نصف القطر الذري

نصف قطر الذرة هو مقياس لحجم ذرة العنصر الكيميائي ، وعادةً ما يكون متوسط ​​المسافة أو المسافة النموذجية من مركز النواة إلى الإلكترون الخارجي المعزول . ولأن حدود الذرة ليست كيانًا فيزيائيًا محددًا بدقة، توجد تعريفات متعددة وغير متكافئة لنصف قطر الذرة. من بين التعريفات الخمسة الشائعة الاستخدام لنصف قطر الذرة: نصف القطر التساهمي ، ونصف قطر فان دير فالس ، ونصف قطر الشحنة ، ونصف القطر الأيوني ، ونصف القطر المعدني . عادةً، ونظرًا لصعوبة عزل الذرات لقياس أنصاف أقطارها بشكل منفصل، يُقاس نصف قطر الذرة في حالة ارتباط كيميائي؛ إلا أن الحسابات النظرية تكون أبسط عند دراسة الذرات منفردة. وتؤدي العوامل البيئية، والمسبار، والحالة إلى تعدد التعريفات.

بحسب التعريف، قد ينطبق المصطلح على الذرات في المادة المكثفة ، أو المرتبطة تساهميًا في الجزيئات ، أو في حالات التأين والإثارة ؛ ويمكن الحصول على قيمته من خلال القياسات التجريبية، أو حسابها من النماذج النظرية. وقد تعتمد قيمة نصف القطر على حالة الذرة وسياقها. ^{[ 1 ]}

لا تمتلك الإلكترونات مدارات محددة ولا نطاقات دقيقة. بل يجب وصف مواقعها بتوزيعات احتمالية تتناقص تدريجيًا كلما ابتعدنا عن النواة، دون انقطاع حاد؛ وتُعرف هذه التوزيعات بالمدارات الذرية أو السحب الإلكترونية. علاوة على ذلك، في المواد المكثفة والجزيئات، تتداخل السحب الإلكترونية للذرات عادةً إلى حد ما، وقد تتجول بعض الإلكترونات في منطقة واسعة تشمل ذرتين أو أكثر.

بحسب معظم التعريفات، يتراوح نصف قطر الذرات المتعادلة المعزولة بين 30 و300 بيكومتر ( جزء من تريليون من المتر)، أو بين 0.3 و3 أنغستروم . وبالتالي، فإن نصف قطر الذرة يزيد عن 10000 ضعف نصف قطر نواتها (1-10 فيمتومتر )، ^{[ 2 ]} ويقل عن 1/1000 من طول موجة الضوء المرئي (400-700 نانومتر ).

لأغراض عديدة، يمكن نمذجة الذرات على أنها كرات. هذا مجرد تقريب بسيط، ولكنه يمكن أن يوفر تفسيرات وتنبؤات كمية للعديد من الظواهر، مثل كثافة السوائل والمواد الصلبة، وانتشار السوائل عبر المناخل الجزيئية ، وترتيب الذرات والأيونات في البلورات ، وحجم وشكل الجزيئات .

كان يوهان كريسوستوم ماغنينوس أول من قدّر نصف قطر الذرة عام 1646. كان يحضر القداس ولاحظ رائحة البخور تفوح في الكنيسة. عرف حجم البخور وقدّر حجم الكنيسة. افترض أنه يستطيع استشعار البخور إذا وُضعت ذرة واحدة في كل منخر. ^{[ 3 ]} كما افترض أن البخور موزع بالتساوي في جميع أنحاء الكنيسة. بناءً على هذه الافتراضات، استطاع تقدير حجم الذرة بحوالي 10 أس -24 مترًا مكعبًا. (تم تحويل الوحدات التي استخدمها إلى النظام المتري لتسهيل المقارنة مع التقديرات اللاحقة). بأخذ الجذر التكعيبي، نحصل على تقدير لنصف قطر الذرة بحوالي 10 أس -8 أمتار. هذا أكبر قليلًا من التقديرات الحالية، ولكنه دقيق جدًا بالنظر إلى الافتراضات المستخدمة في الحساب. نُشرت هذه الحسابات في كتابه "ديموقريطس المُحيي أو عن الذرات" .

سبق مفهوم نصف القطر الذري في القرن التاسع عشر مفهوم الحجم الذري، وهو مقياس نسبي لحجم الفراغ الذي تشغله الذرة في المتوسط ​​داخل مادة صلبة أو سائلة معينة. ^{[ 4 ]} وبحلول نهاية القرن، استُخدم هذا المصطلح أيضًا بمعنى مطلق، كحجم مولاري مقسوم على ثابت أفوجادرو . ^{[ 5 ]} يختلف هذا الحجم باختلاف الأشكال البلورية حتى لنفس المركب، ^{[ 6 ]} لكن الفيزيائيين استخدموه لتقديرات تقريبية لحجم الذرة، حيث حصلوا على قيم تتراوح بين 10⁻⁸ ^{و10⁻⁷ سم} للنحاس . ^{[ 7 ]}

أُجريت أولى التقديرات لحجم الذرة على يد علماء البصريات في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، ولا سيما كوشي [ ^{8 ] [ 9 ]،} الذي طور نماذج لتشتت الضوء بافتراض ^وجود شبكة من "الجزيئات" المتصلة. ^{[ 10 ]} وفي عام 1857، طور كلاوزيوس نموذجًا حركيًا للغازات تضمن معادلة متوسط ​​المسار الحر . وفي سبعينيات القرن التاسع عشر، استُخدم هذا النموذج لتقدير أحجام جزيئات الغاز، بالإضافة إلى المقارنة المذكورة سابقًا مع طول موجة الضوء المرئي ، وتقدير من سُمك غشاء فقاعة الصابون الذي تتضاءل عنده قوة انقباضها بسرعة. ^{[ 11 ]} وبحلول عام 1900، بلغ متوسط ​​قطر ذرة الزئبق حوالي 275 ± 20 بيكومتر ^{[ 8 ]} (وتشير التقديرات الحديثة إلى 300 ± 10 بيكومتر، انظر أدناه).

في عام 1920، بعد فترة وجيزة من إمكانية تحديد أحجام الذرات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية ، اقتُرح أن جميع ذرات العنصر نفسه لها نفس نصف القطر. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، في عام 1923، عندما توفرت بيانات بلورية أكثر، وُجد أن تقريب الذرة على أنها كرة لا يصح بالضرورة عند مقارنة الذرة نفسها في هياكل بلورية مختلفة. ^{[ 13 ]}

تشمل التعريفات الشائعة الاستخدام لنصف القطر الذري ما يلي:

• نصف قطر فان دير فالس : في أبسط تعريف، هو نصف أقصر مسافة بين نواتي ذرتين من العنصر غير مرتبطتين بروابط تساهمية أو فلزية. ^{[ 14 ]} يمكن تعريف نصف قطر فان دير فالس حتى للعناصر (مثل الفلزات) التي تهيمن فيها تفاعلات أخرى على قوى فان دير فالس. ولأن تفاعلات فان دير فالس تنشأ من خلال تقلبات كمومية في استقطاب الذرة ، يمكن استخدام الاستقطابية (التي يسهل قياسها أو حسابها عادةً) لتعريف نصف قطر فان دير فالس بشكل غير مباشر. ^{[ 15 ]}

• نصف القطر الأيوني : هو نصف القطر الاسمي لأيونات عنصر ما في حالة تأين محددة، ويُستنتج من المسافة بين نوى الذرات في الأملاح البلورية التي تحتوي على هذا الأيون. من حيث المبدأ، يجب أن تساوي المسافة بين أيونين متجاورين متضادين الشحنة (طول الرابطة الأيونية بينهما ) مجموع نصفي قطريهما الأيونيين. ^{[ 14 ]}
• نصف القطر التساهمي : هو نصف القطر الاسمي لذرات عنصر ما عندما ترتبط تساهميًا بذرات أخرى، ويُستنتج من المسافة بين أنوية الذرات في الجزيئات. من حيث المبدأ، يجب أن تساوي المسافة بين ذرتين مرتبطتين ببعضهما في جزيء واحد (طول تلك الرابطة التساهمية) مجموع نصفي قطريهما التساهميين. ^{[ 14 ]}
• نصف القطر المعدني : نصف القطر الاسمي لذرات عنصر ما عند ارتباطها بذرات أخرى بروابط معدنية. ^{[ 16 ]}
• نصف قطر بور : هو نصف قطر مدار الإلكترون ذي الطاقة الأدنى، كما تنبأ به نموذج بور للذرة (1913). ^{[ 17 ] [ 18 ]} وهو ينطبق فقط على الذرات والأيونات التي تحتوي على إلكترون واحد ، مثل الهيدروجين والهيليوم أحادي التأين والبوزيترونيوم . على الرغم من أن النموذج نفسه أصبح الآن قديمًا، إلا أن نصف قطر بور لذرة الهيدروجين لا يزال يُعتبر ثابتًا فيزيائيًا مهمًا، لأنه يُعادل المسافة الأكثر احتمالًا للإلكترون من النواة، وفقًا لميكانيكا الكم.

يُبيّن الجدول التالي أنصاف الأقطار التساهمية المقاسة تجريبياً للعناصر، كما نشرها جيه سي سلاتر عام 1964. ^{[ 19 ]} القيم مُقاسة بالبيكومتر (pm أو 1×10⁻¹² ^{م )، بدقة تبلغ حوالي 5 بيكومتر}  . يتدرج لون المربع من الأحمر إلى الأصفر مع ازدياد نصف القطر؛ ويشير اللون الرمادي إلى عدم توفر البيانات.

تملأ الإلكترونات في الذرات أغلفة الإلكترونات من أدنى مستوى طاقة متاح. ونتيجةً لمبدأ أوفباو ، تبدأ كل دورة جديدة بأول عنصرين يشغلان المدار s التالي غير المشغول . ولأن إلكترونات المدار s في الذرة عادةً ما تكون الأبعد عن النواة، ينتج عن ذلك زيادة ملحوظة في نصف القطر الذري مع أول عنصرين في كل دورة.

يقل نصف قطر الذرة لكل عنصر عمومًا عبر كل دورة نتيجةً لزيادة عدد البروتونات، إذ أن زيادة عدد البروتونات تزيد من قوة التجاذب المؤثرة على إلكترونات الذرة. هذا التجاذب المتزايد يجذب الإلكترونات أقرب إلى البروتونات، مما يقلل من حجم الذرة. ويزداد نصف قطر الذرة عادةً كلما اتجهنا لأسفل كل مجموعة، وذلك لوجود مستويات طاقة إلكترونية مشغولة أكثر ، وبالتالي مسافة أكبر بين البروتونات والإلكترونات.

يُعادل ازدياد الشحنة النووية جزئيًا ازدياد عدد الإلكترونات - وهي ظاهرة تُعرف بالحجب الإلكتروني - مما يُفسر سبب ازدياد حجم الذرات عادةً كلما اتجهنا لأسفل كل مجموعة، على الرغم من ازدياد قوة الجذب من النواة. يُؤدي الحجب الإلكتروني إلى انخفاض قوة جذب نواة الذرة لإلكتروناتها، وبالتالي فإن الإلكترونات التي تشغل مستويات طاقة أعلى وأبعد عن النواة تتعرض لقوة جذب أقل، مما يزيد من حجم الذرة. مع ذلك، فإن عناصر المجموعة 5d (من اللوتيتيوم إلى الزئبق ) أصغر بكثير مما يُتوقع وفقًا لهذا الاتجاه، وذلك بسبب ضعف الحجب الذي يُوفره الغلاف الفرعي 4f. تُعرف هذه الظاهرة بانكماش اللانثانيدات . توجد ظاهرة مماثلة للأكتينيدات ؛ إلا أن عدم استقرار العناصر العابرة لليورانيوم يجعل قياسات ما تبقى من المجموعة 5f صعبة، وقياسات ما بعد الأكتينيدات شبه مستحيلة. أخيرًا، بالنسبة للعناصر الثقيلة بما فيه الكفاية، قد ينخفض ​​نصف القطر الذري بفعل التأثيرات النسبية . ^{[ 20 ]} هذا نتيجة لتحرك الإلكترونات القريبة من النواة المشحونة بشدة بسرعة كافية من سرعة الضوء لاكتساب كمية غير تافهة من الكتلة.

يلخص الجدول التالي الظواهر الرئيسية التي تؤثر على نصف قطر ذرة العنصر:

يوضح الجدول التالي أنصاف الأقطار الذرية المحسوبة من النماذج النظرية، كما نشرها إنريكو كليمنتي وآخرون في عام 1967. ^{[ 22 ]} القيم بالبيكومتر (pm).

• نصف قطر ذرات العناصر (صفحة البيانات)
• رابطة كيميائية
• نصف القطر التساهمي
• طول الرابطة
• الإعاقة الفراغية
• القطر الحركي