مفهوم المدار الذري وانواعه

تعريف المجال الذري

إن المدارات الذرية هي وظائف رياضية حيث أنها توفر نظرة ثاقبة للطبيعة الموجية للإلكترونات أو أزواج الإلكترونات التي تتواجد حول نوى الذرات، وتستخدم هذه الوظائف الرياضية لتحديد احتمال العثور على إلكترون يكون منتمياً إلى الذرة في منطقة محددة حول نواة الذرة، ونلاحظ أن استخدام مصطلح المدار الذري يشير إلى المساحة المادية أو المنطقة المادية حول نواة الذرة التي تكون احتمالية تواجد إلكترون معين هو الحد الأقصى، حيث أنه يتم توقع تواجد الكترون في هذه المنطقة بواسطة الشكل الرياضي للمدار الذري.

نظرية المدار الذري وتسميته

إن المدار  الذري هو مصطلح رياضي في النظرية الذرية ومكانيكا الكم حيث يقوم بوصف الموقع والسلوك الموجي للإلكترون في الذرة، وإن في هذا المدار يحتل إلكترونان كحد أقصى ويكون لكل من هذين الإلكترونين رقم كمي مغزلي خاص به وهذا يكون في كل من هذه المدارات، وإن مصطلح كلمة المداري هو مصطلح رياضي في الفيزياء والكيمياء وهو الذي يسمي الدالة الموجية، وهذه الدالة هي التي تقوم بتحديد الخصائص المميزة التي تتعلق بالإلكترونين، وهو يشبه الحال في الجسيم فإما يكون قريب من نواة ذرية أو قريب من نظام نوى.[3]

خصائص المدار الذري

إننا نلاحظ أن لكل مدار ذري يحتوي على إلكترونين كحد أقصى، أي كل المدارات الذرية التي تتضمن إلكترونين يكون لكل الكترون له دوران يكون متساو ومعاكس مع الإلكترون الآخر، حيث أنه يتم توفير نظرة ثاقبة حول دوران الالكترون في المدار من خلال قيمة عدد كم الدوران، والذي تمت الإشارة إليه بالرمز مللي ثانية، ويؤدي هذا إلى معرفة أي إلكترون متواجد في المدار الذري من خلال تحديد قيم الأرقام الكمومية الأربعة التي تصفها، وهنا نلاحظ أن لكل مدار ذري له خصائص تعتمد على قيم الأرقام الكمية حيث أن العلاقة بين الإلكترون والنواة يمكن أن توصف بواسطة سلسلة من الأعداد تدعى بأعداد الكم وهي كالتالي:

• الرقم الكمي الرئيسي والذي يشار إليه بالرمز n ويصف طاقة الإلكترون ويحددها ويحدد أيضاً حجم المدار، وإن هذا العدد تكون قيمته موجبة من 1 حتى 7، وكلما كانت قيمة n قليلة كلما قلت الطاقة وبالعكس، وإن حجم المدار يعتمد على قيمة n فكلما ازداد حجم المدار ازدادت هذه القيمة وإن
  
  
  مستويات الطاقة السبعة
  
  
  الرئيسية هي K,L,M,N,O,P,Q وكل مستوى منهم تحمل قيمة n ترتيب معين.
• الرقم الكم السمتي والمعروف باسم عدد كمية الزخم الزاوي المداري والذي يشار إليه بالرمز l وهو الذي يصف شكل المدار وتكون قيمته صحيحة بين ال0 و 3، وتكون أعداد الكم المدارية الفرعية هي s,p,d,f فهي مستويات فرعية داخل المستويات الرئيسية .
• ورقم الكم المغناطيسي والذي يرمز بالرمز مل.
• رقم الكم المغزلي وهو الذي يعمل على وصف الحركة المغزلية للإلكترون وتكون مع حركة عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة، ولكنها في الوقت ذاته لا تشبه دوران الكواكب حول محورها، فإن الشحنة المغزلية تقوم برفع المجال المغناطيسي وعدد الكم المغزلي والذي يتكون من قيمتان فإما أن تكون قيمة 1/2 أو -1/2، فعندما تكون القيمة موجبة فهذا يدل أن اتجاه السهم إلى الأعلى، أما إذا كانت القيمة سالبة فيكون اتجاه السهم إلى الأسفل.[1]

أنواع المدار الذري

إن الفيزيائيون وجدوا أن من الملائم استخدام الاختزال حتى يتم وصف خصائص الإلكترونات في الذرة حيث أن الاختصار يكون من حيث الأعداد الكمية، وإن هذه الأعداد ممكن أن تكون صحيحة ولا يمكن أن تأتي بشكل كسري أبداً، وإن الأعداد الكمية التي قد أسلفنا ذكرها سابقاً في هذا المقال كل منها لها وظيفة فهنا نجد أن رقم الكم الرئيسي مرتبط بطاقة الإلكترون، وهناك أعداد كمومية أخرى لكن تكون هذه الأعداد غير مرتبطة بشكل مباشر بشكل المدارات، أي أنها تكون مسارات حول النواة وتمثل المواضع التي من المرجح أن يتواجد فيها الإلكترون والمدارات هي :

• المدار الحاد ويرمز له s حيث أن لكل قيمة nيوجد مدار واحد فقط حيثأن كل من l وm يكون مساوياً الصفر، فهذه المدارات هي المجالات فكلما ازدادت قيمة n ازداد حجم الكرة أي بمعنى آخر ازداد احتمالية وجود الإلكترون بعيداً عن النواة، وتكون المجالات غير متساوية الكثافة في جميع الأنحاء أي تشبه الأصداف المتداخلة، وإن هذا المدار يسمى s لأسباب تاريخية وبسبب قواعد ميكانيكا الكم، حيث أن الإلكترونات الأقل طاقة يجب أن تحتوي على n=1 حيث أن كل من l و m يكونان مساويا الصفر، لهذا فإن المدار الوحيد الموجود لـ n = 1 هو مدار s وحيث أن المدار s موجود أيضًا لكل قيمة أخرى لـ n.
• المدار النظري ويرمز له p وهو المدار الذي يكون فيه n أكبر من واحد وإن L وهو الرقم الكم المداري تكون قيمته في هذا المدار أي قيمة تصل إلى n-1 ، فعندما L تكون مساوية للرقم واحد يطلق على هذا المدار اسم المداري P، وفيه تكون قيمة L منتقلة من موجب إلى سالب ويمكن أن تساوي 1 أو 0 أو -1 بالنسبة إلى L=1 و n=2، وهذا يعني أن هناك ثلاث نسخ من المدار p وهي :
  1. واحدة مع الدمبل لأعلى وأسفل .
  2. وواحدة مع الدمبل من اليسار إلى اليمين.
  3. وأخرى مع الدمبل بزاوية قائمة .
  4. وإن مداراتP تتواجد لجميع الأعداد الكمومية الرئيسية الأكبر من واحد على الرغم من أنها تحتوي على بينة إضافية حيث يرتفع n.
• المدار المنتشر ويرمز له D وفيه تكون قيمة n=3 إذن l يمكن أن يساوي 2 ، وعندما l = 2 يمكن أن m تساوي  2 ، 1 ، 0 ، -1 ، و -2و تسمى المدارات l = 2 المدارات d ، وهناك خمسة مدارات مختلفة تتوافق مع القيم المختلفة لـ m وإن المدار n = 3 ، l = 2 ، m = 0 يكون شبيه بالدمبل ولكن منظره يكون دائري حول المنتصف، و تبدو المدارات الأربعة الأخرى d مثل أربع بيضات مكدسة في النهاية في نمط مربع.
• المدار الأساسي ويرمز له f حيث أن تسمى المدارات n = 4 ، l = 3 بالمدارات f وهي مدارات مقعدة ووصفها صعب جداً فهي مدارات تتشكل مثل الدمبل ولكن الفرق بأن لها اثنين من الدائرة بين طرفي الحديد وإن قيم m تكون مثل حزمة من ثمانية بالونات مع وجود الترابط فيما بينها في المنتصف.[2]

طريقة التوزيع الإلكتروني

إن التوزيع الإلكتروني هو ترتيب الإلكترونات في الذرة أو في جزيء، ويكون لأي نظام توزيع إلكتروني واحد ثابت خاص به وفي حالة الإتزان يكون هذا التوزيع دائماً ويسمى الحالة الأرضية، ولكن عندما تكون الذرة أو النظام ليس في الحالة الأرضية في هذه الحالة تكون أحد الإلكترونات مثارة وتكون خاضعة تحت تأثير التسخين أو التفريغ الكهربي، ولهذا يتخذ توزيع الإلكترونات توزيع آخر وتكون بصفة مؤقتة، وإن تحديد التوزيع الإلكتروني عن طريق:

• معرفة عدد الإلكترونات الموجودة فيه.
• تحديد مستويات الطاقة الرئيسية والفرعية بالإضافة إلى الأوربيتالات.
• ويجب معرفة المدارات.
• وقد استطاع العلماء حساب ذلك باستخدام ميكانيكا الكم، وهذه الطريقة قد ابتكرت بواسطة العالمين الألماني هايزنبرج والعالم النمساوي شرودنجر، وقد تم تطبيقها بنجاح على ذرة الهيدروجين.