عدد کوانتومی اصلی

ساختار اتم (عدد کوانتومی اصلی) – شیمی دهم (۱)

زمان مطالعه: ۵ دقیقه

سلامی دوباره بر همراهان و دانش آموزان عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم ساختار اتم و همین طور عدد کوانتومی اصلی را برای شما عزیزان شرح دهیم و تمامی نکات مربوط به این مبحث را آموزش دهیم. اعداد کوانتومی مبحث بسیار مهمی در درس شیمی دهم متوسطه دوره دوم است که در این مبحث، بخش اول مربوط به عدد کوانتومی اصلی است.

ساختار اتم

نیلز بور پس از پژوهش‌های فراوان توانست مدلی برای اتم هیدروژن ارائه کند. او توانست با این مدل طیف نشر خطی هیدروژن را توجیه کند، اما این مدل توانایی توجیه نشر خطی دیگر عناصر را نداشت. دلیل آن هم ساده بودن ساختار اتم هیدروژن بود. هیدروژن ساده‌ترین ساختار اتمی را دارد. اتم هیدروژن تنها دارای یک پروتون (در هسته اتم) و یک الکترون است که به دور هسته اتم می‌چرخد.

عدد کوانتومی اصلی

دانشمندان دیگر در توجیه ایجاد طیف نشری خطی دیگر عنصرها و همین‌طور چگونگی نشر نور از اتم‌ها ساختار لایه‌ای را برای اتم ارائه کردند. در این ساختار، اتم را کره‌ای در نظر می‌گیرند که هسته با فضایی بسیار کوچک، در مرکز این کره قرار دارد و الکترون ها در فضایی بسیار بزرگ تر در لایه‌هایی پیرامون هسته توزیع شده‌اند. این لایه‌ها را به ترتیب از هسته به سمت بیرون از شماره ۱ تا ۷ شماره گذاری می‌کنند. شماره هر لایه را n نمایش می‌دهند. در واقع n، عدد کوانتومی اصلی نامیده می شود. این عدد برای لایه اول n=1 و همین برای لایه دوم n=2 و … برای لایه هفتم n=7 است.

در این‌جا n نشان دهنده عدد کوانتومی اصلی است. عدد کوانتومی اصلی شماره لایه را مشخص می‌کند. یعنی لایه‌ای که الکترون در آن قرار گرفته است.

ساختار لایه ای اتم (عدد کوانتومی اصلی)

شکل (۱) : ساختار لایه ای اتم (عدد کوانتومی اصلی)

با توجه به شکل ۱، حضور الکترون در نقاط پر رنگ احتمال بیشتری دارد. به این معنا که الکترون در هر لایه‌ای که باشد در همه نقاط اطراف هسته حضور پیدا می‌کند اما در محدوده یاد شده احتمال حضور آن، بیشتر خواهد بود.

بیشتر بدانیم: به بیان کلی‌تر فیزیک کوانتوم بیان می‌کند که برای الکترون هیچ جایگاه معین و دقیقی نمی‌توان یافت. بلکه الکترون به صورت موجی در همه‌جای اطراف هسته قرار دارد. با این حال احتمال حضور در برخی مکان‌ها بیشتر است که با سایر اعداد کوانتومی بیان می‌شود. اما به دلیل ساده‌سازی الکترون‌ها را ذرات کوچکی با بار منفی در نظر می‌گیرند که به دور هسته در مدار‌ یا ترازهایی با همین شماره عدد کوانتومی اصلی در حال چرخش هستند.

نکته بسیار مهم در این جا، این است که الکترون در هنگام جابه‌جایی یا انتقال از لایه‌ای به لایه دیگر، انرژی به صورت کوانتومی (پیمانه‌ای یا بسته‌ای) داد و ستد می‌شود. یعنی مقدار انرژی منتقل شده به صورت بسته‌ای است (مقادیر گسسته) و برای انتقال بین هر لایه، مقدار انرژی معینی منتقل می‌شود. اگر بخواهیم مثالی بزنیم تا این مطلب بهتر درک شود، بالا رفتن از پله را با بالا رفتن از سطح شیب دار مقایسه می‌کنیم.

مقایسه مصرف انرژی به صورت کوانتومی و پیوسته

مقایسه مصرف انرژی به صورت کوانتومی (شکل آ) و پیوسته (شکل ب)

شما برای بالا رفتن از پله باید مقدار مشخصی پای خود را بالا آورده تا به پله بعدی برسید و امکان قرار دادن پای خود و ایستادن بین دو پله را نخواهید داشت، اما برای بالا رفتن از سطح شیب دار شما اخیتار دارید که قدم های خود را به چه اندازه ای بردارید.

الکترون‌ها در اتم نیز همین حالت را دارند. آن‌ها برای جابه‌جایی بین لایه‌ها باید مقدار انرژی مشخصی دریافت کنند یا از دست بدهند تا بین لایه‌ها جا‌به‌جا یا منتقل شوند. به همین دلیل است که این ساختار برای اتم را مدل کوانتومی اتم می‌نامند. لازم به ذکر است که شماره این لایه‌ها با عدد کوانتومی اصلی مشخص می‌شود.

کوانتومی بودن انرژی برای جابه جایی بین لایه های الکترونی

همان طور که امکان ایستادن جایی میان پله‌های این نردبان نیست، الکترون ها نیز میان دو لایه، انرژی معین و تعریف شده ای ندارند. این شیوه دریافت یا از دست دادن انرژی به صورت نردبانی را شیوه کوانتومی می‌نامند.

براساس این مدل، الکترون‌ها در هر لایه، آرایش و انرژی معینی دارند و اتم از پایداری نسبی برخوردار است به طوری که گفته می شود اتم در حالت پایه قرار دارد. در این ساختار، انرژی الکترون‌ها در اتم با افزایش فاصله از هسته افزایش می‌یابد. حال اگر به اتم‌ها در حالت پایه انرژی داده شود، الکترون های آنها با جذب انرژی به لایه های بالاتر انتقال می‌یابد. به اتم ها در چنین حالتی، اتم های برانگیخته گفته می‌شود.

الکترون در حالت پایه

آ) الکترون در حالت پایه در اتم هیدروژن

برانگیخته شدن الکترون

ب) الکترون در حالت برانگیخته در اتم هیدروژن

بازگشت الکترون به حالت پایه

پ) بازگشت الکترون به حالت پایه

اتم‌های برانگیخته پرانرژی و به همین دلیل ناپایدار هستند. به همین خاطر تمایل دارند دوباره با از دست دادن انرژی به حالت پایدارتر و در نهایت به حالت پایه برگردند. از آنجایی که برای الکترون، نشر نور (فوتون) مناسب‌ترین روش برای از دست دادن انرژی است، الکترون‌ها در اتم برانگیخته، هنگام بازگشت به حالت پایه، نوری با طول موج معین نشر می‌کنند.

هر نوار رنگی در طیف نشری خطی هر عنصر، نشان دهنده پرتوهای نشر شده هنگام بازگشت الکترون‌ها از لایه‌های بالاتر به لایه‌های پایین‌تر است. از آنجا که انرژی لایه‌های الکترونی پیرامون هسته هر اتم، ویژه همان اتم بوده و به عدد اتمی و یا تعداد پروتون (و در نتیجه تعداد الکترون) آن وابسته است، پس انرژی لایه‌ها و تفاوت انرژی میان آن‌ها در اتم عنصرهای گوناگون، متفاوت است و انتظار می‌رود هر عنصر، طیف نشری خطی منحصر به فردی ایجاد کند.

طیف نشر خطی اتم هیدروژن

نحوه ایجاد چهار نوار رنگی ناحیه مرئی طیف نشری خطی اتم های گاز هیدروژن

با تعیین دقیق طول موج نوارهای یاد شده می‌توان به تصویر دقیقی از انرژی لایه‌های الکترونی و در واقع آرایش الکترونی اتم دست یافت. در این مقاله سعی کردیم مبحث عدد کوانتومی اصلی را آموزش دهیم تا به خوبی این مبحث را آموزش ببینید. به مبحث اعداد کوانتومی توجه ویژه‌ای داشته باشید که شروع این مبحث با عدد کوانتومی اصلی است.

امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.

جرم اتمی میانگین – شیمی دهم (۱)

ایزوتوپ چیست؟ – شیمی دهم (۱)

 

اشتراک گذاری

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *