نموذج سومرفيلد الذري: الخصائص والمسلمات والمزايا والعيوب - كيمياء - 2025

و النموذج الذري سمرفلد تم إنشاؤه من قبل الفيزيائي الألماني أرنولد سومرفيلد بين عامي 1915 و 1916، لشرح الحقائق أن نموذج بور، الذي صدر في وقت سابق من عام 1913، لا يمكن أن يفسر على نحو مرض. قدم سومرفيلد نتائجه لأول مرة إلى أكاديمية العلوم البافارية ونشرها لاحقًا في مجلة Annalen der Physik.

يصف نموذج الذرة الذي اقترحه الفيزيائي الدنماركي نيلز بور أبسط ذرة على الإطلاق ، الهيدروجين ، لكنه لم يستطع تفسير سبب قدرة الإلكترونات في نفس حالة الطاقة على تقديم مستويات طاقة مختلفة في وجود الحقول الكهرومغناطيسية.

الشكل 1. في النماذج شبه الكلاسيكية ، تكون المدارات نيوتونية ، لكن يُسمح فقط بالمدارات التي يكون محيطها عددًا صحيحًا من المرات التي يكون فيها طول موجة دي برولي. المصدر: F. Zapata.

في النظرية التي اقترحها بور ، يمكن للإلكترون الذي يدور حول النواة أن يكون له قيم معينة فقط من زخمه الزاوي المداري L ، وبالتالي لا يمكن أن يكون في أي مدار.

اعتبر بور أيضًا أن هذه المدارات دائرية وأن عددًا كميًا واحدًا يسمى العدد الكمي الأساسي ن = 1 ، 2 ، 3… يعمل على تحديد المدارات المسموح بها.

كان أول تعديل أجراه سومرفيلد على نموذج بور هو افتراض أن مدار الإلكترون يمكن أن يكون أيضًا بيضاوي الشكل.

يوصف المحيط بنصف قطره ، ولكن بالنسبة للقطع الناقص ، يجب إعطاء معلمتين: المحور شبه الرئيسي والمحور شبه الصغير ، بالإضافة إلى اتجاهه المكاني. مع هذا قدم رقمين كميين آخرين.

كان التعديل الرئيسي الثاني الذي أجراه سومرفيلد هو إضافة تأثيرات نسبية إلى النموذج الذري. ليس هناك ما هو أسرع من الضوء ، ولكن سومرفيلد وجد إلكترونات ذات سرعات قريبة بشكل ملحوظ ، لذلك كان من الضروري دمج التأثيرات النسبية في أي وصف للذرة.

يفترض نموذج سومرفيلد الذري

تتبع الإلكترونات مدارات دائرية وبيضاوية

تتبع الإلكترونات في الذرة مدارات إهليلجية (المدارات الدائرية هي حالة معينة) ويمكن وصف حالة طاقتها بثلاثة أرقام كم: الرقم الكمي الأساسي n ، والرقم الكمي الثانوي أو الرقم السمتي l ورقم الكم المغناطيسي m _L.

على عكس المحيط ، يحتوي القطع الناقص على محور شبه كبير ومحور شبه صغير.

لكن القطع الناقصة التي لها نفس المحور شبه الرئيسي يمكن أن يكون لها محاور شبه ثانوية مختلفة ، اعتمادًا على درجة الانحراف. الانحراف اللامركزي يساوي 0 يتوافق مع دائرة ، لذلك لا يستبعد المسارات الدائرية. علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون للقطع الناقص في الفضاء ميول مختلفة.

لذلك سمرفلد أضاف إلى l الثانوي في عدد نموذج الكم للإشارة إلى محور قاصر والكم المغناطيسي رقم م _L. وهكذا أوضح ما هي التوجهات المكانية المسموح بها للمدار الإهليلجي.

الشكل 2. تظهر المدارات المقابلة لمستوى الطاقة n = 5 لقيم مختلفة للزخم الزاوي l التي لها أطوال موجية كاملة من Broglie. المصدر: wikimedia commons.

لاحظ أنه لا يضيف أرقامًا كمومية رئيسية جديدة ، لذا فإن الطاقة الإجمالية للإلكترون في المدار الإهليلجي هي نفسها كما في نموذج بوهر. لذلك لا توجد مستويات طاقة جديدة ، بل مضاعفة المستويات المعطاة بواسطة العدد n.

تأثير زيمان وتأثير ستارك

وبهذه الطريقة يمكن تحديد مدار معين بشكل كامل ، وذلك بفضل الأرقام الكمومية الثلاثة المذكورة وبالتالي شرح وجود تأثيرين: تأثير زيمان وتأثير ستارك.

ولذا فهو يشرح مضاعفة الطاقة التي تظهر في تأثير زيمان الطبيعي (يوجد أيضًا تأثير زيمان الشاذ) ، حيث ينقسم الخط الطيفي إلى عدة مكونات عندما يكون في وجود مجال مغناطيسي.

تحدث مضاعفة الخطوط أيضًا في وجود مجال كهربائي ، يُعرف باسم تأثير ستارك ، مما دفع سومرفيلد إلى التفكير في تعديل نموذج بوهر لشرح هذه التأثيرات.

تتحرك نواة الذرة والإلكترونات حول مركز كتلتها

بعد أن اكتشف إرنست رذرفورد النواة الذرية وتم الكشف عن حقيقة أن كل كتلة الذرة تقريبًا تتركز هناك ، اعتقد العلماء أن النواة كانت ثابتة إلى حد ما.

ومع ذلك ، افترض سومرفيلد أن كلاً من النواة والإلكترونات التي تدور في المدار تتحرك حول مركز كتلة النظام ، وهو بالطبع قريب جدًا من النواة. يستخدم نموذجه الكتلة المخفضة لنظام نواة الإلكترون ، بدلاً من كتلة الإلكترون.

في المدارات الإهليلجية ، كما هو الحال مع الكواكب حول الشمس ، هناك أوقات يكون فيها الإلكترون أقرب ، وفي أوقات أخرى يكون بعيدًا عن النواة. لذلك فإن سرعته تختلف عند كل نقطة في مداره.

الشكل 3.- أرنولد سومرفيلد. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. GFHund.

يمكن أن تصل الإلكترونات إلى سرعات نسبية

قدم سومرفيلد في نموذجه ثابت البنية الدقيقة ، وهو ثابت بلا أبعاد مرتبط بالقوة الكهرومغناطيسية:

α = 1 /137.0359895

يتم تعريفه على أنه حاصل القسمة بين شحنة الإلكترون e تربيع ، والمنتج بين ثابت بلانك h وسرعة الضوء ج في الفراغ ، مضروبًا جميعًا في 2π:

α = 2π (e ² / hc) = 1 /137.0359895

يرتبط ثابت البنية الدقيقة بثلاثة من أهم الثوابت في الفيزياء الذرية. والآخر هو كتلة الإلكترون ، وهي غير مذكورة هنا.

بهذه الطريقة ترتبط الإلكترونات بالفوتونات (تتحرك بسرعة c في الفراغ) ، وبالتالي تفسر انحرافات بعض الخطوط الطيفية لذرة الهيدروجين عن تلك التي تنبأ بها نموذج بوهر.

بفضل التصحيحات النسبية ، يتم فصل مستويات الطاقة مع n متساوية ولكن l مختلفة ، مما يؤدي إلى البنية الدقيقة للطيف ، ومن هنا جاء اسم الثابت α.

ويمكن التعبير عن جميع أطوال الذرة المميزة بدلالة هذا الثابت.

الشكل 4. يظهر تكميم الزخم الزاوي L. بخلاف المدارات الدائرية ، تسمح المجسمات الإهليلجية بأكثر من قيمة L لكل مستوى من مستويات الطاقة. المصدر: F. Zapata.

المميزات والعيوب

مميزات

أظهر سومرفيلد أن رقمًا كميًا واحدًا كان غير كافٍ لتفسير الخطوط الطيفية لذرة الهيدروجين.

- كان النموذج الأول الذي يقترح تكميمًا مكانيًا ، حيث إن إسقاطات المدارات في اتجاه المجال الكهرومغناطيسي هي في الواقع كمية.

-The نموذج سمرفلد أوضح بنجاح أن الإلكترونات مع نفس عدد كم رئيسي تختلف في ولاية الطاقة لديها، لأنها يمكن أن أعداد الكم مختلفة ل و م _L.

- أدخل الثابت α لتطوير البنية الدقيقة للطيف الذري وشرح تأثير زيمان.

- التأثيرات النسبية المتضمنة ، حيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بسرعات قريبة جدًا من سرعة الضوء.

سلبيات

- كان نموذجك قابلاً للتطبيق فقط على الذرات ذات الإلكترون الواحد وفي كثير من النواحي على ذرات الفلزات القلوية مثل Li ²⁺ ، ولكنه غير مفيد في ذرة الهليوم التي تحتوي على إلكترونين.

- لم يفسر التوزيع الإلكتروني في الذرة.

- سمح النموذج بحساب طاقات الحالات المسموح بها وترددات الإشعاع المنبعث أو الممتص في الانتقالات بين الحالات دون إعطاء معلومات عن أوقات هذه التحولات.

- من المعروف الآن أن الإلكترونات لا تتبع مسارات ذات أشكال محددة سلفًا مثل المدارات ، ولكنها تحتل المدارات ، وهي مناطق من الفضاء تتوافق مع حلول معادلة شرودنجر.

- جمع النموذج اعتباطياً بين الجوانب الكلاسيكية والجوانب الكمية.

- فشل في تفسير تأثير زيمان الشاذ ، ولهذا فإن نموذج ديراك مطلوب ، والذي أضاف لاحقًا عددًا كميًا آخر.

مقالات ذات أهمية

نموذج شرودنغر الذري.

نموذج دي بروجلي الذري.

نموذج تشادويك الذري.

نموذج هايزنبرغ الذري.

نموذج بيرين الذري.

نموذج طومسون الذري.

نموذج دالتون الذري.

نموذج ديراك الأردن الذري.

النموذج الذري لديموقريطس.

نموذج بوهر الذري.

المراجع

1. برينكارت. نموذج ذرة سومرفيلد وعيوبه. تم الاسترجاع من: brainkart.com.
2. كيف توصلنا إلى معرفة الكون: الضوء والمادة. ذرة سومرفيلد. تم الاسترجاع من: thestargarden.co.uk
3. باركر ، بي.ذرة بور-سومرفيلد. تم الاسترجاع من: physnet.org
4. الركن التربوي. نموذج سومرفيلد. تم الاسترجاع من: rinconeducativo.com.
5. ويكيبيديا. نموذج سومرفيلد الذري. تم الاسترجاع من: es.wikipedia، org.