إلكترون النواة

الإلكترونات الداخلية هي الإلكترونات الموجودة في الذرة والتي ليست إلكترونات تكافؤ ولا تشارك بشكل مباشر في الروابط الكيميائية . ^{[ 1 ]} تشكل النواة والإلكترونات الداخلية للذرة النواة الذرية. ترتبط الإلكترونات الداخلية بالنواة ارتباطًا وثيقًا. لذلك، وعلى عكس إلكترونات التكافؤ، تلعب الإلكترونات الداخلية دورًا ثانويًا في الروابط والتفاعلات الكيميائية من خلال حجب الشحنة الموجبة للنواة الذرية عن إلكترونات التكافؤ. ^{[ 2 ]}

يمكن تحديد عدد إلكترونات التكافؤ لعنصر ما من خلال مجموعة الجدول الدوري لهذا العنصر (انظر إلكترون التكافؤ ):

• بالنسبة لعناصر المجموعة الرئيسية ، يتراوح عدد إلكترونات التكافؤ من 1 إلى 8 ( المدارات n s و n p).
• بالنسبة للمعادن الانتقالية ، يتراوح عدد إلكترونات التكافؤ من 3 إلى 12 ( مدارات n s و ( n −1)d).
• بالنسبة لللانثانيدات والأكتينيدات ، يتراوح عدد إلكترونات التكافؤ من 3 إلى 16 ( مدارات n s، ( n −2)f و( n −1)d).

تُعتبر جميع الإلكترونات الأخرى غير الإلكترونات التكافؤية لذرة ذلك العنصر إلكترونات أساسية.

يمكن وصف تفسير أكثر تعقيدًا للاختلاف بين إلكترونات النواة وإلكترونات التكافؤ باستخدام نظرية المدارات الذرية.

في الذرات أحادية الإلكترون، تُحدد طاقة المدار حصريًا بواسطة العدد الكمي الرئيسي n . يمتلك المدار n = 1 أدنى طاقة ممكنة في الذرة. أما مع ازدياد قيمة n ، فتزداد الطاقة بشكل كبير لدرجة أن الإلكترون يستطيع الهروب بسهولة من الذرة. في الذرات أحادية الإلكترون، تكون جميع مستويات الطاقة التي لها نفس العدد الكمي الرئيسي متساوية في الطاقة.

في الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون، لا تعتمد طاقة الإلكترون على خصائص المدار الذي يشغله فحسب، بل تعتمد أيضًا على تفاعلاته مع الإلكترونات الأخرى في المدارات الأخرى. وهذا يتطلب مراعاة العدد الكمي ℓ . ترتبط القيم الأعلى لـ ℓ بقيم طاقة أعلى؛ على سبيل المثال، مستوى الطاقة 2p أعلى من مستوى الطاقة 2s. عندما يكون ℓ = 2، تصبح الزيادة في طاقة المدار كبيرة بما يكفي لرفع طاقة المدار فوق طاقة مدار s في الغلاف الأعلى التالي؛ وعندما يكون ℓ = 3، ترتفع الطاقة إلى الغلاف الأعلى بخطوتين. لا يكتمل ملء مدارات 3d إلا بعد اكتمال ملء مدارات 4s.

يعود ازدياد طاقة المدارات الفرعية ذات الزخم الزاوي المتزايد في الذرات الأكبر حجمًا إلى تأثيرات التفاعل بين الإلكترونات، ويرتبط هذا تحديدًا بقدرة الإلكترونات ذات الزخم الزاوي المنخفض على اختراق النواة بفعالية أكبر، حيث تتعرض لحجب أقل من شحنة الإلكترونات المتداخلة. وبالتالي، في الذرات ذات العدد الذري الأعلى ، يصبح الزخم الزاوي (ℓ) للإلكترونات عاملًا حاسمًا في تحديد طاقتها، بينما تتضاءل أهمية الأعداد الكمية الرئيسية (n) للإلكترونات في تحديد مستوى طاقتها. يُبين الجدول التالي [غير معروض] تسلسل طاقة المدارات الفرعية الخمسة والثلاثين الأولى (مثل 1s، 2s، 2p، 3s، إلخ). تمثل كل خلية مدارًا فرعيًا، حيث يُحدد رقم الصف ورقم العمود فيه على التوالي. يشير الرقم الموجود في الخلية إلى موقع المدار الفرعي في التسلسل. انظر الجدول الدوري أدناه، مُرتبًا حسب المدارات الفرعية.

يشير لب الذرة إلى الجزء المركزي منها باستثناء إلكترونات التكافؤ. ^{[ 3 ]} يحمل لب الذرة شحنة كهربائية موجبة تُسمى شحنة اللب ، وهي الشحنة النووية الفعالة التي يتعرض لها إلكترون من إلكترونات الغلاف الخارجي . بعبارة أخرى، تُعبّر شحنة اللب عن قوة الجذب التي تُؤثر بها إلكترونات التكافؤ على لب الذرة ، مع الأخذ في الاعتبار تأثير حجب إلكترونات اللب . يُمكن حساب شحنة اللب بطرح عدد إلكترونات اللب ، والتي تُسمى أيضًا إلكترونات الغلاف الداخلي، من عدد البروتونات في النواة ، وتكون دائمًا قيمة موجبة في الذرات المتعادلة.

كتلة النواة تقارب كتلة الذرة. ويمكن اعتبار النواة الذرية متناظرة كرويًا بدقة كافية. نصف قطر النواة أصغر بثلاث مرات على الأقل من نصف قطر الذرة المقابلة (إذا حسبنا أنصاف الأقطار بنفس الطرق). بالنسبة للذرات الثقيلة، يزداد نصف قطر النواة قليلًا مع ازدياد عدد الإلكترونات. نصف قطر نواة أثقل عنصر موجود في الطبيعة - اليورانيوم - يُقارن بنصف قطر ذرة الليثيوم، على الرغم من أن الأخيرة تحتوي على ثلاثة إلكترونات فقط.

لا تستطيع الطرق الكيميائية فصل إلكترونات النواة عن الذرة. وعند تأيينها بواسطة اللهب أو الأشعة فوق البنفسجية ، تبقى نوى الذرات سليمة في الغالب.

تُعدّ الشحنة الداخلية طريقةً ملائمةً لشرح الاتجاهات في الجدول الدوري. ^{[ 4 ]} بما أن الشحنة الداخلية تزداد كلما انتقلنا عبر صف في الجدول الدوري ، فإن إلكترونات الغلاف الخارجي تُجذب بقوة متزايدة نحو النواة، ويقل نصف القطر الذري . يمكن استخدام هذا لتفسير عدد من الاتجاهات الدورية ، مثل نصف القطر الذري، وطاقة التأين الأولى ، والكهرسلبية ، وقوى التأكسد .

^{يمكن أيضًا حساب الشحنة} الأساسية بطرح عدد الإلكترونات من عدد الإلكترونات في الغلاف الخارجي. على سبيل المثال، الكلور ^{(العنصر رقم 17)، ذو التوزيع الإلكتروني 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵} ، يحتوي على 17 ^{بروتونًا و} 10 ^{إلكترونات} في الغلاف الداخلي (إلكترونان في الغلاف الأول، و8 إلكترونات في الغلاف الثاني).

الشحنة الأساسية = 17 - 10 = +7

الشحنة الأساسية هي الشحنة الصافية للنواة، مع الأخذ في الاعتبار أن أغلفة الإلكترونات المكتملة تعمل كـ "درع". ومع زيادة الشحنة الأساسية، تنجذب إلكترونات التكافؤ بقوة أكبر إلى النواة، ويقل نصف القطر الذري عبر الدورة.

بالنسبة للعناصر ذات العدد الذري العالي (Z) ، يمكن ملاحظة تأثيرات نسبية على إلكترونات النواة. تصل سرعات إلكترونات s إلى الزخم النسبي، مما يؤدي إلى انكماش مدارات 6s مقارنةً بمدارات 5d. تشمل الخصائص الفيزيائية المتأثرة بهذه التأثيرات النسبية انخفاض درجة انصهار الزئبق، واللون الذهبي الملحوظ للذهب والسيزيوم نتيجةً لضيق فجوة الطاقة. ^{[ 5 ]} يبدو الذهب أصفر اللون لأنه يمتص الضوء الأزرق أكثر من امتصاصه لأطوال الموجات المرئية الأخرى، وبالتالي يعكس ضوءًا أصفر اللون .

يمكن إزالة إلكترون من مستوى طاقته الأساسية عند امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي. يؤدي ذلك إما إلى إثارة الإلكترون إلى غلاف تكافؤ فارغ أو إلى انبعاثه كإلكترون ضوئي نتيجة للتأثير الكهروضوئي . تحتوي الذرة الناتجة على فراغ في غلاف الإلكترونات الأساسية، يُشار إليه غالبًا باسم " ثقب النواة" . يكون هذا الفراغ في حالة شبه مستقرة، ويتحلل خلال 10⁻¹⁵ ^ثانية ، مُطلقًا الطاقة الزائدة عبر تألق الأشعة السينية (كأشعة سينية مميزة ) أو عن طريق تأثير أوجيه . ^{[ 6 ]} يوفر رصد الطاقة المنبعثة من إلكترون تكافؤ ينتقل إلى مدار ذي طاقة أقل معلومات مفيدة حول البنية الإلكترونية والشبكية المحلية للمادة. على الرغم من أن هذه الطاقة تُطلق في معظم الأحيان على شكل فوتون ، إلا أنه يمكن أيضًا نقلها إلى إلكترون آخر يُقذف من الذرة. يُسمى هذا الإلكترون الثاني المقذوف بإلكترون أوجيه، وتُعرف عملية الانتقال الإلكتروني هذه مع انبعاث الإشعاع غير المباشر بتأثير أوجيه. ^{[ 7 ]}

تحتوي جميع الذرات، باستثناء الهيدروجين، على إلكترونات في مستويات الطاقة الداخلية ذات طاقات ربط محددة بدقة. ولذلك، يُمكن اختيار عنصرٍ ما لدراسته عن طريق ضبط طاقة الأشعة السينية على حافة الامتصاص المناسبة. ويمكن استخدام أطياف الإشعاع المنبعث لتحديد التركيب العنصري للمادة.

• المدار الذري
• تأثير أوجيه
• انقباض اللانثانيد
• الكيمياء الكمية النسبية
• تأثير الحماية
• انزياح مستوى اللب السطحي
• إلكترون التكافؤ