دوران الأعداد الكمية

إن الرقم الكمي الرابع، هو الذي يصف اتجاه دوران الإلكترون في الفضاء، ويسمى عدد الكم المغزلي ولحسابها يتم رسم الهيكل الإلكتروني وتوزيع الإلكترون وفقًا لقاعدة هوند ثم يظهر السهم لأعلى + والسهم لأسفل يظهر -½، مثال على ذلك مثال: ذرة الأكسجين 16ن وعدد الإلكترونات 8، حيث أن التكوين الإلكتروني لذرة الأكسجين هو 1s2 2s2 2p4.

كيف يدور العدد الكمي

في الفيزياء الذرية فإن (Spin Quantum Number) هو رقم كمي يُسمى (m s)، وهو الذي يصف الزخم الزاوي الجوهري أو الزخم الزاوي المغزلي أو ببساطة الدوران لإلكترون أو جسيم آخر، حيث يتم استخدام العبارة في الأصل لوصف رابع مجموعة من الأرقام الكمية، حيث أن الرقم الكمي الرئيسي (n) وعدد الكم السمتي (l) ورقم الكم المغناطيسي (م) وعدد الكم المغزلي (م ث) والتي تصف تمامًا الحالة الكمومية للإلكترون في الذرة.

يأتي الاسم من الدوران المادي للإلكترون حول محور كما اقترحه اهلينبيك وجودسميت، حيث أن قيمة (m s) هي مكون الزخم الزاوي المغزلي الموازي لاتجاه معين في المحور (z) والذي يمكن أن يكون إما +1/2 أو –1/2 بوحدات من انخفاض ثابت بلانك.

ومع ذلك، سرعان ما عرفت هذه الصورة المبسطة أنها مستحيلة ماديًا لأنها تحتاج إلى دوران الإلكترونات أسرع من سرعة الضوء، لذلك تم استبداله بوصف أكثر تجريدية لميكانيكا الكم، حيث يحتوي هذا الوصف تقنيًا عددين كميين مغزليين (m s) و (s) إذ يرتبط (s) بحجم دوران الإلكترون، ومع ذلك فإن (s) دائمًا +1/2 للإلكترون، لذلك ليس من الضروري تضمين قيمته في مجموعة الأرقام الكمية التي تصف حالة كل إلكترون في الذرة.

في المستوى الأولي توصف 0m s) على أنها عدد الكم المغزلي ولم يتم ذكر (s)؛ لأن قيمتها 1/2 هي خاصية ثابتة للإلكترون، وفي مستوى أكثر تقدمًا حيث يتم تقديم مشغلي ميكانيكا الكم يشار إلى (s) على أنها رقم كم الدوران، ويتم وصف (m s) على أنها رقم كم مغناطيسي مغنطيسي أو كمكون (z) للسبين (s z).

ملخص يوضح كيف أن أعداد الكم تدور

• تعطي الأرقام الكمية معلومات كاملة عن الإلكترون في الذرة أي الطاقة والموقع والحجم والشكل والاتجاه في المدار واتجاه السبين، حيث يتم وصف اتجاه الدوران برقم كم الدوران.

• لا يتحرك الإلكترون في الذرة حول النواة فحسب، بل يدور أيضًا حول محورها، إذ يعطي هذا الرقم معلومات حول اتجاه دوران الإلكترون الموجود في أي مدار.

• الزخم الزاوي لللف هو خاصية جوهرية، مثل كتلة السكون والشحنة.

• لا يمكن تغيير عدد الكم المغزلي للإلكترون.

• قد يكمن الدوران في اتجاهين 2 + 1 = 2.

• كل نوع من الجسيمات دون الذرية له أرقام كمومية تدور ثابتة مثل 0،1 / 2، 1، 3/2.

• قيمة الدوران للإلكترون والبروتون والنيوترون هي 1/2.

• تسمى الجسيمات التي لها نصف قيمة متكاملة (1/2، 3/2 …) من السبين الفرميونات.

• تسمى الجسيمات التي لها قيمة متكاملة (0،1،2 ..) من السبين بوزونات.

الطبيعة المغناطيسية للذرات والجزيئات

يساعد عدد الكم المغزلي في معرفة وتوضيح الخصائص المغناطيسية للذرات والجزيئات، حيث يعمل الإلكترون المغزل مثل مغناطيس دقيق له عزم مغناطيسي محدد، فإذا كان المدار الذري أو الجزيئي لديه إلكترونين فإن لحظاتهما المغناطيسية تتعارض وتمحي بعضها البعض.

إذا أخذت الإلكترونات مكان جميع المدارات بشكل مضاعف، فإن صافي العزم المغناطيسي هو صفر وتعمل المادة على أنها نفاذية مغناطيسية، ويتم حجبه بواسطة المجال المغناطيسي الخارجي، فإذا كانت بعض المدارات معبأة، أي نصف مشغولة منفردة، فإن المادة لها عزم مغناطيسي صافي وتكون مغناطيسية، حيث ينجذب عن طريق المجال المغناطيسي الخارجي.

الكشف عن الدوران في عدد الكم المغزلي

عندما يتم فحص خطوط طيف الهيدروجين بدقة عالية جدًا، فقد وجد أنها مزدوجة متقاربة، حيث يُطلق على هذا الانقسام اسم البنية الدقيقة وكان من أوائل الأدلة التجريبية على دوران الإلكترون، حيث تم تحقيق الملاحظة المباشرة للزخم الزاوي الجوهري للإلكترون في تجربة ستيرن – غيرلاخ.

تجربة ستيرن – غيرلاخ

يجب إثبات نظرية التكميم المكاني لعزم الدوران لزخم إلكترونات الذرات الموجودة في المجال المغناطيسي بشكل تجريبي، ففي عام 1920 قبل عامين من إنشاء الوصف النظري للدوران لاحظ أوتو ستيرن ووالتر جيرلاخ ذلك في التجربة التي أجروها.

تم تبخير ذرات الفضة باستخدام فرن كهربائي في فراغ، باستخدام شقوق رفيعة، حيث تم توجيه الذرات إلى شعاع مسطح وإرسال الحزمة عبر مجال مغناطيسي غير متجانس قبل الاصطدام بلوحة معدنية، إذ تتنبأ قوانين الفيزياء الكلاسيكية بأن مجموعة ذرات الفضة المكثفة على الصفيحة يجب أن تشكل خطًا صلبًا رفيعًا بنفس شكل الحزمة الأصلية، ومع ذلك تسبب المجال المغناطيسي غير المتجانس في انقسام الحزمة في اتجاهين منفصلين مما أدى إلى إنشاء خطين على اللوحة المعدنية.

يمكن توضيح هذه الظاهرة بالتكميم المكاني لعزم الدوران للزخم، وفي الذرات يتم إقران الإلكترونات بحيث يدور المرء لأعلى والآخر لأسفل مما يعمل على تحييد تأثير دورانها على عمل الذرة ككل، ولكن في غلاف التكافؤ لذرات الفضة يوجد إلكترون واحد يبقى دورانه غير متوازن.

يخلق الدوران غير المتوازن لحظة مغنطيسية، مما يجعل الإلكترون يتصرف كمغناطيس صغير جدًا، فعندما تمر الذرات عبر المجال المغناطيسي غير المتجانس تؤثر لحظة القوة في المجال المغناطيسي على ثنائي القطب للإلكترون حتى يتطابق موقعه مع اتجاه المجال الأقوى.

ثم يتم سحب الذرة باتجاه أو بعيدًا عن المجال المغناطيسي الأقوى بمقدار معين اعتمادًا على قيمة دوران إلكترون التكافؤ، وعندما يكون دوران الإلكترون +1/2 تتحرك الذرة بعيدًا عن الحقل الأقوى، وعندما يكون الدوران −1/2 ، تتحرك الذرة تجاهه، وهكذا يتم تقسيم شعاع ذرات الفضة أثناء السفر عبر المجال المغناطيسي غير المتجانس وفقًا لدوران إلكترون التكافؤ لكل ذرة.

في عام 1927 أجرى فيبس وتايلور تجربة مماثلة باستخدام ذرات الهيدروجين بنتائج مماثلة، حيث أجرى العلماء في وقت لاحق تجارب باستخدام ذرات أخرى تحتوي على إلكترون واحد فقط في غلاف التكافؤ، مثل النحاس والذهب والصوديوم والبوتاسيوم، ففي كل مرة يتشكل خطان على الصفيحة المعدنية.

قد تحتوي النواة الذرية أيضًا على دوران لكن البروتونات والنيوترونات أثقل بكثير من الإلكترونات حوالي 1836 مرة، والعزم المغناطيسي ثنائي القطب يتناسب عكسياً مع الكتلة، لذا فإن الزخم النووي المغناطيسي ثنائي القطب أصغر بكثير من الزخم للذرة بأكملها، حيث تم قياس هذا ثنائي القطب المغناطيسي الصغير لاحقًا بواسطة ستيرن وفريش وإيسترمان.

الرنين المغناطيسي الإلكترون

بالنسبة للذرات أو الجزيئات التي تحتوي على إلكترون غير مزدوج يمكن أيضًا ملاحظة التحولات في مجال مغناطيسي، حيث يتغير عدد الكم المغزلي فقط دون تغيير في مدار الإلكترون أو الأرقام الكمومية الأخرى.

هذه هي طريقة الرنين المغنطيسي للإلكترون (EPR) أو الرنين المغزلي للإلكترون (ESR)، وتستخدم لدراسة الجذور الحرة، ونظرًا لأن التفاعل المغناطيسي للدوران فقط هو الذي يتغير، فإن تغير الطاقة يكون أصغر بكثير من التحولات بين المدارات، ويتم ملاحظة الأطياف في منطقة الميكروويف.