نموذج بور الذري - فيزياء3-3 - ثالث ثانوي

الفصل الذرة The Atom 4 ما الذي ستتعلمه في هذا الفصل؟ . تعلم كيفية اكتشاف مكوّنات الذرة. . تحدد طاقات ذرة الهيدروجين. . تعلم كيف قادت نظرية الكم إلى النموذج الذري الحديث. . تعلم كيف يعمل الليزر وتطبيقاته. الأهمية يفسر النموذج الكمي للذرة وانتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة كثيرًا من سلوك ومشاهدات المواد. طيف الانبعاث هذه الأنابيب مملوءة بأنواع مختلفة من الغازات، وكل منها يبعث طيفًا واحدا مميزا من الألوان. وينبعث الضوء المتوهج عندما تنتقل إلكترونات الغاز إلى مستويات طاقة أدنى. فكر لماذا تكون ألوان الإضاءات مختلفة؟ وكيف تستطيع تحديد نوع الغاز المستخدم في كل أنبوب؟ 512 وزارة التعليم Minust for Little plan 2023-1445

تجربة استهلالية ) www.len.edu.sa تحديد نوع قطعة نقدية فلزية تدور كنموذج .4 كرر الخطوة 3 ، وحاول تحديد نوع كل من القطع النقدية الدوّارة على أن تكون عيناك مغمضتين لتعرف نوع الذرات. سؤال التجربة عندما تدور أي من القطع النقدية من فئات التحليل 5، أو 10، أو 25 أو 50، أو 100 هللة، على سطح الطاولة ما مدى نجاحك في تحديد نوع القطع النقدية من خلال فما الخصائص التي تمكنك من تعرف نوع القطعة النقدية الاستماع إلى الأصوات التي تصدرها هذه القطع ؟ ما خصائص القطعة الدوّارة التي يمكن أن تستخدم لتحديد نوعها ؟ التي تدور ؟ الخطوات ما الأدوات التي يمكن أن تجعل عملية تحديد نوع ) النقدية أكثر سهولة ؟ القطعة 1. ضع : قطعة نقدية فلزية من فئة ريال واحد رأسياً على التفكير الناقد تبعث الذرات المثارة لعنصر ما في أنبوب سطح طاولة. ولتثبيتها المسها بطرف إصبعك ثم حرك غاز التفريغ طاقة عن طريق انبعاث الضوء. كيف يمكن طرفها بسبابتك لتجعلها تدور بسرعة، ولاحظ مظهر للضوء المنبعث أن يساعدك على تحديد نوع الذرة في أنبوب القطعة الدوّارة وصوتها إلى أن تقترب من التوقف عن التفريغ ؟ وما الأدوات التي يمكن أن تساعدك على ذلك؟ الدوران على سطح الطاولة. 2 كرر الخطوة 1 ثلاث مرات مستخدمًا قطعا من فئات (25، 50 هللة على التوالي. 3. اطلب إلى زميلك تدوير القطع النقدية، قطعة واحدة في كل مرة بترتيب عشوائي. شاهد كل قطعة في أثناء دورانها فقط، ثم حاول تحديد نوع تلك القطعة. 4-1 نموذج بور الذري The Bohr Model of the Atom الأهداف الانبعاث الخطي. المفردات في نهاية القرن التاسع عشر اتفق معظم العلماء على وجود الذرات. وقد أعطى اكتشاف تومسون للإلكترون دليلا مقنعا على أن الذرة تتكون من . تصف تركيب نواة الذرة جسيمات دون ذرية. وقد وجد أن كل ذرة اختبرها تومسون تحتوي على إلكترونات سالبة الشحنة، وأن لهذه الإلكترونات كتلة صغيرة جدا. ولأن . تقارن بين طيف الانبعاث المستمر وطيف الذرات التي كانت معلومة لها كتلة أكبر من الكتلة التي تم حسابها بواسطة . تحل مسائل باستخدام نصف قطر المستوى الإلكترونات التي تحويها، فقد بدأ العلماء بالبحث عن الكتلة المفقودة التي و معادلات مستويات الطاقة. يجب أن تكون جزءًا من كتلة الذرة الكلية ما طبيعة الكتلة التي سيتم اكتشافها لاحقا بوصفها جزءا من الذرة؟ وكيف تتوزع هذه الكتلة داخل الذرة؟ إضافة إلى ذلك، فمعلوم أن الذرة متعادلة كهربائيا، وحتى تلك الفترة تم طيف الامتصاص تحديد إلكترونات سالبة الشحنة داخل الذرة، فكيف تتوزع الإلكترونات حالة الاستقرار السالبة الشحنة في الذرة ؟ وما مصدر تعادل الذرة؟ وهل هناك جسيمات عدد الكم الرئيس . موجبة الشحنة أيضًا في الذرة؟ كان فهم العلماء الكامل عن الذرة لا يزال بعيدا قبل الإجابة عن تلك التساؤلات. من هنا بدأ العلماء في البحث عن إجابة على العديد من الأسئلة التي وضعتهم في : تحد. جسيمات ألفا النواة مستوى الطاقة حالة الإثارة وزارة التعليم Minist5ucation 2023-1445

الشكل 1-4 بعد قذف رقيقة الفلز النموذج النووي The Nuclear Model بجسيمات ألفا، استنتج فريق رادرفورد أن حزمة جسيمات الليا الجسيمات المنحرفة قافة والشرية التورية صفيحة رقيقة من الذهب صدر جميعات ألتا معظم كتلة الذرة كانت متمركزة في النواة كثير من التساؤلات واجهت الباحثين حول طبيعة الذرة. ما الذي يسبب انبعاث ضوء من الذرات؟ كيف تتوزع الإلكترونات في الذرة ؟ بحث فيزيائيون وكيميائيون من دول مختلفة عن حلول لهذه الألغاز (الأسئلة). لم تزودنا النتائج التي توصلوا إليها بالمعرفة عند تركيب الذرة فقط، ولكنها زودتنا بنهج جديد لفهم كل من الفيزياء والكيمياء. وأصبح تاريخ البحث في طبيعة الذرة من أكثر القصص إثارة في القرن العشرين. اعتقد تومسون أن المادة الثقيلة الموجبة الشحنة تملأ الذرة. وقد صوّر الإلكترونات السالبة الشحنة على أنها تتوزع خلال هذه المادة الموجبة الشحنة، تماما مثل حبات الزبيب في الفطيرة المسطحة. وقد شارك العالم إرنست راذرفورد كلًا من هانز جايجر وإرنست ماردسن في إجراء سلسلة من التجارب أظهرت نتائجها أن للذرة تركيبا مختلفًا تماما. أجريت تجربة راذرفورد باستخدام مركبات مشعة تصدر أشعة نافذة. وقد وجد أن بعض هذه الانبعاثات جسيمات موجبة الشحنة وثقيلة، وتتحرك بسرعات عالية. وسميت هذه الجسيمات فيما بعد جسيمات ألفا، ورمز لها بالرمز .. ويمكن الكشف عن هذه الجسيمات في تجربة رادرفورد بواسطة ومضات ضوئية تنبعث عندما تصطدم الجسيمات مع شاشة مطلية بطبقة من كبريتات الزنك. كما يتضح من الشكل 1-4؛ فقد قذف راذرفورد حزمة من جسيمات ألفا على صفيحة رقيقة جدا من الذهب، وكان مهتما بنموذج تومسون للذرة، وتوقع حدوث انحرافات بسيطة جدًّا فقط الجسيمات ألفا عندما تعبر خلال صفيحة الذهب الرقيقة، واعتقد أن مسار جسيمات ألفا الثقيلة ذات السرعة العالية سوف يتغير بمقدار ضئيل عندما يعبر خلال الشحنة الموجبة الموزعة بانتظام والتي تكوّن كل ذرة الذهب. وكانت نتائج التجربة مدهشة؛ فقد عبر معظم جسيمات خلال صفيحة الذهب دون انحراف أو مع انحراف قليل عن مسارها، إلا أن بعضها ارتد بزوايا كبيرة جدا (تزيد على 90"). والرسم التوضيحي لهذه النتائج موضح في الشكل .-2-4 شبّه را در فورد نتائج هذه التجربة المذهلة بإطلاق قذيفة ضخمة من مدفع 15 بوصة على منديل ورقي فارتدت القذيفة إلى الخلف واصطدمت به. الشكل 3-4 تطور النظرية الذرية الحديثة. إن فهمنا الحالي لخواص الذرات والجسيمات المكونة لها وسلوك هذه الذرات والجسيمات يقوم | 1911م من خلال تجربة على عمل العلماء من مختلف أنحاء العالم خلال صفيحة الذهب تمكن رذرفورد من تحديد خواص القرنين الماضيين. النواة، وتشمل الشحنة، والحجم والكثافة. 1918 تسلم العالم بلاتك | جائزة نوبل على نظريته في تكمية الطاقة التي شكلت أساسا علميا لدراسة الذرة. 1910 1885 1897م باستعمال أنبوب أشعة المهبط اكتشف تومسون نسبة الإلكترونات، وحدد نسبة كتلة الإلكترون إلى شحنته الكهربائية. 1913م نشر نیلز بوهر نظرية عن تركيب الذرة تربط التوزيع الإلكتروني للذرات بخواصها الكيميائية. وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 1860 514

ذرات صفيحة الذهب النواة جسيمات ألفا الشكل 2-4 معظم جسيمات ألفا الموجهة إلى صفيحة رقيقة من الذهب عبرت خلالها دون انحراف وجسيم واحد من كل 1000 يرتد بزاوية كبيرة. - استنتج راذرفورد – مستخدمًا قانون القوة لكولوم وقوانين نيوتن في الحركة – أن النتائج يمكن تفسيرها فقط إذا كانت جميع شحنة الذرة متركزة في حيز صغير وثقيل، يسمى النواة. لذلك سمي نموذجه النموذج النووي. وقد حدد مجموعة من العلماء أن الشحنة الموجبة للذرة وأكثر من 99.996 من كتلة الذرة موجودة في النواة. أما الإلكترونات التي لا تساهم بكمية كبيرة من كتلة الذرة فتكون موزعة خارجًا وبعيدا عن النواة. لذلك فإن الفراغ الذي تشغله الإلكترونات يحدد الحجم الكلي أو قطر الذرة. ولأن قطر الذرة أكبر 10000 مرة تقريبا من قطر النواة فإن معظم حجم الذرة يكون فراغا. وتتابع بعد ذلك تطور النظرية الذرية الحديثة على يد العديد من العلماء، لاحظ الشكل 3-4 طيف الانبعاث كيف تتوزع الإلكترونات حول نواة الذرة؟ تم التوصل إلى أحد مفاتيح الإجابة عن هذا السؤال من خلال دراسة الضوء المنبعث من الذرات. تذكر – من الفصل السابق - أن مجموعة الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية التي تنبعث من الذرة تسمى طيف الانبعاث الذري. الشكل 4-4 عند تطبيق فرق جهد عال على عينة غاز يبعث الغاز كما هو موضح في الشكل 4-4 يمكن استخدام ذرات عينة غاز لتبعث ضوءًا في أنبوب ضوءا ذا توهج خاص به فيتوهج تفريغ الغاز. وأنت غالبا معتاد على رؤية إشارات النيون الملونة التي تستخدم في بعض غاز الهيدروجين بضوء أحمر مزرق الأعمال، فهذه الإشارات تعمل على المبادئ نفسها التي تعمل عليها أنابيب تفريغ الغاز. (a)، ويتوهج غاز الزئبق بضوء أزرق (b)، ويتوهج غاز النيتروجين بضوء 1960م أصبح واضحا أن البروتونات 1932م قام العلماء بتطوير مسرع الجسيمات لإطلاق بروتونات على أنوية الليثيوم، لتفتيتها إلى أنوية هيليوم وتحرير الطاقة. والنيوترونات والبيونات ليست جسيمات أولية، بل مكونة من مجموعة من جسيمات تسمى الكواركات. برتقالي وردي اللون (C). 1960 1985 1928م افترض بول ديراك وجود جسيم مماثل للإلكترون لكنه يحمل شحنة موجبة، ثم أثبت وجوده أندرسون وسماه بوزيترون. 1932م أثبت جيمس شادويك وجود النيوترونات. 1968 قدم العلماء أول دليل تجريبي على وجود الجسيمات المكونة للذرة والتي عرفت بالكواركات. وزارة التعليم Minist515ucation 2023-1445

كاشف خطوط الانبعاث أنبوب تفريخ غاز منشور الشكل 45 يمكن استخدام منشور حيث يحتوي أنبوب تفريغ الغاز على غاز ذي ضغط منخفض محصور في أنبوب زجاجي المطياف لمشاهدة طيف الانبعاث (a). له قطبان فلزیان مثبتان عند طرفيه . ويتوهج الغاز عند تطبيق فرق جهد عال عبر الأنبوب. طيفا الانبعاث للزنبق (b)، وللباريوم أما الأمر الذي أثار اهتمام العلماء كثيرًا فتلك الحقيقة التي تبين أن كل غاز يتوهج بضوء مختلف خاص به ويوضح الشكل -4-4 التوهج المميز المنبعث عن بعض الغازات. (C) يظهران بخطوط مميزة. تجربة الانبعاث؟ نحصل على طيف الانبعاث للذرة عندما يمر الضوء المنبعث من الغاز خلال منشور أو محزوز حيود. ويمكن دراسة طيف الانبعاث بتفصيل أكبر باستخدام جهاز يسمى المطياف. وكما هو موضح في الشكل 5-4 فإن الضوء في منشور المطياف يعبر خلال الشق، ثم يتشتت عندما يعبر خلال المنشور، ثم تعمل عدسة النظام - غير الموضحة في الرسم - على تجميع الضوء المتشتت لكي نتمكن من مشاهدته أو تسجيله على شاشة فوتوجرافية، أو على كاشف إلكتروني، فيكون المطياف صورة الشق عند مواقع مختلفة لكل طول موجي إن الطيف المنبعث عن جسم ساخن، أو عن مادة صلبة متوهجة، مثل فتيلة المصباح عملية ماذا يمكن أن تتعلم من طيف الكهربائي؛ هو حزمة متصلة من ألوان الطيف من الأحمر إلى البنفسجي. لكن طيف الغاز يكون سلسلة من الخطوط المنفصلة ذات ألوان مختلفة. وخطوط طيفي الانبعاث لغازي ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصه عين الإثرائية الزئبق والباريوم موضحان في الشكل 4-5b والشكل 5-4 على التوالي. وكل خط ملوّن يرتبط مع الطول الموجي المحدد للضوء المنبعث من ذرات ذلك الغاز. يعد طيف الانبعاث أيضًا وسيلة تحليلية مفيدة، فيمكن استخدامه لتحديد نوع عينة غاز مجهولة؛ حيث يوضع الغاز المجهول في أنبوب تفريغ الغاز ليبعث ضوءا، والضوء المنبعث يحتوي على أطوال موجية مميزة لذرات ذلك الغاز. لذا يمكن تحديد الغاز المجهول بمقارنة أطواله الموجية بالأطوال الموجية الموجودة في أطياف العينات المعلومة. ويمكن كذلك استخدام طيف الانبعاث لتحليل خليط من الغازات. فعندما يتم تصوير طيف الانبعاث لخليط من العناصر فإن تحليل الخطوط في الصورة يمكن أن يشير إلى نوع العناصر الموجودة والتراكيز النسبية لها. وإذا كانت العينة قيد الاختبار المحتوي على كمية أمر من عنصر معين فإن خطوط ذلك العنصر تكون أكثر كثافة في الصورة من العناصر الأحرمى ومن خلال إجراء المقارنة بين كثافات الخطوط يمكن تحديد التركيب النسوير المحاورة عليم 516 Ministry of Education 2023-1445

الشكل 6-4 تظهر خطوط فرنهوفر في طيف الامتصاص للشمس. توجد خطوط كثيرة، إلا أن بعض هذه الخطوط خافت وبعضها قائم جدا، اعتمادا على تراكيز العناصر في الشمس. طيف الامتصاص في عام 1814م لاحظ جوزيف فون فرنهوفر وجود بعض الخطوط المعتمة تتخلل طيف ضوء الشمس، تُعرف هذه الخطوط المعتمة الآن بخطوط فرنهوفر، وهي موضحة في الشكل .46. وقد علل ذلك بأن ضوء الشمس يعبر خلال الغلاف الغازي المحيط بالشمس، وتمتص هذه الغازات أطوالاً موجية مميزة محددة، وامتصاص الربط مع الفلك هذه الأطوال الموجية ينتج هذه الخطوط المعتمة في الطيف المرئسي، ومجموعة الأطوال الموجية الممتصة بواسطة الغاز تسمى طيف الامتصاص للغاز. وقد أمكن تحديد مكونات الغلاف الشمسي بمقارنة الخطوط المفقودة في الطيف المرئي مع طيف الانبعاث المعلوم للعناصر المختلفة، وتم كذلك تحديد مكونات العديد من النجوم باستخدام هذه التقنية. تستطيع مشاهدة طيف الامتصاص بتمرير ضوء أبيض خلال عينة غاز ومطياف، كما هو موضح في الشكل 4-7a. ولأن الغاز يمتص أطوالاً موجية محددة فإن الطيف المستمر المرئي للضوء الأبيض سيحتوي على خطوط معتمة محددة بعد مروره في غاز ما. وتحدث الشكل 7-4 يستخدم هذا الجهاز لإنتاج طيف الامتصاص الغاز الصوديوم الخطوط المضيئة لطيف الانبعاث والخطوط المعتمة لطيف الامتصاص لأي غاز غالبًا عند (a). يتكون طيف الانبعاث للصوديوم الأطوال الموجية نفسها، كما هو موضح في الشكل 76-4 والشكل 70-4، على التوالي، من العديد من الخطوط المميزة (b) لذلك فإن العناصر الغازية الباردة تمتص الأطوال الموجية نفسها التي تبعثها عندما تثار. بينما يكون طيف الامتصاص للصوديوم وكما يمكن أن تتوقع، فإنه يمكن تحديد مكونات غاز ما من الأطوال الموجية للخطوط مستمرا تقريبا (C). المعتمة في طيف الامتصاص لهذا الغاز خطوط معتمة 750 nm 750 nm طيف مستمر بخار الصوديوم منشور طيف الانبعاث للصوديوم ضوء أبيض جهاز عرض الضوء 400 nm طيف الامتصاص للصوديوم nm 0وزارة التعليم Minist 517ducation 2023-1445

الشكل 48 هناك أربعة خطوط في طيف الانبعاث لذرة الهيدروجين. التحليل الطيفي يعد كل من طيفي الانبعاث والامتصاص وسيلة علمية مفيدة؛ فنتيجة للأطياف المميزة للعنصر استطاع العلماء تحليل وتحديد وحساب كمية المواد المجهولة عن طريق ملاحظة الأطياف التي تبعثها أو تمتصها. ولأطياف الانبعاث والامتصاص أهمية بالغة في الصناعة كما في البحوث العلمية. تقوم مصانع الحديد مثلا بإعادة معالجة كميات كبيرة من حديد الخردة الذي يحتوي على تراكيب مختلفة، فيتم التحديد الدقيق لهذه التراكيب في دقائق بالتحليل الطيفي. كما يمكن تعديل تركيب الحديد ليتناسب مع المواصفات التجارية؛ وتقوم محطات معالجة الفلزات - ومنها الألومنيوم والزنك ومعادن أخرى - بتطبيق الطريقة نفسها. إن دراسة الأطياف تعدّ فرعًا من العلم المعروف باسم التحليل الطيفي ويعمل الباحثون في هذا العلم في مؤسسات الأبحاث والمؤسسات الصناعية. وقد تم إثبات أن علم التحليل الطيفي أداة فعالة لتحليل الفلزات الموجودة على الأرض، وهو الأداة المتوافرة الوحيدة حاليا لدراسة مكونات النجوم على مدى الفضاء المتسع. نموذج بور للذرة The Bohr Model of the Atom في القرن التاسع عشر، حاول بعض العلماء استخدام الأطياف الذرية لتحديد مكونات الذرة. وتمت دراسة الهيدروجين بدقة؛ لأنه العنصر الأخف، وله أبسط طيف؛ حيث يتكون الطيف المرئي للهيدروجين من أربعة خطوط الأحمر والأخضر، والأزرق، والبنفسجي، كما هو موضح في الشكل 48 وأي نظرية علمية تفسر مكونات الذرة يجب أن تأخذ في الحسبان هذه الأطوال الموجية وتدعم النموذج النووي. ومع ذلك فإن النموذج النووي الذي اقترحه راذر فورد لم يخل من السلبيات؛ حيث افترض أن الإلكترونات تدور حول النواة تماما، كما تدور الكواكب حول الشمس. فكانت هناك ثغرة خطيرة في النموذج النووي نموذج الكواكب). سلبيات النموذج النووي ( نموذج الكواكب يتسارع الإلكترون في مستواه مع استمرار دورانه حول النواة. وكما درست سابقا فإن الإلكترونات المتسارعة تشع طاقة عن طريق انبعاث موجات كهرومغناطيسية، وسرعة معدل فقد الإلكترون الدائر حول النواة لطاقته يجعل مساره لولبيا حتى يسقط في النواة خلال 10. لذلك فإن نموذج الكواكب لا يتفق مع قوانين الكهرومغناطيسية، إضافة إلى ذلك يتوقع نموذج الكواكب أن الإلكترونات المتسارعة سوف تشع طاقتها عند كل الأطوال الموجية، لكن كما درست، فإن الضوء المنبعث من الذرات يُشع عند أطوال موجية محددة فقط. انتقل الفيزيائي الدنماركي نيلز بور إلى بريطانيا عام 1911م، وانضم إلى مجموعة راذرفورد ليعمل في تحديد تركيب الذرة، وحاول توحيد النموذج النووي مع مستويات الطاقة المكماة لبلانك ونظرية أينشتاين في الضوء. فكانت هذه فكرة جريئة؛ لأنه منذ عام 1911م لم تكن أي من هذه الأفكار الجريئة مفهومة على نطاق واسع، أو مقبولة. 410 nm 434 nm وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 486 nm 656 nm 518

تكمية الطاقة Quantized Energy بدأ بور بالترتيب الكواكبي للإلكترونات، كما هو موضح في الشكل 9-4. لكنه قدم نظرية جريئة تنص على أن قوانين الكهرومغناطيسية لا تطبق على داخل الذرة. فافترض أن الإلكترونات في المدار المستقر لا تشع طاقة رغم أنها تتسارع، واعتبر أن هذا هو شرط استقرار الذرة. وذهب إلى افتراض أن حالة الاستقرار للذرات تكون فقط عندما تكون كميات الطاقة فيها محددة؛ أي أنه اعتبر أن مستويات الطاقة في الذرة مكماة. وكما هو موضح في الشكل 10-4 فإن تكمية الطاقة في الذرات يمكن تشبيهها بدرجات سلّم الشكل 9-4 نموذج الكواكب البور في بحيث يتناقص البعد بين كل درجتين كلما صعدنا إلى أعلى. وحتى تصعد إلى درجات أعلى الذرة اعتمد على فرضية أن الإلكترونات للسلم يجب أن تنتقل من الدرجة الأدنى إلى الدرجة الأعلى، ومن المستحيل الوقوف عند نقطة تدور في مدارات ثابتة حول النواة تقع بين درجتين والذرات لها كميات مكماة من الطاقة كل منها يسمى مستوى طاقة، فكما أنه لا يمكنك أن تشغل مكانا بين درجتي سلم فإن طاقة الذرة لا يمكن أن يكون لها قيمة بين طاقتي مستويين من مستويات الطاقة المسموح بها. وعندما تكون طاقة الذرة عند أقل مقدار مس به يقال إنها في حالة استقرار. وعندما تمتص الذرة كمية محددة من الطاقة فإنها تنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، أي مستوى طاقة أعلى من مستوى الاستقرار. وهذه الحالة تسمى حالة الإثارة. طاقة الذرة ما الذي يحدد طاقة الذرة ؟ طاقة الذرة تساوي مجموع طاقة حركة الإلكترونات وطاقة الوضع الناتجة عن قوة التجاذب بين الإلكترونات والنواة. وطاقة الإلكترون في المستويات القريبة من النواة أقل من طاقة الإلكترون في المستويات البعيدة عنها؛ لأنه يجب أن يبذل شغل لنقل الإلكترونات بعيدًا عن النواة. وهكذا تكون الذرات في حالة إثارة عندما تكون إلكتروناتها عند مستويات طاقة أعلى؛ أي في مستويات أبعد عن النواة. ولأن الطاقة مكماة وترتبط برقم المستوى فإن طاقة المستوى مكماة أيضًا. يعرف نموذج الذرة King Faisal PRIZE منح البروفيسور بول كوركم جائزة الملك فيصل / الذي تم وصفه آنفًا، والذي يبين وجود نواة مركزية وإلكترونات لها مستويات طاقة مكماة تدور حولها بنموذج بور للذرة. فرع العلوم لعام 1434هـ / 2013م وذلك لامتياز بحوثة المستقلة والرائدة، والتي جعلت إذا كان بور مصيبا في افتراضه أن الذرات المستقرة لا تبعث طاقة، فمن المسؤول إذن عن من الممكن الحصول على تصوير حركة الإلكترونات طيف الانبعاث المميز للذرة؟ للإجابة عن هذا السؤال، اقترح بور أن طاقة كهرومغناطيسية في داخل الذرات والجزيئات في فترت زمنية تنبعث عندما تتغير حالة الذرة من حالة استقرار إلى حالة استقرار أخرى. ومن نظرية متناهية في الصغر في حدود الأنوثانية. التأثير الكهروضوئي لأينشتاين أدرك بور أن طاقة كل فوتون تعطى بالمعادلة hif = : المصدر: موقع جائزة الملك فيصل / فرع العلوم ثم افترض أنه عندما تمتص الذرة فوتونا فإنها تصبح مثارة، وتزداد طاقتها بمقدار يساوي طاقة ذلك الفوتون، ثم تنتقل هذه الذرة المثارة إلى مستوى طاقة أقل عندما تشع فوتونا. فوتون E يتناقص الارتفاع بين الدرجات مستويات طاقة الذرة الخامس الرابع حالات الثالث الإثارة الشكل 10- 4 هذه الدرجات التي الثاني يتناقص البعد بينها تماثل مستويات الطاقة المتاحة في الذرة، لاحظ كيف الأول ( حالة الاستقرار ) أن فرق الطاقة بين مستويات الطاقة النواة المتجاورة يثنا للصن كلما زاد بعد مستوى الطاقة. وزارة التعليم Minist519ucation 2023-1445

E E - E = فوتون E - E = فوتون (E عندما يحدث انتقال في الذرة من مستوى طاقة ابتدائي ، إلى مستوى طاقة نهائي فإن E- E = فرتون E التغير في طاقة الذرة AE يعطى بالمعادلة: فوتون فوتون فوتون E حالة الاستقرار E-Q E₂ E - E = ذرة AF وكما هو موضح في الشكل ،411، فالتغير في طاقة الذرة يساوي طاقة الفوتون المنبعث. أو ذرة AE = فوتون = E-E E فوتون F تلخص المعادلة أدناه العلاقة بين التغير في حالات الطاقة للذرة وطاقة الفوتون الشكل 11-4 طاقة الفوتون المنبعث المنبعث. تساوي الفرق في الطاقة بين مستويات الطاقة الابتدائية والنهائية للذرة = AE طاقة الفوتون المنبعث ذرة AF - فوتون E أو hf = فوتونE طاقة الفوتون المنبعث تساوي حاصل ضرب ثابت بلانك في تردد الفوتون المنبعث. طاقة الفوتون المنبعث تساوي النقص في طاقة الذرة. تنبؤات نموذج بور Predictions of the Bohr Model يجب أن تقدم النظرية العلمية أكثر من المسلمات الموجودة سابقا، وأن تسمح بإجراء توقعات قابلة للاختبار، ومقارنتها مع النتائج التجريبية والنظرية الجيدة كذلك يمكن تطبيقها على عدة مشكلات مختلفة، وفي النهاية يمكنها تقديم تفسير موحد لجزء من العالم المادي. استخدم بور نظريته الحساب الأطوال الموجية للضوء المنبعث من ذرة الهيدروجين، فكانت الحسابات متوافقة جدا مع قيم مقيسة حددها علماء آخرون. ونتيجة ذلك تم قبول نموذج بور على نطاق واسع. لكن - لسوء الحظ - فقد طبق هذا النموذج على ذرة الهيدروجين فقط، ولم يكن باستطاعته توقع طيف الهيليوم الذي يمثل العنصر البسيط التالي بعد الهيدروجين. إضافة إلى ذلك لم يقدم النموذج تفسيرًا جيدًا لبعض المسائل، مثل لماذا يمكن تطبيق قوانين الكهرومغناطيسية في كل مكان إلا داخل الذرة. لذلك لم يكن بور نفسه يعتقد أن نموذجه يمثل نظرية متكاملة عن تركيب الذرة. وعلى الرغم من عيوب نموذج بور فإنه يصف مستويات الطاقة والأطوال الموجية للضوء المنبعث والممتص من ذرات الهيدروجين بصورة جيدة. تطور نموذج بور طوّر بور نموذجه بتطبيق قانون نيوتن الثاني في الحركة ma = محصلة F على الإلكترون، والقوة المحصلة المحسوبة بواسطة قانون كولوم للتفاعل بين الإلكترون ذي الشحنة - والبروتون ذي الشحنة q+ أحدهما على بعد 7 من الآخر؛ حيث تحسب القوة بالمعادلة: / F = - kq . إن تسارع الإلكترون في مدار دائري حول البروتون الذي كتلته أكبر كثيرًا من كتلة الإلكترون يعطى بالمعادلة : a = - r؛ حيث تشير الإشارة السالبة إلى أن الاتجاه نحو الداخل. وهكذا حصل بور على العلاقة: kq² my² = . .... في المعادلة أعلاه، k تمثل ثابت كولوم، وقيمته N.m3 /C2 10° × 90 . . وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 520

أخذ بور بعد ذلك في الحسبان الزخم الزاوي للإلكترون الذي يدور حول النواة، والذي يساوي حاصل ضرب زخم الإلكترون في نصف قطر مساره الدائري، فتوصل إلى أن الزخم الزاوي تجربة للإلكترون يعطى بالعلاقة mur. ثم افترض أن الزخم الزاوي للإلكترون له قيم محددة، وأن طيف الضوء اللامع (الساطع) تلك القيم المسموح بها تكون مضروبة في المقدار 2 ؛ حيث ثابت بلانك. وباستخدام " لتمثل عددًا صحيحًا، اقترح بور أن 2/ mur = n. وباستخدام العلاقة " = . شغل مصدر القدرة المتصل مع أنبوب وبإعادة ترتيب معادلة الزخم الزاوي وجد بور أن أنصاف أقطار مستويات الإلكترونات في تفريغ الغاز بحيث يضيء الأنبوب ذرة الهيدروجين تعطى بالمعادلة التالية: نصف قطر مستوى إلكترون ذرة الهيدروجين h²n² 4π²kmq² تحذير: احمل أنبوب الغاز بحذر شديد لتتجنب تحطمه ولا تلمس أي فلز معرض للاضاءة في أثناء تشغيل مصدر القدرة إن نصف قطر مستوى n للإلكترون يساوي حاصل ضرب مربع ثابت بلانك في مربع لأن فرق الجهد المستخدم خطر، وقم العدد الصحيح " مقسوما على الكمية المتكوّنة من حاصل ضرب 4 في مربع T ، مضروبة دائما بفصل مصدر القدرة قبل تغيير في الثابت ، مضروبة في كتلة الإلكترون ومربع شحنته. أنابيب الغاز. أطفئ أنوار الغرفة تستطيع حساب نصف قطر المستوى الأقرب إلى النواة في ذرة الهيدروجين – الذي يعرف أيضًا بنصف قطر بور - وذلك بتعويض القيم المعلومة، وقيمة 1 = n في المعادلة أعلاه. (6.626×10-J.s)²(1)² 4 (9.0×10 N.m²/C)(9.11x10 kg) (1.60×10-1C)² = 5.3 x 10 J². s²/N. m². kg = 5.3 × 10 m = 0.053nm =n²0.053nm 1 صف اللون الذي تلاحظه 2 لاحظ أنبوب غاز التفريغ من خلال محزوز الحيود. 3 اختبر نتائج مشاهدة أنبوب غاز التفريغ من خلال محزوز الحيود. .4 توقع ما إذا كان الطيف الملاحظ سيتغير عندما تتم بتطبيق قوانين الجبر البسيطة تستطيع التوصل إلى أن الطاقة الكلية للذرة يعبر عنها بحاصل مشاهدة أنبوب غاز التفريغ من جمع طاقة حركة الإلكترون وطاقة وضعه، وإذا عوضنا kq² 2r -=E ينتج أن: -2x²²mq E= h h²n² 4π²kmq² في المعادلة خلال محزوز الحيود 5. اختبر توقعاتك. التحليل والاستنتاج 6. اختبر نتائج مشاهدة أنبوب وبتعويض القيم العددية للثوابت تستطيع حساب مقدار الطاقة الكلية للذرة بوحدة غاز التفريغ من خلال محزوز الجول، فتنتج المعادلة: E=-2.17 x10¹ JX الحيود. 7. فسر سبب وجود اختلاف بين الطيفين. وبتحويل العلاقة لوحدات الإلكترون فولت تنتج المعادلة: طاقة ذرة الهيدروجين E=-13.6 eVX الطاقة الكلية لذرة عدد الكم الرئيس لها ، n، تساوي حاصل ضرب eV 13.6- في مقلوب . إن كلا من نصف قطر المستوى للإلكترون وطاقة الذرة مكماة. ويسمى العدد الصحيح " الذي يظهر في المعادلات عدد الكم الرئيس، ويمكن من خلاله حساب القيم المكماة لكل من T و E . وبصورة مختصرة، فإن نصف القطر r يزداد بزيادة مربع ، بينما تعتمد الطاقة E على n/1. وزارة التعليم Minist521ducation 2023-1445

تجربة عملية الطاقة وانتقال الإلكترون ربما تتساءل لماذا تكون طاقة الذرة في نموذج بور ذات قيمة سالبة تذكر مما درست أن فروق الطاقة فقط ذات معنى. وطاقة مستوى اللانهاية يمكن اعتبارها صفرا، وتسمى الطاقة الصفرية، وتعرّف بأنها طاقة الذرة عندما يكون الإلكترون بعيدا جدا عن الذرة وليس له طاقة حركة. وتحدث هذه الحالة عندما تصبح الذرة متأينة، أي عندما ينزع الكترون من الذرة. ولأنه يجب بذل شغل لتأيسين الذرة فإن طاقة الذرة مع الإلكترون الدائر فيها يجب أن يكون أقل من صفر ، لذلك فإن طاقة الذرة ذات قيمة سالبة، وعندما يحدث انتقال في الذرة من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى فإن كيف يمكنك قياس عدد تنقلات الطاقة الكلية تصبح أقل سالبية، ولكن مجموع التغير الكلي في الطاقة يبقى موجبا. الإلكترون بين مستويات الطاقة ؟ ارجع إلى دليل التجارب العملية بعض مستويات الطاقة لذرة الهيدروجين ومستويات الطاقة التي قد يتم الانتقال إليها على منصة عين الإثرائية موضّحة في الشكل 12-4. لاحظ أن ذرة الهيدروجين المثارة يمكنها أن تبعث مدى واسعا من الطاقة الكهرومغناطيسية كالأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، أو الأشعة فوق البنفسجية بحسب حالات الانتقال التي تحدث؛ حيث تنبعث الأشعة فوق البنفسجية عندما ينتقل إلكترون من مستوى حالة الإثارة إلى مستوى الطاقة الأول. و .. وتنتج الخطوط الأربعة المرئية في طيف الهيدروجين عندما يحدث الانتقال في الذرة من مستوى الطاقة 3 = n أو مستوى أعلى إلى مستوى الطاقة 2 = n . الشكل 12-4 تعرف مجموعة الخطوط الملونة التي تكون طيف ذرة الهيدروجين المرئي بسلسلة بالمر، إن هذا الضوء المرئي ناتج عن الفوتونات المنبعثة عندما تعود الإلكترونات إلى مستوى الطاقة الثاني 2 = 11. ونتيجة لانتقال إلكترونات أخرى لذرة الهيدروجين تنبعث كل من الأشعة فوق البنفسجية (سلسلة ليمان والأشعة تحت الحمراء (سلسلة باشن) وهي أشعة كهرومغناطيسية. -0.38 eV -0.54 eV -0.85 eV تفاصيل تحولات سلسلة بالمر E6 E5 -1.51 eV E3 -3.40 eV وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 مستوى الاستقرار سلسلة باشن (أشعة تحت الحمراء) سلسلة ليمان (فوق البنفسجية) سلسلة بالمر (مرني) n = 1 النواة n=2 (n=3 n=6 n = 5 n = 4 522

مثال 1 مستويات الطاقة تمتص ذرة الهيدروجين طاقة تسبب انتقال إلكترونها من مستوى الطاقة الأدنى 1 = n إلى مستوى الطاقة الثاني 2=n. احسب طاقة كل من مستوى الطاقة الأول ومستوى الطاقة الثاني، ثم احسب الطاقة الممتصة بواسطة الذرة. تحليل المسألة ورسمها . مثل بالرسم مستويات الطاقة E و E. . وضح اتجاه تزايد الطاقة في الرسم التوضيحي. المعلوم المجهول عدد الكم لمستوى الطاقة الأول، 1 =n طاقة المستوى E= ؟ عدد الكم لمستوى الطاقة الثاني 2 = n طاقة المستوى E= ؟ فرق الطاقة AE= ؟ إيجاد الكمية المجهولة استخدم معادلة طاقة الإلكترون في مستواه، لحساب طاقة كل مستوى n=2 E n= 1 E بالتعويض 1 = n بالتعويض 2 = n دليل الرياضيات الأرقام الصغيرة واستخدام الأسس السالية. E-13.6 eVX- E-13.6 eVX- (1)2 E=-13.6 eV E-13.6 eVX- (2)² E₁ =-3.40 eV إن الطاقة الممتصة بواسطة الذرة AE تساوي فرق الطاقة بين مستوى الطاقة النهائي للذرة E ومستوى الطاقة الأولي للذرة . بالتعويض E = E = بالتعويض 3.40 = E = -13.6 eV E طاقة الفوتون المنبعثة تقويم الجواب AE= E-E = E-E =-3.40 eV (-13.6 eV) = 10.2eV • هل الوحدات صحيحة ؟ إن قيم طاقة المستويات يجب أن تقاس بوحدة الإلكترون فولت. • هل الإشارة صحيحة ؟ إن فرق الطاقة موجب عندما تتحرك الإلكترونات من مستويات طاقة منخفضة إلى مستويات طاقة أعلى. • هل الجواب منطقي ؟ إن الطاقة اللازمة لتحريك إلكترون من مستوى الطاقة الأول إلى مستوى الطاقة الثاني يجب أن يساوي eV 10 تقريبا، وهذا يساوي الطاقة المطلوبة. وزارة التعليم Minist523ducation 2023-1445

مسائل تدريبية 1. احسب طاقة المستويات الثاني والثالث والرابع، لذرة الهيدروجين. 2. احسب فرق الطاقة بين مستوى الطاقة ومستوى الطاقة E في ذرة الهيدروجين. 3. احسب فرق الطاقة بين مستوى الطاقة . ومستوى الطاقة E في ذرة الهيدروجين. h²n² 4 النص الآتي يمثل حل المعادلة : Arkma = عندما 1 = n ، فإن نصف القطر يكون هو الأصغر لمستويات ذرة الهيدروجين. لاحظ أنه - ماعدا n - فإن كل المعطيات الأخرى في المعادلة ثابتة وقيمة 1 تساوي m 10 × 5.3 أو nm .0.053. استخدم هذه المعلومات في حساب أنصاف أقطار مستويات الطاقة الثاني والثالث والرابع في ذرة الهيدروجين. 5. قطر نواة ذرة الهيدروجين 15-10×2.5، والمسافة بين النواة والإلكترون الأول m 100×5 تقريبا. إذا استخدمت كرة قطرها 7.5cm لتمثل النواة، فكم يكون بعد الإلكترون؟ مثـ ال 2 تردد وطول موجة الفوتونات المنبعثة ينتقل إلكترون ذرة هيدروجين مثارة من مستوى الطاقة الثاني 2 = n إلى مستوى الطاقة الأول 1 = n. احسب الطاقة والطول الموجي للفوتون المنبعث. استخدم قيم E و E من المسألة 1. تحليل المسألة ورسمها . ارسم رسما توضيحيا لمستويات الطاقة E و E. . وضح اتجاه تزايد الطاقة، ووضح انبعاث الفوتون في الرسم. المعلوم المجهول مستوى الطاقة E = - 13.6 eV التردد، f = ؟ مستوى الطاقة E = 3.40 eV الطول الموجي، ۸ = ؟ فرق الطاقة AE =؟ إيجاد الكمية المجهولة E -3.40 eV Love Epi E₁ 13.6 eV دليل الرياضيات فصل المتغير. درة طاقة الفوتون المنبعث تساوي AE فرق الطاقة بين مستوى الطاقة الثاني للذرة, ومستوى الطاقة الأول لها .. AE = E-E = E-E₁₂ وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 =-13.6 eV(-3.40 eV) =-10.2 eV لذا فإن AE = hf = ۸ لذا فإن c = f ΔΕ C (AERO 1240V. nm 10.2 eV hc ΔΕ = 122 nm بالتعويض EE ، E = E بالتعويض 3.40 = E, = -13.6 eV E لحساب الطول الموجي للفوتون، استخدم المعادلات الآتية: حل معادلة الفوتون بالنسبة إلى التردد حل معادلة الطول الموجي التردد بالنسبة إلى الطول الموجي بالتعويض 4 =f بالتعويض 10.2 = hc = 1240eV.nm ،AE 524

تقويم الجواب . هل الوحدات صحيحة ؟ تقاس الطاقة بوحدة الإلكترون فولت البادئة نانو تعدّل إلى وحدة متر، وهي وحدة القياس الأساسية في النظام .SI والتي تمثل الوحدة الصحيحة للطول الموجي • هل الإشارة صحيحة ؟ تنتج الطاقة عندما تبعث الذرة فوتونا خلال عملية الانتقال من مستوى الطاقة الثاني إلى مستوى الطاقة الأول، ولذلك فإن فرق الطاقة سالب • هل الجواب منطقي؟ الطاقة الناتجة عن عملية الانتقال تنتج ضوءًا في مدى الأشعة فوق البنفسجية، وهو أقل من .400 nm مسائل تدريبية 6. أوجد الطول الموجي للضوء المنبعث في المسائل 2 و 3. أي الخطوط في الشكل 48 ترتبط مع كل عملية انتقال؟ 7. في عملية انتقال محدد، تسقط طاقة ذرة الزئبق من مستوى طاقة 8.82 إلى مستوى طاقة eV 6.67. a ما مقدار طاقة الفوتون المنبعث من ذرة الزئبق ؟ . ما مقدار الطول الموجي للفوتون المنبعث من ذرة الزئبق ؟ 8. انبعث فوتون طوله الموجي nm 304 من أيون الهيليوم، فإذا كانت طاقة أيون الهيليوم في حالة الاستقرار eV 54.4-، فما مقدار طاقة الإثارة؟ . مسألة تحفيز على الرغم من أن نموذج بور للذرة يفسر بدقة سلوك ذرة الهيدروجين، إلا أنه لم يكن قادرًا على تفسير سلوك أي ذرة أخرى. تحقق من جوانب القصور في نموذج بور؛ وذلك بتحليل انتقال إلكترون في ذرة النيون. فخلافًا لذرة الهيدروجين فإن لذرة النيون عشرة إلكترونات، وأحد هذه الإلكترونات ينتقل بين مستوى الطاقة 5 = n ومستوى الطاقة 3 = n، باعثا فوتونا في هذه العملية. 1. اعتبر أنه يمكن معاملة إلكترون ذرة النيون كإلكترون في ذرة الهيدروجين، فما طاقة الفوتون التي يتوقعها نموذج بور؟ 2. اعتبر أنه يمكن معاملة إلكترون ذرة النيون كإلكترون في ذرة الهيدروجين، فما الطول الموجي الذي يتنبأ به نموذج بور؟ 3. الطول الموجي الحقيقي للفوتون المنبعث خلال عملية الانتقال 632.8nm، ما نسبة الخطأ المئوي لتنبؤ نموذج بور للطول الموجي للفوتون؟ Egn =5 E₁ n=4 En =3 A= 632.8nm En =2 E₁ n=1 وزارة التعليم Minist525ducation 2023-1445

يعد نموذج بور الأساس الذي مكن العلماء من فهم تركيب الذرة. بالإضافة إلى حساب طيف الانبعاث كان بور وطلبته قادرين على حساب طاقة التأين لذرة الهيدروجين. وطاقة تأين الذرة هي الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون بصورة كاملة من الذرة تتفق مع قيمة التأين التي تم حسابها بصورة كبيرة مع النتائج العملية. وقدم نموذج بور أيضا توضيحًا لبعض الخصائص الكيميائية للعناصر. إن الفكرة التي تبين أن للذرات ترتيبات فاز نيلز بور بجائزة نوبل في الفيزياء إلكترونية خاصة بكل عنصر تعد الأساس لمعظم معرفتنا بالتفاعلات والروابط الكيميائية. العام 1921م، لمساهمته في صياغة وقد تم تخليد إنجازات العالم نيلز بور في إصدار بعض الطوابع البريدية. تركيب الذرة. 4-1 مراجعة 9. نموذج راذرفورد النووي: لخص تركيب الذرة بناء 14 نموذج بور تم الكشف عن تحوّل ذرة الهيدروجين من مستوى الطاقة 101 إلى مستوى الطاقة 100 ما مقدار الطول الموجي للإشعاع ؟ أين يقع هذا الانبعاث في الطيف الكهرومغناطيسي ؟ على نموذج راذرفورد النووي. 10. الأطياف فيم تختلف أطياف الانبعاث الذرية للمواد الصلبة المتوهجة والغازات، وفيم تتشابه ؟ 11 نموذج بور: فسّر كيف تحفظ الطاقة عندما تمتص ذرة 15. التفكير الناقد نصف قطر نواة ذرة الهيدروجين فوتون الضوء؟ 12. نصف قطر المستوى: يسلك أيون الهيليوم سلوك ذرة الهيدروجين ونصف قطر مستوى طاقة الأيون الأدنى يساوى 0.0265nm اعتمادًا على نموذج بور، ما مقدار نصف قطر مستوى الطاقة الثاني؟ 13. طيف الامتصاص : وضح كيفية حساب طيف الامتصاص لغاز ما، وضح أسباب ظهور الطيف. m 10-15×1.5 تقريبا. إذا كنت راغبا في بناء نموذج لذرة الهيدروجين باستخدام كرة بلاستيك r = 5cm لتمثل النواة فأين تضع إلكترونا في مستوى 1 = n؟ هل يكون موقعه في غرفة صفك؟ 526 وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445