ما هي أرقام الكم ومستويات الطاقة في فيزياء الكم

من نموذج بور أو معادلة شرودنجر للهيدروجين، يُظهر حل مستويات طاقة الإلكترون أنها تعتمد فقط على رقم الكم الأساسي، وبالنسبة للهيدروجين والنوى الأخرى المجردة من إلكترون واحد، تعتمد الطاقة فقط على العدد الكمي الأساسي n، تعتبر تغيرات الطاقة داخل الذرة هي نتيجة تغير الإلكترون من نمط موجة ذات طاقة واحدة إلى نمط موجة ذات طاقة مختلفة وعادة ما تكون مصحوبة بامتصاص أو انبعاث فوتون من الضوء.

أرقام الكم ومستويات الطاقة في فيزياء الكم

المقصود بالمستوى الكمي هو أنه قد يشير المستوى الكمي إلى مستوى الطاقة، حيث لا يمكن للجسيم المرتبط إلا أن يأخذ قيمًا منفصلة معينة من الطاقة، تسمى مستويات الطاقة، في عالم الكم ويسمى أيضًا مقياس الكم، وهو مصطلح فيزيائي يشير إلى المقاييس التي تصبح فيها تأثيرات ميكانيكا الكم مهمة.

الأرقام الكمومية هي معلمات تصف توزيع الإلكترونات في الذرة، وبالتالي طبيعتها الأساسية وهي: 1، كما أن الرقم الكمي الأساسي (n)؛ الذي يمثل مستوى الطاقة الرئيسي، أو الغلاف، الذي يشغله الإلكترون.

أهمية الأرقام الكمية

تعتبر الأرقام الكمية مهمة لأنه يمكن استخدامها لتحديد تكوين الإلكترون للذرة والمكان المتوقع لإلكترونات الذرة؛ حيث تُستخدم الأرقام الكمية أيضًا لشرح وتوضيح الخصائص الأخرى للذرات، مثل طاقة التأين ونصف القطر الذري.

كيف تعتمد الطاقة على الأرقام الكمومية

العوامل المؤثرة على طاقة المدارات هي التي تعتمد على قيم كل من الرقم الكمي الرئيسي (ن) وعدد الكم السمتي (لتر)، ومن ثم كلما انخفضت قيمة (n + l) للمدار، انخفضت طاقته.

ما هي الأرقام الكمومية الأربعة

الأرقام الكمية هي مجموعة الأرقام المستخدمة لوصف موقع وطاقة الإلكترون في الذرة وهناك أربعة أرقام كمومية، وهي الأرقام الكمومية الأساسية والسمتية والمغناطيسية والأرقام الكمومية الدورانية، حيث يصف كل من (n) و (l) الغلاف والقشرة الفرعية ويصف (n)، (l)، (ml) المدار وجميع الأرقام الكمية الأربعة (n ،l ،ml ،ms) تصف الإلكترون.

مستوى الطاقة والعدد الكمي في ذرتي الهيليوم والهيدروجين

الهيدروجين

من المعروف أن مستويات الطاقة تعتمد على العدد الكمي n وهذا يناسب مع طيف الهيدروجين إلا إذا تم إلقاء نظرة عالية الدقة على البنية الدقيقة، حيث يتم تضمين دوران الإلكترون والأرقام الكمية المدارية، حيث أن في درجات الدقة الأعلى، هناك اعتماد ضئيل على رقم الكم المداري في إزاحة الحمل.

الهيليوم

هناك زوج من الإلكترونات ومستويات طاقة الهليوم المرتبطة بإلكترون واحد في حالة ن = 2 مثارة تعطي اعتمادًا كبيرًا على رقم الكم المداري l، ويمكن أن يُعزى هذا إلى حقيقة أن الإلكترون 2s يخترق أكثر داخل شحنة الإلكترون 1s.

وبالتالي فإن 2s أقل حماية من القوة الجذابة للنواة من 2p، وهي أقل في الطاقة، ويتم حساب هذا الاعتماد على العدد الكمي المداري لإلكترون حالة مثارة واحد من خلال تغلغل الدالة الموجية، ويمكن رؤيته بوضوح في مستويات الطاقة للمعادن القلوية مثل الليثيوم والصوديوم.

يمكن أن يرتبط تأثير آخر على مستويات طاقة الهيليوم مع عدد الكم المغزلي وينشأ من متطلبات التناظر لمبدأ استبعاد باولي، لوحظ أنه بالنسبة لقيم معينة للأرقام الكمية الأساسية والمدارية، فإن الحالات ذات الدورات المتوازية تكون أقل بكثير من تلك التي تحتوي على دورات مضادة للتوازي، ويشار إلى هذا أحيانًا باسم تأثير الدوران ويتم تلخيصه في قاعدة هوند رقم 1.

الذرات الضوئية

بالنسبة للذرات الضوئية ذات الإلكترونات المتعددة خارج غلاف مغلق، يمكننا دمج اللحظات الزاوية المدارية لإعطاء زخم زاوي ناتج L، ويمكن الحصول على قيم مختلفة لـ L لمجموعة معينة من العزم الزاوي المداري الفردي؛ حيث اتضح أن أكبر قيمة ممكنة L لها أقل طاقة ويشار إلى هذا أحيانًا باسم ” تأثير المدار المدار ” التي يطلق عليها قاعدة هوند رقم 2.

مع الإلكترونات المتعددة، يوجد مصدر إضافي لتقسيم مستويات طاقة الإلكترون والتي تتميز برقم كمي آخر، حيث أن العدد الكمي للزخم الزاوي الكلي هو J، ويُطلق على مصدر الانقسام تأثير الدوران المداري.

وبالنسبة للذرات الخفيفة، تم العثور على السبينات والعزم الزاوي المداري للإلكترونات الفردية للتفاعل مع بعضها البعض بقوة كافية، بحيث يمكن دمجها لتشكيل سبين ناتج S والزخم الزاوي المداري الناتج L (وهذا ما يسمى Russell-Saunders أو LS coupling). ويتم الجمع بين S و L لإنتاج إجمالي عدد كمية الزخم الزاوي J، حيث وجد أن قيم J الأعلى تكمن أقل في الطاقة ( قاعدة هوند رقم 3 ).

تأثير المجال الكهرومغناطيسي على مستويات الطاقة والعدد الكمي

عندما يتم تطبيق تفاعل خارجي مثل المجال المغناطيسي، بحيث يحدث انقسام إضافي لمستويات الطاقة، ويتم تمييز هذا الانقسام من حيث عدد الكم المغناطيسي المرتبط بالمكوِّن z للزخم الزاوي، ويسمى هذا الانقسام بتأثير زيمان، حيث إن التأثيرات على مستويات الطاقة من المجالات الكهربائية المطبقة تسمى تأثيرات ستارك.

• هل تزداد الطاقة مع العدد الكمي؟ عندما تكون n كبيرة جدًا، يتناقص فرق الطاقة بين المستويات المتتالية مع زيادة n، لذلك مع زيادة n وستنخفض الطاقة بين المستويات المتتالية، ومن ثم مع زيادة أعداد الكم حيث يتناقص فرق الطاقة بين المستويات المجاورة في الذرات.

• كيف يرتبط الكم بطاقة المادة؟ في الكيمياء والفيزياء، يشير الكم إلى حزمة واحدة من المادة أو الطاقة، ففي الاستخدام العملي، يشير إلى الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة للتغيير أو الحد الأدنى لقيمة أي خاصية مادية في التفاع، حيث أن الكم هو صيغة المفرد للكلمة.

• كيف يعرف أن الرقم الكمي يحتوي على أعلى طاقة؟ كلما زاد الرقم الكمي، سيكون الإلكترون عند طاقة أعلى وأقل ارتباطًا بالنواة.

• هل يمكن تدمير الطاقة على المستوى الكمي؟ ينص الحفاظ على الكتلة والطاقة على أن المادة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ولكن تتحول فقط من حالة إلى أخرى، وينص الحفاظ على الزخم على أن الزخم الكلي للنظام ثابت؛ فلا يمكن إنشاء الزخم أو تدميره.

• ما هو العدد الكمي الذي يعطي الحجم والطاقة؟ رقم الكم الرئيسي يحدد الرقم الكمي الرئيسي الحجم الكلي والطاقة للمدار، حيث يشار إليه ب “ن”، إذ أن القيم المحتملة لـ n هي 1 و 2 و 3 وهكذا.

• ما هو أصغر كم من الطاقة؟ يسمى طاقة النقطة الصفرية (ZPE) هي أقل طاقة ممكنة يمكن أن يمتلكها نظام ميكانيكي الكم.

من خلال حل معادلة شرودنجر (H y = ​​E y ) يتم الحصول على مجموعة من المعادلات الرياضية تسمى وظائف الموجة (y) والتي تصف احتمال العثور على إلكترونات عند مستويات طاقة معينة داخل الذرة، وتسمى الدالة الموجية للإلكترون في الذرة المدار الذري، حيث يصف هذا المدار الذري منطقة من الفضاء يوجد فيها احتمال كبير لإيجاد الإلكترون.