من الشائع عدم وجود توافق بين الكيمياء التقليدية ونظريتها الكمومية و كمثال على ذلك سنتكلم عن عدد الكم المغزلي، ومن أجل أن نفهم هذا العدد الكمي بشكل جيد يجب أن نفهم بنية الذرة وترتيب الإلكترونات داخلها، حيث يصف نموذج بور المبسط للذرة (Smpileified Pohr Model) الإلكترونات كما لو كانت كواكب تدور حول كتلة مركزية هي النواة، بالواقع تعمل الإلكترونات كغيوم منتشرة حول النواة ويمكن أن تأخذ أنماطاً مدارية مختلفة وذلك لأن هذه الإلكترونات تشغل حالات طاقة محددة كماً (منفصلة).

تملأ هذه الإلكترونات المدارات بشكل منفرد في البداية ثم يتم إقرانها بحيث يحتوي كل مدار على إلكترونين كحد أقصى ، يتم وصف كل إلكترون داخل الذرة بأربعة أرقام كمية تخبرنا عن حالة هذا الإلكترون وهذه الأرقام الكمومية هي: العدد الكمي الرئيسيn  والعدد الكمي الثانوي (المداري)I والعدد الكمي المغناطيسيm والعدد الكمي المغزليn، وترتبط هذه الأرقام الكمية مع بعضها بطرق مختلفة.

يحدد العدد الكمي الرئيسي مستوى الطاقة الرئيسي في الذرة وهو عدد صحيح يحدد المدار الذي يشغله الإلكترون(بعد الإلكترون عن النواة)، أما العدد الكمي المداري فيمكن أن يتخذ القيم التالية (من صفر إلى n-1) وهو يحدد عدد مستويات الطاقة الفرعية في كل مستوى طاقة رئيسي في الذرة، بينما العدد الكمي المغناطيسي يحدد اتجاه العزم المغناطيسي لمدار الإلكترون ويعتمد على قيمة عدد الكم المداري.

وأخيرًا وصلنا إلى عدد الكم المغزلي الذي يحدد جهة دوران الإلكترون (مع عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة)، تحدد الأعداد الكمية الثلاثة الأولى مدار الإلكترون ولكن يلزم لوصف الإلكترون في ذرة متعددة الإلكترونات عدد كمي إضافي هو العدد الكمي المغزلي و بمعنى آخر فإن أي إلكترونين يوجدان في مدار واحد يكون لهما جهتا دوران مختلفتان والقيمتان المحتملتان لعدد الكم المغزلي للإلكترون وهما s=+1/2  و s=_1/2

عدد الكم المغزلي

يمكننا تعريف الرقم الكمي المغزلي بأنه العدد الكمي الذي يصف اتجاه العزم الزاوي الداخلي لجسيم أولي كالإلكترون، ويرمز له ب(S  (spin وهو خاصية جوهرية للجسيم الأولي، وتختلف قيمة هذا الرقم باختلاف الجسيم الأولي فعلى سبيل المثال: الإلكترونات لها عدد كم مغزلي يساوي  1/2 ( h/2 بدقة) بينما يكون في الفوتونات يساوي 1(h بدقة).

تدور الإلكترونات حول نفسها وحول نواة الذرة بنفس الوقت مما يخلق عزمان زاويان مختلفان هما العزم الزاوي المداري (ناتج عن دوران الإلكترون حول النواة) والعزم الزاوي المغزلي (ناتج عن دوران الإلكترون حول نفسه)، حيث يمكن للعزم المغزلي للإلكترون اتخاذ اتجاهين فقط أحدهما علوياً والآخر سفلياً، ويكون  العزم الزاوي الكلي ناجم عن مجموع العزم الزاوي المداري والعزم الزاوي المغزلي، ومن وجهة نظر الكيمياء التقليدية فأن دوران الإلكترون المغزلي حول محوره ينشأ عنه حقل مغناطيسي ولذلك ينشأ حقلان مغناطيسان بجهتين مختلفتين في المدار الذري الذي يحتوي على الكترونين، وهذا ما يمنع تنافر الالكترونات الموجودة في ذري واحد.

أكمل القراءة

عدد الكم المغزلي

طرحت فكرة مستويات الطاقة والترميز من نموذج بور السابق للذرة “Simplified  Pohr Model” الذي توسع في تفسير بنية الذرة وترتيب إلكتروناته،ا وكان صاحب الوصف المميز بأن الذرة بمداراتها الطاقية لا تشابه سوى الكواكب التي تدور حول الشمس باعتبار أن الشمس هي نواة الذرة، لاحقًا طورت معادلة شرودنجر هذا المفهوم من ذرة بور المسطحة ثنائية الأبعاد إلى نموذج ثلاثي الأبعاد لحركة الموجة وكانت بداية التعمق في دراسة المدرات الطاقية للذرات.

يطلق على مجموعة الأرقام التي تستخدم لوصف موقع وطاقة الإلكترون في الذرة باسم الأرقام الكمية” Quantum numbers” كما يطلق على أي عدد ذو قيمة تكاملية أو نصف تكاملية تحدد حالة النظام المادي للذرة بالعدد الكمي. توجد أربعة أرقام كمومية بالمجمل في الفيزياء والكيمياء التطبيقية وهي عدد الكم الأساسي الذي يرمز له “n” والمغناطيسي “Magnetic” والمغزلي “Spin” والمداري “Angular”، تعطي هذه الأعداد الكمية قيمًا للكميات المحفوظة، كما أنها توفر حلًا مقبولًا من خلال معادلة شرودنجر الموجية لذرة الهيدروجين. وتشير الأرقام الكمومية عمومًا إلى الخصائص المنفصلة الكمية مثل الطاقة والشحنة، ورقم الباريون، كما تستخدم لوصف مسار وحركة الإلكترونات في الذرة؛ ومن المهم أن تتوافق الأرقام الكمومية لجميع الإلكترونات في الذرة الواحدة.

يعد الرقم الكمي الرئيسي “Principal Quantum Number” أولى الأعداد التي اكتشفت وهو يشير إلى عدد الإلكترونات المحصورة في الذرة وإلى حالة الطاقة واحتمال العثور على الإلكترونات على مسافات مختلفة من النواة، تزداد الطاقة بازدياد الرقم الكمي الأساسي وعندها ستزداد مسافة بعد الإلكترون عن النواة.

أما بالنسبة للعدد الكمي المغزلي، فهو يعبر عن الزخم الزاوي للإلكترون وتقدر واحدته الميللي ثانية. وتأتي أهميته بأنه يحدد جهة دوران الإلكترون حول محور له زخم زاوي مداري محدد فهو يحدد إما دورانه مع عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة أي إما يأخذ العدد الكمي إحدى القيمتين المحتملتين “s=  +1/2” أو “s= _1/2″، نستطيع أن نقول أن لكل ذرة عزمين هما العزم الزاوي المداري والعزم الزاوي المغزلي، ولكي تستقر الذرة في حالة من التوازن على العزمين أن يكونا متساويين ومتعاكسين بالاتجاه حيث يتخذ إحدى هذين العزمين اتجاهًا علويًا بينما يتجه الآخر نحو الأسفل؛ والأمر نفسه ينطبق على مدارات الإلكترونات، كما نعلم أن لكل إلكترون عدة مدارات وفي كل مدار عدد مزدوج من الإلكترونات، تملأ الإلكترونات مدارتها بشكل فردي بداية ومن ثم عند انشغال كامل المواقع الفردية تبدأ الإلكترونات بالتزاوج، على كل إلكترونين موجودين في نفس المدار أن يكون لهما اتجاهي دوران متعاكسين وقيمتان متساويتان من العدد الكمي المغزلي، بمعنى آخر يساعدنا العدد الكمي المغزلي في دراسة وضع كل إلكترون موجود في أي ذرة متعددة الإلكترونات.

هذه القوانين والتفسيرات مثال للتفسير السهل الممتنع، فهو قمة في الدقة حتى أننا لا نستطيع إيجاد أي ثغرة في النظام الذري بكل مكوناته التي تتضافر من أجل تحقيق حالة التوازن الذرية والتي بها يستمر الكون.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هو عدد الكم المغزلي"؟