيلة في كتلة الذرة.
يتم ترتيب الإلكترونات في مستويات طاقة الذرة أو أغلفةها وفقًا لمبدأ استبعاد باولي، ومبدأ أوفباو، وقاعدة هوند. يتم تحقيق التكوين الأكثر استقرارًا عندما تملأ الإلكترونات مستويات الطاقة الأدنى أولاً قبل الانتقال إلى المستويات الأعلى. يحدد هذا الترتيب الخواص الكيميائية للذرة، بما في ذلك تفاعلها وقدرتها على تكوين روابط مع ذرات أخرى.
على سبيل المثال، ذرة الهيدروجين، التي تحتوي على إلكترون واحد، لديها هذا الإلكترون في غلافها الأول. يحتوي الأكسجين، الذي يحتوي على ثمانية إلكترونات، على إلكترونين في غلافه الأول وستة إلكترونات في غلافه الثاني.
تلعب الإلكترونات دورًا محوريًا في تكوين الروابط الكيميائية، وهي التفاعلات التي تربط الذرات معًا في الجزيئات أو المركبات. هناك في المقام الأول ثلاثة أنواع من الروابط الكيميائية: الروابط الأيونية، والتساهمية، والمعدنية، وجميعها تنطوي على الإلكترونات. في الرابطة الأيونية، تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى، مما ينتج عنه أيونات موجبة وسالبة تجتذب بعضها البعض. تتضمن الروابط التساهمية مشاركة أزواج الإلكترونات بين الذرات، بينما تتشكل الروابط المعدنية عن طريق تجميع الإلكترونات التي تتمتع بحرية الحركة في جميع أنحاء الهيكل المعدني.
تم اقتراح مفهوم الإلكترونات التي تدور حول النواة في مسارات أو مدارات محددة لأول مرة بواسطة نيلز بور. ومع ذلك، توفر ميكانيكا الكم الحديثة وصفًا أكثر دقة، حيث تقدم مفهوم المدارات. المدارات هي مناطق في الفضاء حول النواة حيث من المحتمل أن توجد الإلكترونات. على عكس المدارات المحددة في نموذج بور، تصف ميكانيكا الكم مواقع الإلكترونات من حيث الاحتمالات. يؤكد مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ أنه من المستحيل تحديد الموقع الدقيق وسرعة الإلكترون في وقت واحد.
يعد هذا السلوك الكمي للإلكترونات أمرًا بالغ الأهمية لفهم الهياكل المعقدة للذرات بما يتجاوز أبسط ذرة هيدروجين. تشغل الإلكترونات الموجودة في الذرات الأكبر حجمًا مجموعة معقدة من المدارات ذات الأشكال ومستويات الطاقة المختلفة. وتشمل هذه المدارات s وp وd وf، ولكل منها شكل مميز وقدرة على الاحتفاظ بالإلكترونات.
إلكترونات التكافؤ هي الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي للذرة. إنها تلعب دورًا مهمًا في تحديد الخواص الكيميائية للذرة وقدرتها على التفاعل مع الذرات الأخرى. يتوافق عدد إلكترونات التكافؤ مع رقم مجموعة العنصر في الجدول الدوري للكتل s وp. على سبيل المثال، تحتوي العناصر الموجودة في المجموعة 1 على إلكترون تكافؤ واحد، بينما تحتوي العناصر الموجودة في المجموعة 18 على ثمانية إلكترونات تكافؤ (باستثناء الهيليوم الذي يحتوي على اثنين).
يفسر تكوين إلكترونات التكافؤ الدورية الملحوظة في الجدول الدوري، حيث تظهر العناصر الموجودة في نفس المجموعة سلوكيات كيميائية مماثلة. وذلك لأن لديهم نفس العدد من إلكترونات التكافؤ، مما يؤدي إلى خصائص وتفاعلات ترابط مماثلة.
يمكن للإلكترونات أن تمتص الطاقة وتقفز إلى مستويات طاقة أعلى أو تهبط إلى مستويات طاقة أقل، وتنبعث منها طاقة على شكل فوتونات. تعتبر هذه العملية أساسية لظاهرة التحليل الطيفي، حيث يمكن تحليل طيف الضوء المنبعث لتحديد تركيبة المادة. يتم الحصول على طاقة الفوتون المنبعثة أو الممتصة خلال هذا التحول من خلال المعادلة \(E = h\nu\) ، حيث \(E\) هي طاقة الفوتون، \(h\) هو ثابت بلانك، و \(\nu\) هو تردد الفوتون.
ويتجلى هذا المبدأ في طيف انبعاث الهيدروجين، الذي يتكون من عدة خطوط تتوافق مع انتقالات الإلكترونات بين مستويات الطاقة. يُطلق كل انتقال فوتونًا بطول موجي محدد، مما ينتج عنه طيف خطي فريد للهيدروجين.
تجربة أنبوب أشعة الكاثود: هذه تجربة كلاسيكية توضح وجود الإلكترونات. عندما يمر تيار كهربائي عبر غاز عند ضغط منخفض في أنبوب أشعة الكاثود، يتم إنتاج شعاع مرئي للعين البشرية. وقد وجد أن هذا الشعاع قد انحرف بفعل المجالات المغناطيسية والكهربائية، مما يشير إلى وجود جسيمات سالبة الشحنة - تم تحديدها لاحقًا على أنها إلكترونات.
تجربة قطرة الزيت: قام بها روبرت ميليكان وهارفي فليتشر، لقياس شحنة الإلكترون الواحد. تم تعليق قطرات زيت صغيرة بين لوحين مشحونين، وسمحت حركتها تحت تأثير المجال الكهربائي بحساب الشحنة على كل قطرة. حددت هذه التجربة الشحنة الأولية بحوالي \(1.60 \times 10^{-19}\) كولوم، مما أدى إلى تكميم الشحنة الكهربائية.
في هذا الدرس، استكشفنا الجوانب الأساسية للإلكترونات في سياق الذرات. من توزيعها في مستويات الطاقة إلى دورها في الروابط الكيميائية والسلوك الكمي، تعد الإلكترونات ضرورية لفهم عدد لا يحصى من خصائص وتفاعلات العناصر. إن معرفة كيفية تفاعل الإلكترونات داخل الذرات ومع الذرات الأخرى يضع الأساس لمجالات واسعة من الكيمياء والفيزياء، ويشرح كل شيء بدءًا من بنية الجزيئات وحتى سلوك المواد.
