ترتيب ملء المدارات

المبادئ الأساسية لملء الأغلفة

لوصف حالة كل إلكترون بشكل شامل، تُستخدم أربعة أعداد كمومية. إن توزيع الجسيمات نفسه على المدارات واحتمالية وجودها في حالات محددة يحكمه قاعدتان أساسيتان:

1. مبدأ الطاقة الأدنى. تسعى أي منظومة فيزيائية نحو الحد الأدنى من طاقة الوضع (قياساً على سقوط جسم أو ارتداد نابض). الحالة الأساسية للذرة هي التوزيع ذو الحد الأدنى من احتياطي الطاقة الإجمالي للإلكترونات، وهي الأكثر استقراراً. وعند اكتساب طاقة فائضة، تنتقل المنظومة إلى الحالة المثارة. وتكون هذه الحالة غير مستقرة بالمرة ولا تدوم سوى حوالي $10^{-8}$ ثانية، لتُعقبها عودة الذرة إلى مرحلتها الأساسية مطلقةً الطاقة على هيئة انبعاث كمومي.
2. مبدأ باولي. هو المبدأ الأساسي الأول، ويتمتع بأولوية مطلقّة في توزيع الإلكترونات، ويُنفذ بدقة متناهية ودون أي استثناء.

خوارزمية الملء وتداخل النطاقات

المستوى الطاقوي الأول ($n=1$) ذو بناء بالغ البساطة ولا يتجزأ إلى مستويات فرعية. غير أن الهيكل يزداد تعقيداً كلما ابتعدنا عن النواة. وبدءاً من عدد الكم الرئيسي $n=4$， يُلاحظ تداخل جزئي للنطاقات الطاقوية. ولهذا السبب، لا تُملأ المدارات تبعاً للترتيب العددي البحت للمستويات؛ فمثلاً، يعد المستوى الفرعي $4s$ أكثر فائدة طاقوياً (ويقع أدنى) من المستوى $3d$.

يُحدد الترتيب الفعلي لعملية الملء بالاستعانة بالمصفوفة، حيث تتم الحركة عبر الأقطار من الأسفل إلى الأعلى:

• $1s$
• $2s$
• $2p \rightarrow 3s$
• $3p \rightarrow 4s$
• $3d \rightarrow 4p \rightarrow 5s$
• $4d \rightarrow 5p \rightarrow 6s$
• $4f \rightarrow 5d \rightarrow 6p \rightarrow 7s$
• $5f \rightarrow 6d \rightarrow 7p$

عدد الكم المغناطيسي

يُحدد التوجيه الفراغي للمدار الإلكتروني بواسطة عدد الكم المغناطيسي ($m_l$). وترتبط قيمه ارتباطاً وثيقاً بعدد الكم المداري ($l$) وتتضمن سلسلة الأعداد الصحيحة من $-l$ إلى $+l$ شاملة الصفر.

اكتسب هذا المؤشر تسميته نظراً لظاهرة انشقاق الخطوط الطيفية للذرات. في الظروف العادية، لا تتمايز حالات الإلكترونات ذات الطاقة المتساوية (فهي منحلّة (متساوية الطاقات)). ولكن عند تأثير مجال مغناطيسي على الذرة، تكتسب هذه الحالات طاقات مختلفة. ويُسجّل هذا أجهزةً على وجه التحديد كانشقاق للخطوط في طيف الانبعاث.

سعة المستويات والمستويات الفرعية

تتطابق سعة أي مستوى طاقوي فرعي دوماً مع ضعف عدد مداراته. ويُطلق على مجموعة الإلكترونات التي تشغل مستوى فرعياً واحداً اسم الغلاف الفرعي للذرة.

يُحسب الحد الأقصى لعدد الإلكترونات في المستوى الفرعي بالمعلمة العامة $2(2l + 1)$:

• $s$ ($l=0$): مدار واحد $\rightarrow$ حد أقصى إلكترونان.
• $p$ ($l=1$): 3 مدارات $\rightarrow$ حد أقصى 6 إلكترونات.
• $d$ ($l=2$): 5 مدارات $\rightarrow$ حد أقصى 10 إلكترونات.
• $f$ ($l=3$): 7 مدارات $\rightarrow$ حد أقصى 14 إلكتروناً.

مجموع سعات كافة المستويات الفرعية يُشكل الغلاف الذري (مجموعة الإلكترونات التابعة لمستوى طاقوي واحد). وتُحسب السعة القصوى للمستوى وفق الصيغة $2n^2$. وهكذا، يتسع المستوى الأول (K) لإلكترونين فقط، والثاني (L) لـ 8، والثالث (M) لـ 18، بينما يتسع الرابع (N) لـ 32 إلكتروناً.

طرق تصور البنية الإلكترونية

لعرض بناء الأغلفة، يُستخدم نمطان أساسيان:

1. الصيغ الإلكترونية: كتابة أفقية للمستويات الفرعية المشغولة بترتيب تصاعدي للطاقة. ويُشار إلى عدد الإلكترونات بصيغة أس مرفوع.
2. المخططات الطاقوية: تمثيل تخطيطي لجزء من التسلسل العام، تُعرض فيه المدارات المشغولة بصورة بيانية والإلكترونات على شكل أسهم.

أمثلة لعناصر الدورة الأولى: في الهيدروجين ($Z=1$) صيغته $1s^1$， ويُصور على المخطط بسهم واحد في المستوى $1s$. أما الهيليوم ($Z=2$) فيُعبر عنه بالصيغة $1s^2$， وهو ما يوافق سهمين متعاكسين في نفس المدار $1s$.

باختصار: إجابات عن أسئلة حول الموضوع

أسئلة من المحاضرات والامتحانات

مواضيع أخرى للمراجعة في نفس السياق

• انشطار مستويات الطاقة في المجالات المغناطيسية
• العلاقة بين أعداد الكم المداري والمغناطيسي
• الحالات الإلكترونية المتدهورة (المتساوية الطاقة) للذرة
• الإنشاء العملي لمخططات الطاقة وفقاً لمبدأ باولي
• حساب سعة أغلفة الإلكترونات ذات الرتب العليا

مواضيع أخرى من قسم "الفصل 5. تركيب المادة"

تم إعداد المادة بواسطة أعضاء هيئة التدريس في WhiteCoat Pro وفقاً للمنهج الدراسي لكليات الطب. وهي ذات طابع تعليمي.