غاز الهيليوم

هيليوم من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

ليثيوم → هيليوم ← هيدروجين
↑
He
↓
Ne


2He

المظهر
غاز عديم اللون ذو وميض أرجواني في حالة التفريغ الكهربائي


الخطوط الطيفية للهيليوم
الخواص العامة

الاسم، العدد، الرمز هيليوم، 2، He
تصنيف العنصر غاز نبيل
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي 18، 1، s
الكتلة الذرية 4.0026 غ·مول−1
توزيع إلكتروني 1s2
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ 2 (صورة)
الخواص الفيزيائية
الطور غاز
الكثافة (0 °س، 101.325 كيلوباسكال)
0.1786 غ/ل
كثافة السائل عند نقطة الانصهار 0.145 غ·سم−3
نقطة الانصهار (عند 2.5 ميغاباسكال) 0.95 ك، −272.20 °س
نقطة الغليان 4.22 ك، −268.93 °س
النقطة الحرجة 5.19 ك، 0.227 ميغاباسكال
حرارة الانصهار 0.0138 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر 0.0829 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية (عند 25 °س) 20.786 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار

ض (باسكال) 1 10 100 1 كيلو 10 كيلو 100 كيلو
عند د.ح. (كلفن) 1.23 1.67 2.48 4.21

الخواص الذرية
الكهرسلبية لا بيانات (مقياس باولنغ)
طاقات التأين الأول: 2372.3 كيلوجول·مول−1
الثاني: 5250.5 كيلوجول·مول−1
نصف قطر تساهمي 28 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس 140 بيكومتر
خواص أخرى
البنية البلورية نظام بلوري سداسي مرصوص
المغناطيسية مغناطيسية معاكسة
الناقلية الحرارية 0.1513 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
سرعة الصوت 972 متر/ثانية
رقم الكاس 7440-59-7
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر الهيليوم

النظائر الوفرة الطبيعية عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال MeV ناتج الاضمحلال
3He 0.000137%* 3He هو نظير مستقر وله 1 نيوترون
4He 99.999863%* 4He هو نظير مستقر وله 2 نيوترون
*القيم حسب الوفرة في الغلاف الجوي، لكنها يمكن أن تكون غير ذلك خارجه


الهيليوم هو عنصر كيميائي له الرمز He وله العدد الذري 2. يقع الهيليوم في الجدول الدوري ضمن عناصر الدورة الأولى وعلى رأس عناصر المجموعة الثامنة عشر. في الظروف القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة فإنّ الهيليوم عبارة عن غاز عديم اللون والرائحة، غير سام وليس له مذاق. ينتمي الهيليوم إلى الغازات النبيلة لذلك فهو غاز خامل أحادي الذرة، وبسبب خموله الكيميائي لا توجد جزيئات له، فهو يوجد دائماً في صورته الذريّة. للهيليوم أقلّ درجة غليان وانصهار مقارنةً ببقيّة العناصر الكيميائيّة، وهو يوجد أغلب الأحيان في الحالة الغازيّة باستثناء ظروف خاصة جداً.

يعدّ الهيليوم ثاني أخفّ العناصر في الكون بعد الهيدروجين، كما أنه ثاني أكثر العناصر وفرةً في الكون، حيث يشكّل 24% من الكون بالنسبة لكتلة العناصر. بالنسبة لوفرته على الأرض فإن الهيليوم نادر الوجود طبيعيّاً، حيث يشكّل فقط 5.2 جزء من المليون بالنسبة للغلاف الجوي. للهيليوم عدّة نظائر لكنّ أكثر من 99% من الهيليوم على الأرض هو هيليوم-4، والذي تتألّف نواته من بروتونين ونيوترونين اثنين.

يوجد غاز الهيليوم في بعض حقول الغاز الطبيعي بنسبة تصل إلى 7% حجماً، حيث يستخرج من هناك بواسطة التقطير التجزيئي. تجدر الإشارة إلى أن مصادر الهيليوم قابلة للنفاد، حيث أنّه العنصر الوحيد الذي لديه سرعة إفلات، أي أنه عندما يطلق في الغلاف الجوي فإنه يتسرّب إلى الفضاء الخارجي.

يستخدم الهيليوم في تقنيّات التبريد العميق، وخاصة لتبريد أجهزة المغناطيس فائق الموصليّة المستخدمة في تقنيّات التصوير بالرنين المغناطيسي. كما يستفاد من الخواص الخاملة لغاز الهيليوم في استعماله كغاز واقي في اللحام القوسي وفي عمليات تصنيع رقائق السيليكون.

التاريخ
الاكتشاف وأصل التسمية

بيير جانسين

يعد الهيليوم العنصر الوحيد الذي اكتشف في الكون وذلك على الشمس قبل أن يكتشف على الأرض. حدث ذلك عندما لاحظ الفلكي بيير جانسين وجود خط أصفر لامع في طيف الإصدار للغلاف اللوني للشمس أثناء حادثة كسوف كلّي للشمس في الهند عام 1868. في ذات العام لاحظ الفلكي جوزيف نورمان لوكير نفس الخط الأصفر من الطيف الضوئي للشمس، وأسماه خط فراونهوفر D3، لأن له طول موجة مقداره 587.49 نانومتر وهو قريب من خطوط D1 و D2 للصوديوم. بعد ذلك، استنتج لوكير أن الخط الطيفي هذا سببه عنصر موجود في الشمس وغير موجود على الأرض، فأطلق عليه سويّة مع إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس ἥλιος هيليوس.

في عام 1895، استطاع العالم البريطاني وليام رامزي أن يعزل الهيليوم على الأرض، عندما قام بمعالجة معدن الكليفيت (وهو معدن مشابه لليورانينيت مع وجود حوالي 10% من العناصر الأرضية النادرة) وذلك بأحماض معدنيّة. توقع رامزي وجود الأرغون، ولكنه بعدما قام بفصل النيتروجين والأكسجين من الغازات المتحرّرة من أثر حمض الكبريتيك، لاحظ وجود خط أصفر مميّز في طيف إصدار المادّة المستخرجة، والذي يشبه خط D3 في طيف الشمس، وشخّصت هذه العيّنات على أنّها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني وليام كروكس.في تجربة منفصلة قام العالم بير تيودور كليفه مع مساعده أبراهام لانغليت بجمع عينات من غاز الهيليوم من معدن الكليفيت في جامعة أوبسالا في السويد وذلك من أجل تحديد كتلته الذريّة.

وليام رامزي
اكتشافات علميّة

في عام 1907، أظهر العالم إرنست رذرفورد مع توماس رويدز أن جسيم ألفا هو نواة الهيليوم، وذلك من خلال قيامه بالسماح لجسيمات ألفا أن تخترق جدار زجاجي رقيق لأنبوب التفريغ، مما أدّى إلى حدوث تفريغ للشحنة والذي سمح بدراسة طيف الغاز في الداخل.

سُيّل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي هايك كامرلينغ أونس عام 1908، وذلك بتبريد الغاز لأقل من درجة كلفن واحدة حاول أونس الحصول على الحالة الصلبة من الهيليوم بتخفيض درجة الحرارة، لكنه لم يتمكّن من ذلك، لأنه لا توجد للهيليوم نقطة ثلاثية يكون عندها توازن بين الحالات الثلاثة للمادة. بالرغم من ذلك، تمكّن تلميذ أونس الفيزيائي فيليم هندريك كيسوم من تصليب 1 سم3 من الهيليوم بتطبيق ضغط إضافي عند درجات حرارة منخفضة وذلك عام 1926.

في عام 1938، اكتشف الفيزيائي بيوتر كابيتسا أن النظير هيليوم-4 عديم اللزوجة تقريباً في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بالميوعة الفائقة. في عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هيليوم-3 وذلك من قبل الفيزيائيّين دوغلاس أوشيروف وديفد لي وروبرت ريتشاردسون، وحازوا بذلك جائزة نوبل في الفيزياء عام 1996.
الاستخراج والاستخدام

اكتشف وجود غاز الهيليوم مع الغاز الطبيعي في الأرض بكميات كافية للإنتاج عام 1903 أثناء التنقيب عن النفط في ديكستر في ولاية كانساس الأمريكية، حيث جمعت كمية من غاز غير قابل للاشتعال. بإجراء عملية تحليل للعيّنة في جامعة كانساس وجد أن الغاز يتألّف من 72% نيتروجين و 15% ميثان و1% هيدروجين و12% من غاز لم يتعرّف عليه حينئذ. بإجراء عملية بحث أعمق وجد هاميلتون كادي و ديفد ماكفارلاند من جامعة كانساس أن 1.84% من العيّنة عبارة عن غاز الهيليوم. أظهرت هذه الأبحاث أنّه على الرغم من ندرة وجود الهيليوم على الأرض فإنّه يتركّز تحت السهول الكبرى بكميّات كبيرة كافية كناتج ثانوي في عملية استخراج الغاز الطبيعي.

هذه الوقائع جعلت من الولايات المتحدة أكبر مزوّد للهيليوم، وجرى الاستفادة من ذلك في الحرب العالميّة الأولى في تعبئة المناطيد الحاجزة بغاز أخف من الهواء مثل الهيدروجين، لكنّه غير قابل للاشتعال. بناءً على ذلك جرى استعمال الهيليوم في تجهيز المناطيد العسكريّة. أوّل منطاد استعمل لهذا الغرض سمّي U.S. Navy's C-7 وأقلعت أول رحلة تجريبيّة له من هامبتون رودز في ولاية فيرجينيا إلى قاعدة بولينغ فيلد العسكريّة في واشنطن في الأوّل من ديسمبر عام 1921. استمرّ استخدام الهيليوم في المجال العسكري حتى الحرب العالميّة الثانيّة في عمليّات اللحام القوسي من أجل التجهيزات العسكريّة واستخدم كغاز لكشف التسريبات في عملية الانتشار الغازي أثناء تخصيب اليورانيوم لتصنيع القنبلة الذريّة في مشروع مانهاتن.
الوفرة الطبيعيّة

يشكّل الهيليوم حوالي 19% من الغلاف الغازي الخارجي لكوكب نبتون.

على الرغم من ندرته على سطح الأرض فإن الهيليوم يعدّ ثاني أكثر العناصر بعد الهيدروجين وفرة في الكون مشكّلاً 23% من كتلته الباريونيّة. تشكّلت هذه الكميّة الهائلة من الهيليوم بعد فترة قليلة من الانفجار العظيم. يتشكّل الهيليوم في النجوم نتيجة الاندماج النووي للهيدروجين في تفاعل بروتون-بروتون المتسلسل ودورة كربون-نيتروجين-أكسجين (دورة CNO)، والتي تعدّ جزءاً من تفاعلات الانصهار النجمي.

إنّ تركيز الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض يعادل 5.2 جزء في المليون، وهو يتركّز في طبقات الجو العليا من غلاف الأرض الجوي.هذا التركيز الضئيل ثابت نسبياً في الغلاف الجوّي رغم الإنتاج المستمرّ للهيليوم، ويعود ذلك إلى انفلات الغاز من الغلاف الجوّي للأرض إلى الفضاء الخارجي وذلك بعدّة آليّات مقترحة.

يدخل الهيليوم في تركيب الغلاف الغازي للعديد من الكواكب بنسب تظهر في الجدول التالي:
نبتون 19 % ± 3.2 %
أورانوس 15.2 % ± 3.3 %
المشتري 10.2 %
زحل 3.25 %
الزهرة 12 جزء في المليون
الأرض 5.2 جزء في المليون


إنّ معظم الهيليوم الموجود على الأرض هو نتيجة الاضمحلال الإشعاعي للعناصر الثقيلة نتيجة إطلاق جسيمات ألفا 2+He، والتي تتجمّع إلكتروناتها لتشكّل الهيليوم عندما تصطدم بالغلاف الصخري. لذلك يوجد الهيليوم بكميّات كبيرة نسبياً في تركيب عدّة معادن لليورانيوم والثوريوم بسبب إطلاقها لجسيمات ألفا أثناء اضمحلالها الإشعاعي مثل اليورانينيت (خاصةً الكليفيت، وهو أحد مشتقّات اليورانيتيت) والكارنوتيت والمونازيت. على هذا الأساس ينتج سنوياً حوالي 3000 طن متري من الهيليوم عبر غلاف الأرض الصخري. إنّ تركيز الهيليوم في القشرة الأرضية هو 8 جزء في البليون، وفي مياه البحار فقط حوالي 4 جزء في الترليون. توجد كمّيّات قليلة من الهيليوم في الينابيع المعدنيّة والغازات البركانيّة والأحجار النيزكيّة.

إنّ المصدر الطبيعي الأكبر للهيليوم هو وجوده في بعض آبار الغاز الطبيعي نتيجة احتباسه تحت الطبقات الصخريّة للأرض. تختلف التراكيز حسب المواقع من عدّة أجزاء في المليون إلى حوالي 7% حجماً من كميّة الغاز المستخرجة كما في حقل الغاز في مقاطعة سان خوان في نيومكسيكو.
الإنتاج

ينتج غاز الهيليوم بشكلٍ صناعي بعملية التقطير التجزيئي للغاز الطبيعي، والذي يمكن أن يوجد بنسبة تصل حتى 7% حجماً.بما أن للهيليوم نقطة غليان أقلّ من أيّ عنصر كيميائي آخر، فإنّ تطبيق درجات حرارة منخفضة عند ضغوط مرتفعة يؤدي إلى تسييل الغازات الأخرى مثل النيتروجين والميثان. بعد ذلك تجري عملية تنقية لغاز الهيليوم بالتعريض المتتالي لدرجات حرارة منخفضة بحيث يضمن عدم بقاء أي أثر لغازات أخرى. كخطوة نهائية للتنقية يستعمل الفحم المنشّط مما يعطي نقاوة تصل إلى 99.995% وتدعى بنقاوة من الدرجة A إنّ الشائبة الرئيسيّة في الهيليوم من الدرجة A هو غاز النيون. في مرحلة الإنتاج النهائيّة يسيّل الهيليوم من خلال عمليات تبريد عميقة بحيث يكون على شكل هيليوم سائل، ممّا يسهّل من عملية النقل، حيث أن حاوية نقل الهيليوم كسائل تسع أكثر بخمسة أضعاف الحجم الذي تنقله حاويات الهيليوم كغاز.

تعدّ الولايات المتّحدة الأمريكيّة أكبر منتج لغاز الهيليوم حيث أتت مرحلة كانت تنتج فيها أكثر من 90% من الاحتياج العالمي لهذا الغاز، وما تبقى تنتجه محطّات توجد في كندا وبولونيا وروسيا، بالإضافة إلى عدّة دول أخرى. إنّ معظم الهيليوم المستخرج في الولايات المتّحدة هو من حقل هيوغوتون للغاز في ولاية كانساس، بالإضافة إلى حقول أخرى في أوكلاهوما وفي حقل بانهاندل في تكساس. للهيليوم استهلاك كبير في الولايات المتّحدة، ومنذ أوائل القرن العشرين فإن للولايات المتّحدة مخزون وطني من هذه الخامة. قُدّر استهلاك الولايات المتحدة من غاز الهيليوم عام 2000 بحوالي 15 مليون كغ سنوياً. في منتصف التسعينات افتتحت محطّة جديدة لتوليد الهيليوم في مدينة أرزيو الجزائريّة لها القدرة على إنتاج 17 مليون متر مكعّب من غاز الهيليوم مما يغطّي الطلب الأوروبي من الهيليوم في السوق العالمي. وبين عامي 2004 و 2006 افتتحت محطّتان جديدتان لإنتاج الهيليوم وذلك في رأس لفان في قطر وفي مدينة سكيكدة في الجزائر. مع افتتاح محطّة سكيكدة أصبحت الجزائر ثاني منتج للهيليوم في السوق العالمي. حسب إحصاءات أجريت عام 2008، فقد استخرج حوالي 169 مليون متر مكعّب من الهيليوم من الغاز الطبيعي وذلك بنسبة 78% من الولايات المتحدة الأمريكية و10% من الجزائر ومعظم ما تبقّى تنتجه دول متعدّدة على رأسها روسيا وبولونيا وقطر.

إنّ ازدياد الطلب العالمي على الهيليوم ومحدوديّة الإنتاج أدّيا إلى ارتفاع سعر إنتاج الهيليوم في العالم، بحيث أنه بين عامي 2002 و 2007 ازداد سعر الهيليوم بمقدار الضعف. نتيجة محدوديّة موارد الهيليوم تجري حالياً استخدام تقنيّات يطبق فيها انتشار للغاز الطبيعي الخام عبر أغشية نصف نفوذة من أجل استرجاع وتنقية الهيليوم.
النظائر
لتفاصيل أكثر عن هذا الموضوع، انظر نظائر الهيليوم.

هنالك تسعة نظائر معروفة للهيليوم، اثنان منها فقط عبارة عن نظائر مستقرّة وهي هيليوم-4 4He وهيليوم-3 3He. يعدّ النظير هيليوم-4 هو النظير الطبيعي الأكثر وفرةً حيث أن 99.99986% من عنصر الهيليوم في الطبيعة هو هيليوم-4، وما تبقّى فهو هيليوم-3. إحصائيّاً هنالك ذرّة هيليوم-3 واحدة مقابل مليون ذرّة هيليوم-4. ينتج النظير هيليوم-4 في الأرض كناتح لعمليّة اضمحلال ألفا للعناصر المشعّة الأثقل حيث تنتج جسيمات ألفا، والتي هي عبارة عن نوى هيليوم مشحونة. تتميّز نواة النظير هيليوم-4 بثباتيّة عاليّة لأن نويّاتها مرتّبة بشكل كامل في غلافها النووي. إنّ الكميّات النادرة للنظير هيليوم-3 موجودة في الطبيعة منذ نشأة الأرض، بالإضافة إلى هبوط كمّيّات مصدرها من الكون، والتي كانت محتجزة ضمن الغبار الكوني، كما تنتج كمّيّات قليلة من الهيليوم-3 من اضمحلال بيتا للتريتيوم.
خواص النظائر 3He 4He
الطاقة الساكنة (ميغا إلكترون فولت) 2809 3728
الكثافة كغ/م3 0.134 0.178
درجة الحرارة الحرجة (كلفن) 3.32 5.20
نقطة لامدا (كلفن) 0.0025 2.1768
الضغط عند الانصهار (ميغا إلكترون فولت) عند 0 كلفن 3.439 2.536
نقطة الانصهار (كلفن) 3.19 4.21


إنّ تفاوت نسبة النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 في الصخور يستخدم من أجل تحديد عمر الصخور ومعرفة أصل منشأها في الغلاف الصخري للأرض. إنّ نسبة النظير هيليوم-3 3He إلى هيليوم-4 4He في الكون أعلى منها على الأرض بحوالي 100 مرّة وذلك في الوسط بين النجمي.كما أنّ وفرته في النجوم كبيرة نسبياً نتيجة الاندماج النووي. إنّ المواد الكونيّة مثل الحطام الصخري للأقمار والأحجار النيزكية تحوي أيضاً نسب من هيليوم-3، والتي اصطحبتها الرياح الشمسيّة، كما أنّ سطح القمر يحوي الهيليوم-3 بتراكيز أعلى منها على سطح الأرض.

إنّ مزيج من كمّيّتين متساويتين من 3He و 4He السائل تحت 0.8 كلفن سينفصل إلى طبقتين غير مزوجتين وذلك نتيجة لتباين الإحصاءات الكموميّة لهما، حيث أن 4He عبارة عن بوزون، في حين أنّ 3He فرميون. يستفاد من خاصة عدم امتزاج هذين النظيرين في ثلاجة التمديد، حيث يمكن استخدام هذا التطبيق للحصول على درجات حرارة بحدود بضعة ميلي كلفن.
الخواص الفيزيائيّة
الهيليوم في ميكانيكا الكم

تمثيل لذرّة الهيليوم تظهر فيه نواة ذرّة الهيليوم في المنتصف وحولها السحابة الإلكترونيّة.

من منظور ميكانيكا الكم فإنّ الهيليوم ثاني أبسط ذرّة يمكن إجراء نموذج لها بعد ذرّة الهيدروجين. يتألّف الهيليوم من نواة تتألّف من بروتونين ونيوترونين اثنين، يحيط بهما إلكترونين اثنين في مداراتها الذريّة. حسب ميكانيك نيوتن التقليدي فإنه من غير الممكن تقديم حل رياضي تحليلي لنظام يتألّف من أكثر من جسيمين اثنين، وذلك حسب معضلة الأجسام الثلاث. بناءً على ذلك، تستخدم وسائل رياضيّة عدديّة عن طريق الكيمياء الحاسوبية لوضع نموذج ميكانيكي كمّي لارتباط إلكترونات الهيليوم بالنواة. رغم بساطة نموذج النواة ظاهرياً فإن معادلات معقّدة ضروريّة لوضع محاكاة لنموذج الذرّة الحقيقي.
أطوار الهيليوم

إنّ الهيليوم في الأحوال العادية عبارة عن غاز، وعند درجات حرارة منخفضة عند نقطة انصهاره يصبح بالطور السائل. إلا أنّ الهيليوم هو العنصر الوحيد الذي لا يمكن الحصول على الطور الصلب منه تحت ظروف الضغط العادي. يجب رفع الضغط إلى قيم تصل نحو 2.5 ميغا باسكال عند درجات حرارة منخفضة جداً (أقل من 1.5 كلفن أي ما يعادل −272 °س).

يشكّل الهيليوم الصلب بلّورات ولكن لا يمكن فصل الهيليوم الصلب عن السائل بصريّاً، لأن قرينة الانكسار لهما متقاربة جداً. للهيليوم الصلب قابلية انضغاط عالية، بحيث أنه من الممكن مخبريّاً إنقاص حجمه بأكثر من 30%. تبلغ كثافة الهيليوم الصلب 0.214 ± 0.006 غ/سم3 عند 1.15 كلفن و 66 جو، والكثافة المتوقعة عند 0 كلفن وضغط قدره 25 بار هي 0.187 ± 0.009 غ/سم3.
الطور الغازي وحالة البلازما

غاز الهيليوم في أنبوب تفريغ على شكل الرمز الكيميائي للعنصر

يكون الهيليوم في في الطور الغازي في أغلب الحالات، وذلك على شكل غاز أحادي الذرة وعديم اللون والرائحة. بسبب كتلته الذرّيّة المنخفضة فإنّ للهيليوم ناقليّة وسعة حراريّة أعلى من أيّ غاز آخر عدا الهيدروجين، كما أن معدل انتشاره في الأجسام الصلبة أعلى بثلاث مرات من الهواء وحوالي 65% من قيمة انتشار الهيدروجين.لدى الهيليوم قرينة انكسار ثابتة مقارنة مع الغازات الأخرى بحيث أنه يستخدم كمادة قياسية لتصحيح الأخطاء في أجهزة قياس قرينة الانكسار للحالة الغازيّة. عند درجات الحرارة العاديّة فإنّ للهيليوم معامل جول-طومسون سالب، ممّا يعني أنه يسخن عندما يسمح له بالتمدّد، وفقط عند درجة حرارة الانعكاس والتي تتراوح بين 32 و 50 كلفن عند ضغط مقداره 1 جوّ، فإنّ الهيليوم يبرد عندما يتمدّد. عندما تخفّض درجة حرارة الهيليوم دون درجة الحرارة هذه فإنّ الهيليوم يمكن أن يسيّل عن طريق التبريد بالتمديد.

إنّ أغلب الهيليوم الكوني يكون في حالة البلازما، والتي لها خواص مختلفة تماماً عن الهيليوم الذرّي. في حالة البلازما لا ترتبط الإلكترونات بالنواة ممّا يؤدي إلى ازدياد الناقليّة الكهربائيّة، حتّى وإن كان الغاز مؤيّناً بشكل جزئي. إنّ الجسيمات المشحونة تتأثّر بالحقول الكهربائية والمغناطيسيّة، وهذا ما يحدث لجسيمات الهيليوم والهيدروجين في الكون في الرياح الشمسيّة عندما يحدث تأثير متبادل مع الغلاف المغناطيسي للأرض ممّا يؤدّي إلى تشكّل تيارات بيركلاند والشفق القطبي.
الطور السائل والميوعة الفائقة

صورة للهيليوم السائل وهو في حالة الميوعة الفائقة تظهر محاولة قطيرات الهيليوم الهروب من الوعاء الذي يحويها.

هناك حالتين مختلفتين للهيليوم في الطور السائل تعرفان بحالة الهيليوم I و حالة الهيليوم II.
حالة الهيليوم I

عندما يكون الهيليوم دون نقطة غليانه والتي تبلغ 4.22 كلفن وفوق نقطة لامدا التي تبلغ 2.1768 كلفن، فإنّ الهيليوم يكون في حالة سائلة عديمة اللون تدعى حالة الهيليوم I. إنّ الهيليوم في حالته السائلة هيليوم I له قرينة انكسار شبيهة بالغازات مقدارها 1.026، كما أن له لزوجة منخفضة جداً وكثافة تتراوح بين 0.145–0.125 غ/مل.


عكس السوائل العادية، فإن الهيليوم II يتسلق على جدران الوعاء الذي يحويه، بظاهرة تعرف باسم طبقة رولن.
حالة الهيليوم II

عندما تنخفض درجة حرارة الهيليوم السائل دون نقطة لامدا فإنه يبدأ بإظهار خواص غير عادية، وتدعى هذه الحالة هيليوم II. عندما يغلي الهيليوم وهو في الحالة II فإنه نتيجة لناقليته الحرارية المرتفعة لا يظهر فقاعات ولكن يتبخر بشكل مباشر من على السطح. هذه الحالة يمكن ملاحظتها في النظير هيليوم-4 كما يظهرها النظير هيليوم-3 ولكن بدرجات حرارة أقل مما هي عليه للهيليوم-4، ولا يعرف الكثير لحد الآن عن خواص الهيليوم-3 في الحالة II

يظهر الهيليوم وهو في الحالة II خواص الميوعة الفائقة، بحيث أن لزوجته منخفضة جداً تقارب الصفر. لتفسير ذلك اقترحت إحدى النظريات وجود نموذج السائلين بالنسبة للهيليوم II، حيث يكون الهيليوم السائل دون نقطة لامدا مؤلفاً من مزيج من سائلين، الأوّل يحوي نسبة من ذرّات الهيليوم في الحالة الأرضيّة وتكون في حالة من الميوعة الفائقة وتتدفّق بدون أن يكون لها أي لزوجة، في حين أن القسم الثاني يحوي نسبة من ذرات الهيليوم في الحالة المثارة، والتي تتصرف كسائل عادي له لزوجة.

من الخواص التي يظهرها الهيليوم وهو في حالة الميوعة الفائقة هي خاصيّة التسلق، حيث يمكن للهيليوم وهو في هذه الحالة أن يتسرّب ويتسلّق جدران الوعاء الذي يحويه حتى يصل إلى منطقة أسخن بحيث يتبخّر. يشكّل الهيليوم فائق الميوعة بذلك طبقة رقيقة (رقاقة) سماكتها حوالي 30 نانومتر وتدعى باسم رقاقة رولن Rollin film، نسبةً إلى مكتشفها بيرنارد رولن. نتيجةً للخواص التسلقيّة هذه للهيليوم فائق الميوعة فإنه من الصعوبة احتواء الهيليوم السائل.
الخواص الكيميائيّة

ينتمي الهيليوم إلى فصيلة الغازات النبيلة، وهو يحوي إلكترونين اثنين في طبقة غلاف التكافؤ الخارجيّة، بحيث أن المدارات الإلكترونية مكتملة 1S2، بالتالي فهو غاز خامل، وهو أقلّ الغازات النبيلة من حيث النشاط الكيميائي بعد النيون، وبالتالي ثاني أقل العناصر الكيميائيّة من حيث النشاط الكيميائي.لا يبدي الهيليوم أيّ نشاط كيميائي تحت كافة الشروط الطبيعيّة.

أيون هيدريد الهيليوم +HHe.

يكون الهيليوم على شكل أحادي الذرة في أغلب حالات المادة، كما أنه أقلّ غاز أحادي الذرة انحلاليّة (ذوبانيّة) في الماء، ولا يسبقه بضعف الانحلاليّة في الماء إلا بعض الغازات مثل رباعي فلورو الميثان CF4 وسداسي فلوريد الكبريت SF6 وثماني فلورو حلقي البوتان C4F8 والتي لها انحلاليّة (معبّراً عنها بالكسر المولي) تعادل 0.3802 x2/10−5 و 0.4394 x2/10−5 و 0.2372 x2/10−5 على الترتيب، مقابل 0.70797 x2/10−5 للهيليوم.

المركّبات الكيميائيّة


البنية المحتملة لأنيون فلوروهيليات
-OHeF.

لا توجد مركّبات كيميائيّة للهيليوم في الظروف القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة، ولكن عندما يعرّض الهيليوم إلى ظروف غير طبيعيّة من الضغط أو نتيجة قذف إلكتروني لنواة الهيليوم فإنّه يمكن أن يشكّل مركّبات كيميائيّة غير مستقرّة تعرف باسم الثنائيات المثارة (إكسايمر) وذلك مع عناصر مثل التنغستن واليود والفلور والكبريت والفوسفور، وذلك عندما تخضع للتفريغ المتوهج أو القذف الإلكتروني.

تحت ظروف التفريغ المرتفعة في جهاز مطيافية الكتلة يمكن أن يتشكّل أيون هيدريد الهيليوم ولكنّه غير قابل للعزل. إنّ +HeH في حالته الأرضيّة مستقرّ، ولكنه نشيط كيميائيّاً بشكل كبير جداً، بحيث يعدّ أقوى حمض وفق نظرية برونستد-لوري حيث أنه يمنح البروتون بشكل فوري عند تماسه مع أيّ جزيء أو مركب، وذلك بغضّ النظر عن التركيز. نظريّاً، يمكن أن توجد هناك مركبات أخرى للهيليوم مثل فلوروهيدريد الهيليوم HHeF، وذلك قياساً لمركب فلوروهيدريد الأرغون.أظهرت حسابات الكيمياء النظريّة إمكانيّة وجود مركبات أخرى للهيليوم حاوية على رابطة هيليوم-أكسجين، والتي يمكن أن تكون مستقرّة.

جرى مؤخراً حبس ذرة الهيليوم داخل قفص كربوني، وذلك عند تسخين الفوليرينات إلى درجات حرارة مرتفعة بوجود الهيليوم. يتشكّل حينها ما يعرف باسم الفوليرينات ذات السطح الداخلي endohedral fullerene، والتي تبقى محتوية على الهيليوم محتجزاً داخلها حتّى حين إجراء اشتقاق مركّبات كيميائيّة منها. وفي حال استعمال النظير هيليوم-3 يمكن أن يكشف ذلك باستعمال مطيافية الرنين المغناطيسي النووي للهيليوم. لا تعدّ هذه المركّبات مركّبات للهيليوم بالمعنى الحقيقي للكلمة، إذ لا توجد دلائل على حدوث نوع من الرابطة الكيميائيّة بينها وبين العناصر المحيطة بها، إلا أن هذه المركّبات لها خواص مميّزة عن غيرها، ولها صيغة ستوكيومتريّة خاصّة بها. يرمز لهذه المركّبات بالأسلوب التالي: He@C60.
الاستخدامات

إنّ أكبر استهلاك للهيليوم هو استخدامه في تبريد أجهزة المغناطيس فائقة الموصلية المستخدمة في تقنيّات عدّة كالتصوير بالرنين المغناطيسي على سبيل المثال.

يستخدم الهيليوم في عدة مجالات وتطبيقات بما يتناسب مع خواصه المميّزة، مثل انخفاض نقطة غليانه وكثافته وانحلاليّته المنخفضة، بالإضافة إلى ناقليّته الحراريّة المرتفعة وخواصه الخاملة. بلغ الإنتاج العالمي من الهيليوم عام 2008 حوالي 32 مليون كغ (ما يعادل 193 مليون متر مكعّب)، وكان أكبر استهلاك له (حوالي 22%) في تبريد أجهزة المغناطيس فائق الموصلية المستخدمة في عدة تقنيّات مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. إنّ مصادم الهدرونات الكبير في سرن CERN يستخدم حوالي 96 طن متري من الهيليوم السائل للحفاظ على درجات حرارة دون 1.9 كلفن.

نتيجة خموله الكيميائي، يستخدم الهيليوم كغاز واقي في إنتاج رقائق السيليكون والجرمانيوم وفي إنتاج التيتانيوم والزركونيوم وفي الاستشراب الغازي. كما يستخدم الهيليوم كغاز واقي في عمليّات اللحام القوسي على المواد التي يؤدّي لحامها عند درجات حرارة مرتفعة إلى إشابتها أو إضعافها بالهواء أو بالنيتروجين. يستخدم الهيليوم عوضاً عن الأرغون للحام المواد التي لها ناقليّة حراريّة مرتفعة مثل الألمنيوم أو النحاس.

جهاز لكشف التسريبات باستخدام غاز الهيليومن ويكبيديا

من إحدى التطبيقات الصناعيّة لغاز الهيليوم استخدامه في كشف التسريب في الأجهزة التي تستخدم تفريغ مرتفع مثل الحاويات المستخدمة في التبريد العميق، وذلك لأن الهيليوم ينتشر في الأجسام الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء. يوضع الجهاز المراد كشف التسريب فيه في حجرة تخلّى من الهواء وتملأ بالهيليوم، ويقاس الهيليوم الذي ينفد من مكان التسريب باستخدام أجهزة مخصصة لذلك. بالمقابل يمكن ملء الجهاز المراد كشف التسريب فيه بالهيليوم ويكشف عن مكان التسريب بجهاز يمرر يدويّاً على الجهاز بالكامل.

يستخدم الهيليوم في ملء المناطيد

لأنّ وزنه أخف من الهواء، يستخدم الهيليوم في ملء السفن الهوائية والمناطيد لتتمكّن من الطيران. على الرغم من أنّ الهيدروجين أخفّ من الهيليوم، لكنّه قابل للاشتعال، في حين أنّ الهيليوم لا يشتعل.

يدخل الهيليوم في تركيب غازات التنفس في أجهزة الغوص العميق، مثل تريمكس وهيليوكس، وذلك للتخفيف من الآثار التخديرية لغازات التنفس عند الضغوط المرتفعة. وجد أنّ الغوص إلى أعماق دون 150 متر باستخدام أجهزة تنفس أكسجين-هيليوم تؤدّي إلى حدوث رعاش واضطراب في الوظائف الحسّيّة الحركيّة، ممّا يعدّ مؤشّراً على حدوث أعراض متلازمة الضغط العالي العصبي، أو ما يعرف باسم رعاش الهيليوم. هذا الأثر يمكن أن يعود إلى حدّ ما نتيجة إضافة كمّيّات من غاز له خواص تخديريّة في الغطس مثل الهيدروجين أو النيتروجين إلى مزيج أكسجين-هيليوم. في أعماق كهذه، وجد أن الكثافة المنخفضة للهيليوم لها دور في تخفيف المجهود المبذول للتنفس.

استخدم ليزر هيليوم-نيون، وهو نوع من ليزر الغاز له طاقة منخفضة، وذلك من أجل إنتاج حزمة حمراء اللون، وذلك في عدّة تطبيقات مثل قارئ الشفرة الخيطية ومؤشر الليزر، وذلك قبل أن يستبدل بليزر الصمام الثنائي.

يستخدم الهيليوم كوسط لتبادل الحرارة في بعض المفاعلات النوويّة المبرّدة بالغاز وذلك بسبب خموله الكيميائي وبسبب ناقليّته الحراريّة العاليّة، وعدم تأثره بالنيوترونات، ولعدم تشكيله نظائر مشعّة تحت شروط عمل المفاعل.

عند مزج الهيليوم مع غاز أثقل مثل الزينون فإنّه يستخدم في المحركات الصوتيّة الحراريّة المستخدمة في التبريد، وذلك نتيجةً لارتفاع نسبة السعة الحرارية الناتجة ولانخفاض عدد برانتل. إنّ خمول غاز الهيليوم له آثار إيجابيّة على البيئة مقابل أنظمة التبريد التقليديّة التي تؤدي إلى نضوب الأوزون والاحترار العالمي.

إنّ استعمال الهيليوم يقلّل من الآثار المشوّشة في بعض المقاريب، والتي تحصل نتيجة تفاوت درجة الحرارة في الفراغ بين العدسات، وذلك بسبب الانخفاض الكبير لقيمة قرينة الانكسار بالنسبة للهيليوم.تعد هذه طريقة عملية بالنسبة للمقاريب الشمسية التي تكون بحاجة إلى استخدام أنبوب تفريغ والذي غالباً ما يكون ثقيل الوزن.
الاستنشاق وإجراءات الأمان
الآثار

إنّ الهيليوم في الشروط العادية عبارة عن غاز غير سام وليس له تأثير حيوي على جسم الإنسان عند التعرّض له. ولكن عندما يستنشق الهيليوم عن طريق الفم فإنّ له تأثير على الحبال الصوتيّة بحيث يظهر الصوت كأنه مُسرّع. سبب هذا الأثر أنّ سرعة الصوت في الهيليوم أسرع منها بثلاث مرات من الهواء. بما أنّ التردّد الأساسي لتجويف مملوء بغاز متناسب مع سرعة الصوت في هذا الغاز، لذلك فإنّه عندما يستنشق الهيليوم فإنّ هنالك ازدياد في رنين المجرى الصوتي. إنّ تردّدات الرنين العالية تسبّب اختلاف في طابع الصوت بحيث يظهر متسارعاً (مزقزق، كما يعرف أحياناً باسم صوت ميكي ماوس).إنّ التأثير المعاكس بتخفيض تردّد الرنين يمكن الحصول عليه باستنشاق غاز كثيف مثل سداسي فلوريد الكبريت أو الزينون.
المخاطر

إنّ المبالغة في استنشاق الهيليوم لتحقيق أثره على الحبال الصوتيّة يمكن أن يكون خطراً، حيث يؤدّي إلى الاختناق لأنّه يحلّ محلّ الأكسجين اللازم لعمليّة التنفّس. سجّلت حالات وفاة ناتجة عن المبالغة في استنشاق الهيليوم، من بينهم أطفال وبالغين.

إنّ استنشاق الهيليوم مباشرةً من الأسطوانات المضغوطة خطر جداً، حيث يمكن أن يؤدّي إلى حدوث رضح ضغطي نتيجة معدّل السرعة العالي للهيليوم المتدفّق، والذي يمكن أن ينجم عنه تمزّق مميت لأنسجة الرئتين.

ينبغي اتّباع إجراءات الأمان اللازمة عند التعامل مع الهيليوم السائل، لأنّ درجة الحرارة المنخفضة يمكن أن تؤدّي إلى عضة برد. كما ينبغي الانتباه إلى ضرورة ضبط الضغط لأنّ نسبة تمدد السائل-إلى-الغاز المرتفعة يمكن أن تؤدّي إلى حدوث انفجارات إن لم يكن هناك صمّامات ضغط متوفّرة.

الموضوع من ويكبيديا

البروتون

بروتون الروابط مفعلة الي ويكبيديا

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

بروتون
بنية الكوارك في البروتون.
التصنيف	باريون
التكوين	2 أعلى, 1 أسفل
العائلة	فيرميون
المجموعة	هادرون
التفاعل	جاذبية, كهرومغناطيسي, ضعيف, قوي
جسيم مضاد	نقيض البروتون
واضع النظرية	وليام براوت (1815)
المكتشف	إرنست رذرفورد (1919)
الرمز	p, p+, N+
الكتلة	كغم 1.672621637(83)×10−27 938.272013(23) MeV/c2 1.00727646677(10) u [1]
متوسط العمر	>2.1×1029 سنة (ثابت)
الشحنة الكهربائية	+1 e. 1.602176487(40) × 10-19 C[1]
نصف قطر الشحنة	0.875(7) fm
عزم ثنائي القطب الكهربائي	<5.4×10−24 e cm
الاستقطابية الكهربائية	1.20(6)×10−3 fm3
العزم المغناطيسي	2.792847351(28) μN
الاستقطابية المغناطيسية	1.9(5)×10−4 fm3
الدوران	1⁄2
دوران النظير	1⁄2
المكافئ	+1
Condensed	I(JP) = 1⁄2(1⁄2+)

في فيزياء الجسيمات البروتون (كلمة بروتون تعني الأول بالإغريقية) وكان يظن في بادئ الأمر أنه جسيم أولي (لا يتكون من جسيمات أصغر) ولكن تبين فيما بعد خطأ هذا الزعم، والبروتون من مكونات الذرة وله شحنة كهربية موجبة مقدارها 1.6 × 10−19 كولوم، تعادل تماما الشحنة التي يحملها الإلكترون إلا أن الإلكترون شحنته سالبة، وكتلة البروتون مقدارها : 1.672621637×10−27 كيلوجرام، أو ما يقارب 1800 ضعف كتلة الإلكترون. ونظرا لصغر كتلة البروتون بالكيلوجرام عدد صغير جدا يصعب حفظه عن ظهر قلب يستعمل الفيزيائيون وحدة MeV للتعبير عن كتلة الإلكترون وهذه تعادل 938 ميغا إلكترون فولت (MeV).

تدل النتائج التجريبية أن البروتون جسيم مستقر، والحد الأدنى لفترة عمر النصف له 1035 سنة، بالرغم من أن بعض النظريات تنبأت بأن البروتون يمكن أن يتحلل.

تعتبر نواة النظير الأكثر شهرة لذرة الهيدروجين عبارة عن بروتون مفرد. ونويات العناصر الأخرى عبارة عن بروتونات ونيوترونات موجودة معاً عن طريق القوة النووية. ويكون عدد البروتونات الموجودة في النواة هي المسئولة عن الخواص الكيميائية للذرة وتعريف هذا العنصر الكيميائي.

يتم تصنيف البروتونات على أنها باريون وتتكون من 2 كوارك أعلى و 1 كوارك أسفل، ويوجدوا معا أيضاً عن طريق القوة النووية، بالتداخل مع الجلون. ومعاكس المادة للبروتون هو نقيض البروتون والذي له نفس قدر شحنة البروتون ولكن بشحنة معاكسة.

ونظرا لأن القوة الكهرومغناطيسية أكبر من قوى الجذب فإن شحنة البروتون يجب أن تكون مساوية في المقدار ومعاكسة في الشحنة للإلكترون وإلا فإن الفرق بين الشحنتين سيؤدى إلى تمدد له تأثير كبير على الكون، وأى جسم له قوة جذب (الكواكب والنجوم).

يرجع مصطلح البروتون في الكيمياء والكيمياء الحيوية إلى أيون الهيدروجين H+. وفى هذا السياق تكون المادة المعطاة للبروتون حمضية والمادة المتقبلة للبروتون قلوية (راجع نظرية تفاعل الأحماض مع القلويات.)

 
البروتون تاريخياً

في عام 1919 أجرى إرنست رذرفورد تجربة قذف جسيمات ألفا خلال غاز النيتروجين، وقد أظهرت الومضات وجود نواة الهيدروجين، وقد حدد رذرفورد أن المصدر الوحيد الذي يمكن أن يأتي منه نواة الهيدروجين هو النيتروجين، وعلى هذا فإن النيتروجين لابد أنه يحتوى على نويات الهيدروجين. وقد اقترح أن نويات الهيدروجين والتي كان لها عدد ذرى يساوى 1، هي جسيم أساسي، وسماها بروتون، من الكلمة الإغريقية بروتوس والتي تعنى الأول.
البروتون في علم الكيمياء
العدد الذري

في علم الكيمياء يعرف عدد البروتونات داخل نواة الذرّة على أنه العدد الذري، والذي يحدد العنصر الكيميائي الذي تنتمي إليه الذرة. على سبيل المثال فإن العدد الذري للكلور يكون 17، وهذا يعني أن كل ذرة كلور تحوي 17 بروتون وأن جميع الذرات المتألفة من 17 بروتون هي ذرات كلور. يتم تعيين الخواص الكيميائية للذرة من جهة أخرى بعدد الكتروناتها (لها شحنة سالبة) والتي يفترض أنها مكافئة لعدد البروتونات (ذات شحنة موجبة) في الذرات المتعادلة بحيث تصبح إجمالي شحنتها صفرا. على سبيل المثال تحتوي ذرة الكلور المتعادلة على 17 الكترون و17 بروتون بينما ذرة الكلور السالبة، Cl-، بها 17 بروتون و18 الكترون لتشكل صافي شحنة قدرها -1 شحنة إلكترون.
الهيدروجين كبروتون

لما كان العدد الذري لعنصر الهيدروجين هو 1، فإن أيون الهيدروجين الموجب (H+) يحوي على بروتون واحد ولايحوي أي إلكترونات ولذا فإن بعض النصوص قد تشير إلى عبارة بروتون كتعبير عن أيون الهيدروجين.
نقيض البروتون
وضع خرق تناظر الشحنة السوية والزمن قيودا صارمة على الخواص النسبية للجسيمات ونقيضاتها، ولذلك فإنه خاضع لاختبارات صارمة. على سبيل المثال، ينبغي أن يكون إجمالي شحنتي البروتون ونقيض البروتون صفرا تماما. لقد تم فحص هذه المساواة بدقة جزء في 108. كذلك تم اختبار تساوي كتلتيهما بدقة أفضل من جزء من 108. عند حبس مضادات البروتونات، في مصيدة بيننغ، أمكن اختبار تساوي نسبتي الشحنة إلى الكتلة للبروتون والإلكترون بدقة جزء في (6×109). أظهر قياس العزم المغنطيسي لمضاد البروتون خطأ مقداره 8×10−3 مغنطون بور نووي، ووجد أنه مساو ومضاد لتلك القيمة في البروتون.
التطبيقات التكنولوجية

البروتون يوجد دائما ً في حالة دوران (مغزلي)، وهذه الخاصية تم استغلالها في مطيافية الرنين النووي المغناطيسي (NMR). وفيه يتم استخدام مجال مغناطيسي للتحقق من وجود الغلاف الموجود حول البروتونات في النواة والذي يتم معرفته بسحابة الإلكترونات الموجودة حول النواة. وعلى هذا يستطيع العلماء معرفة التركيب الجزيئي للجزيء الذي يتم دراسته.
انظر أيضا
فيزياء الجسيمات
جسيم أولي
النيوترون
جسيم دون ذريقائمة الجسيمات
المصادر

C. Amsler et al., "Review of Particle Physics" Physics Letters B667, 1 (2008)
وصلات خارجية
معلومات عن الجسيمات
  وملفات عن: بروتون
تصنيفات:
العلم في عقد 1910
باريونات
دخيل إغريقي
فيزياء نووية
كاتيونات
مسائل غير محلولة في الفيزياءمفاهيم فيزيائية

جدول النظائر

جدول النظائرمن ويكيبيديا، الموسوعة الحرة ومواقع اخري
Chart of Nuclides
  
عن موقع http://www.nndc.bnl.gov/chart/
 

جدول النظائر، مقطوع هنا إلى ثلاثة أقسام من أجل العرض المناسب. وهو يبدأ بالجزء العلوي يسارا (أسود)، وينتهي بالجزء السفلي يمينا (أصفر).

جدول النظائر أو جدول النوكليدات في الفيزياء 
(table of nuclidesأو chart of nuclides)

هو جدول ذو بعدين ويحتوي على مربعات للنظائر. يرتب المحور الرأسي عدد النيوترونات الموجودة في نواة ذرة النظير، ويعطي المحور الأفقي عدد البروتونات فيها. يعرّف كل مربع في الجدول نظير معين، ويعطي عدد مكونات نواته من بروتوناتونيوترونات، كما يبين لون المربع نوع النشاط الإشعاعي. ويتميز هذا الجدول بإعطائه معلومات متعمقة عن الخواص النظائر الإشعاعية للفيزيائي، وهو بمثابة الجدول الدوري الذي يستخدمه الكيميائي لمعرفة ترتيب العناصر وخواصها. جدول النظائر يعطي معلومات عن خواص نواة الذرة، أما الجدول الدوري فيعطي معلومات عن الغلاف الإلكتروني للذرة والتكافؤ.

وصفه واستخدامه
تعني كلمة " نوكليد" نواة الذرة وتأتي هذه التسمية من مكونات النواة وهي البروتونات والنيوترونات، ويُطلق على كل منهما اسم نوكليون. ويبين الجدول التالي جزءا صغيرا من الجدول الكامل، ويتحتوي على الخمسة عشر عنصر الأولين من الجدول الكامل، بغرض التوضيح.

يصف جدول النوكليدات الخصائص النووية لجميع نظائر العناصر بمعنى أنه يعطي خصائص فيزيائية لنواة الذرة مثل النشاط الإشعاعي ونوعه. ويتكون كل عنصر كيميائي من عدة نظائر، يتساوى فيها عدد البروتونات ويختلف عدد النيوترونات فيها. والنظائر الذرية كما تسمى أحيانا قد تكون مستقرة (أي لا تتغير من نفسها) أو يمكن أن تكون نظائر مشعة وهذه غير مستقرة، بل تتحلل إما ب تحلل ألفا أو تحلل بيتا أو تصدر أشعة غاما. ويقارب جدول النوكليدات الجدول الدوري من وجهة ترتيب العناصر، فيعطي الجدول الدوري ترتيب العناصر بحسب خصائصهم الكيميائية حيث لا تختلف الخواص الكيميائية للنظائر المختلفة لعنصر معين. ويرتب جدول النظائر النظائر على المحور الرأسي بحيث نجد نظائر عنصر معين تحت بعضها، مثلما في الشكل بالنسبة للبور-8 (B-8) ،و بور-9 وبور-10 وبور-11 وبور-12.

p	1	2
n	H	He	3	4
0	H		Li	Be	5	6
1	D	3He			B	C	7
2	T	4He	5Li	6Be		8C	N	8
3	4H	5He	6Li	7Be	8B	9C		O	9
4	5H	6He	7Li	8Be	9B	10C	11N		F	10
5	6H	7He	8Li	9Be	10B	11C	12N	13O		Ne	11
6	7H	8He	9Li	10Be	11B	12C	13N	14O			Na	12
	7	9He		11Be	12B	13C	14N	15O	16F	17Ne		Mg	13
	8	10He	11Li	12Be	13B	14C	15N	16O	17F	18Ne	19Na	20Mg	Al	14
			9		14B	15C	16N	17O	18F	19Ne	20Na	21Mg		Si	15
			10	14Be	15B	16C	17N	18O	19F	20Ne	21Na	22Mg	23Al		P
			11			17C	18N	19O	20F	21Ne	22Na	23Mg	24Al	25Si
				12	17B	18C	19N	20O	21F	22Ne	23Na	24Mg	25Al	26Si	27P
				13		19C	20N	21O	22F	23Ne	24Na	25Mg	26Al	27Si	28P

يعطي الترتيب الأفقي عدد البروتونات في النواة، ويبلغ عددهم في عنصر البور 5. لهذا نجد نظائر البور في عامود رقم 5. ويأتي بعد البور عنصر الكربون وعدد بروتوناته 6، وهنا نجد في العمود رقم 6 نظائر الكربون تحت بعضها كربون-11 وكربون-12 وكربون-13 وكربون 14 وغيرها.

عندما نتتبع الأعمدة في اتجاه اليمين حيث تقل أعداد البروتونات في أنوية الذرات المختلفة إلى 4 البيريليوم و 3 الليثيوم و 2 الهيليوم وعلى عمود كل منها ما ينتمي إليه من نظائر. بذلك نصل إلى أبسط العناصر الموجودة في الكون والذي تحتوي نواته 1 بروتون وهو الهيدروجين. وهو ترتيبه "الأول". ومن الجدول يتبين لنا أن للهيدروجين المستقر نظيرين آخرين : ديوتيريوم وهو يحتوي على 1 بروتون و 1 نيوترون، وتريتيوم وهو يحتوي على 1 بروتون و 2 نيوترون.
المربعات ذات اللون الأحمر تمثل النظائر المستقرة. وتشكل المربعات تحتها (أبيض) نظائر مشعة تتحلل طبقا لتحلل بيتا(-)، أما النظائر التي تشغل المربعات البيضاء فوق السلسة الحمراء فهي أيضا نظائر مشعة ولكنها تتحلل طبقا ل تحلل بيتا(+)

. وفي كلتا الحالتين يحاول النظير المشع الوصول إلى الاستقرار، أي الوصول إلى مربع أحمر قريب يكفل له الاستقرار.
فعلى سبيل المثال : يتحلل الكربون-14 (C-14) بتحلل بيتا(-) حيث يتحول أحد نيوتروناته إلى بروتون وإصدار إلكترون فيصبح نيتروجين-14 (N-14).

كما يعطي لون المربع بالتقريب عمر النصف وهو بالنسبة للكربون-14 4730 سنة، ولهاذا فلون مربعه بني فاتح.
البريليوم-7 (بنفسجي) هو نظير غير مستقر وللوصول إلى حالة الاستقرار فهو يؤدي ما يسمى اصتياد إلكترون من غلافة الإلكتروني فيتحول أحد البروتونات في نواته إلى نيوترون وبذلك يتحول البريليوم-7 إلى ليثيوم-7 [أحمر) ويصبح مستقرا.

النشاط الإشعاعي والتفاعلات النووية على جدول النظائر

أنشطة أشعاعية مختلفة لأحد النواة الأم Mutternuclid. حيث Z عدد البروتونات، و N عدد النيوترونات، مع ملاحظة تزايد النيوترونات من السار إلى اليمين، كما تتزايد النيوترونات من أسفل إلى أعلى في هذا الشكل.

قام بابتكار هذه الطريقة البيانية للنشاط الإشعاعي العالم الفيزيائي إميليو سيغري:

(لاحظ أن المحور الأفقي في هذا الشكل يعطي عدد النيوترونات، بينما يعطي المحور الرأسي عدد البروتونات).
عندما تتحلل النواة عن طريق تحلل ألفا يحمل جسيم ألفا معه 2 بروتون و 2 نيوترون منطلقا خارج النواة. وعلى ذلك تنتقل النواة الجديدة عمودين إلى اليسار من النواة الأم وصفين تحتها.
في تحلل بيتا(-) يتحول أحد نيوترونات النواة الأم إلى بروتون. ونجد أن النواة الجديدة تنتقل خطوة إلى اليسار وإلى أعلى.
في تحلل بيتا(+) يتحول أحد البروتونات إلى نيوترون. وتنتقل النواة لجديدة خطوة إلى اليمين وإلى أسفل. (كما يحدث ذلك أيضا عندما تمتص النواة الأم إلكترونا خارجيا).
عندا تشع النواة شعاع غاما فلا يتغير وضعها على الجدول.
بالنسبة إلى تفاعل نووي فمعظم التفاعلات تكون مصحوبة بانتقال معين للنواة الداخلة في التفاعل. وعلى سبيل المثال: تنتقل نواة داخلة في تفاعل من نوع n,p)-Reaction) خطوة إلى اليمين (حيث تمتص 1 نيوترون n وتطرد 1 بروتون p خلال التفاعل) وتصبح نظيرا لعنصر آخر. كما توجد تفاعلات نووية تمتص خلالها النواة 1 نيوترون وتُصدر 2 نيوترونات - [ويرمز لهذا التفاعل n,2n)-Reaction)] - وعنذئد تنتقل النواة خطوة إلى اليسار، أي تظل نفس العنصر حيث لم يتغير عدد البروتونات فيها، وهكذا.

انواع التحلل الإشعاعي

يبين الشكل توزيع نظائر العناصر حيث يعطي المحور الأفقي عدد النيوترونات N، ويعطي المحور الرأسي عدد البروتونات Z.

توزيع النظائر بحسب عدد النيوترونات والبروتونات فيها. وتبين المربعات السوداء النظائر المستقرة، ويبين المربعات البرتقالية النظائر المشعة والتي تتحلل طبقا تحلل بيتا(+) والمربعات الزرقاء النظائر المشعة التي تتحلل طبقا بيتا(-)

وكما يبين الجدول تشغل النظائر المستقرة المربعات السوداء. أما المربعات البرتقالية اللون والزرقاء فهي نظائر مشعة غير مستقرة، وتصل إلى حالة الاستقارا عن طريق التحلل. تبين المربعات البرتقالية النظائر المشعة التي تتحلل طبقا تحلل بيتا(+) والمربعات الزرقاء النظائر المشعة التي تتحلل طبقا تحلل بيتا(-)، وأما المربعات الصفراء فتشغلها نظائر تتحلل بتحلل ألفا. ويلاحظ أن تحلل ألفا من خواص العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم وغيره.

ويلاحظ ما يلي:

يمثل الخط النظري موقع النظائر المستقرة حيت يتساوى عدد البروتونات وعدد النيوترونات في نواة الذرة. وهو يبين أن النظائر التي تحتوي على أكثر من 20 بروتون تحتاج إلى عدد أكبر من النيوترونات لكي تكون مستقرة.
تحتاج النظائر ذات عدد من البروتونات أكثر من 20 بروتون إلى عدد أكبر من النيوترونات بسبب زيادة التنافر بين أعداد متزايدة من البروتونات، وهي موجبة الشحنة. فتعمل النيوترونات الموجودة في النواة على تخفيف حدة ذلك التنافر. والقوة التي تتحكم في ربط النيوكليونات في النواة تسمى تآثر قوي.
لا توجد في الطبيعة نظائر تتعدي عنصر اليورانيوم ويحتوي اليورانيوم على 92 بروتون. وضلك بسبب التنافر الشديد بين البروتونات. ولكي يكون اليورانيوم-238 مستقرا نوعا ما (عمر النصف نحو 5 و4 مليار سنة) فهو يحتوي إلى جانب 92 بروتون على 146 من نيوترونات. وهو يتحلل طبقا ل تحلل ألفا.
جميع النظائر التي تتعدى اليورانيوم في جدول النظائر تحضر صناعيا بواسطة المفاعلات النووية أو معجلات الجسيمات، وهي جميعها تتحلل بالنشاط الإشعاعي.

وصلات خارجية من ويكبيديا

1. Karlsruhe Nuclide Chart
2. Universal Nuclide Chart
3. Interactive Chart of Nuclides (Brookhaven National Laboratory)

التوزيع الإلكتروني في الذرة

توزيع إلكتروني من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

تتابع الأغلفة الذرية. الغلاف الأول K ويحتوي على 2 إلكترونات ؛ والغلاف الثاني L: يمكن أن يحتوي على 8 إلكترونات ؛ والغلاف الثالث M : وتصل سعته إلى 18 إلكترون . النقطة الحمراء في الوسط هي نواة الذرة. (مع ملاحظة أن كتلة الذرة تقبع في النواة حيث تضم البروتونات والنيوترونات.)


شكل توضيحي لتوزيع الإلكترونات في أغلفة ذرة الفضة ، طبقا لنموذج بور. أعداد إلكترونات كل غلاف معطاة أعلاه.


المدارات الإلكترونية الذرية والجزيئية

في الفيزياء الذرية، التوزيع الإلكتروني هو ترتيب الإلكترونات في الذرة، أو في جزيء . وبالتحديد هو مكان تواجد الإلكترونات في المدارات الذرية أو والجزيئية . 
لماذا التوزيع الإلكتروني

تصور التوزيع الإلكتروني في الذرة تم توقعه بناء على ثلاث حقائق :
في الفراغ الضيق للذرة أو الجزيء، فإن طاقة وخواص الإلكترون الأخرى تكون محددة بالكم، أي مقيدة لحالة كمية محددة. وهذه الحالات يمكن وصفها بالمدارات الإلكترونية. وكل حالة بصفة عامة لها طاقة مختلفة عن أي حالة أخرى.
الإلكترونات هي فرميونات ويطبق على حالتها داخل الذرة مبدأ إستبعاد باولي ، والذي ينص على أنه لا يمكن لإثنين من الفرميونات أن يشغلا نفس الحالة الكميه، فبمجرد أن يشغل إلكترون حالة معينة، فإن الإلكترون التالي يجب أن يشغل حالة مختلفة. في الذرات يتم تحديد حالات الكم بأربع أعداد كم.
الحالة الكمومية للإلكترون تكون غير مستقرة عندما يشغل حالة يشغل مستوى طاقة ليس بمستواه الأصلي، وبالتالي فإن الإلكترون بعد جزء من الثانية يقفز لمستوى الطاقة الأصلي وتنبعث منه الطاقة الزائدة في شكل فوتون، أي شعاع ضوء ذو تردد محدد (الطيف الذري).

ونتيجة لذلك، فإن أي نظام له توزيع إلكتروني واحد ثابت. وفي حالة الإتزان، فسوف يكون له دائماً هذا التوزيع (يطلق عليه الحالة الأرضية)، وإذا لم تكن الذرة أو النظام في الحالة الأرضية يكون أحد الإلكترونات في حالة مثارة تحت تأثير التسخين أو التفريغ الكهربي، فيتخد توزيع الإلكترونات توزيع أخر، وبصفة مؤقتة.

ويتم تحديد التوزيع الإلكتروني لأى نظام بعدد الإلكترونات الموجودة فيه وبالتالي تحديد مستويات الطاقة الرئيسية والفرعية والأوربيتالات، ولو أردنا استنتاج هذا التوزيع، فيجب معرفة المدارات. وقد استطاع العلماء حساب ذلك بواسطة ميكانيكا الكم التي إبتكرها العالمين الألماني هايزنبرج والنمساوي شرودنجر خلال السنوات 1923 - 1926 وطبقاها بنجاح على ذرة الهيدروجين، ولكن حل معادلات ميكانيكا الكم معقد للذرات الأخرى، وأكثر تعقيدا في حالة الجزيئات.
التوزيع الإلكتروني في الذرات

تعتمد المناقشة التالية على تواجد معرفة ببعض المواد المشروحة في مقالة المدار الذري والذرة
تلخيص أرقام الكم

يتم وصف حالة تواجد الإلكترون في الذرة بأربعة أرقام للكم. ثلاثة منها هي خواص المدار الذري الذي يوجد فيه (يوجد شرح لاحق في هذه المقالة)، والرقم الرابع إما 1\2 أو -1\2 وهو يعبر عن الدوران المغزلي للإلكترون (أي دورانه حول نفسه).
عدد الكم الرئيسي والذي يرمز له بالرمز n ويأخذ قيمة أي عدد صحيح أكبر من أو يساوي 1. ويمثل الطاقة الرئيسية للمدار، وبعده عن النواة.
عدد الكم السمتي والذي يرمز له بالرمز l ويأخذ أي قيمة عدد صحيح في المدى 0 ≤ l ≤ n − 1 {\displaystyle 0\leq l\leq n-1} .. ويحدد عزم المدار الزاوي.
عدد الكم المغناطيسي والذي يرمز له بالرمز m ويأخذ أي قيمة صحيحة في المدى − l ≤ m ≤ l {\displaystyle -l\leq m\leq l} . ويحدد هذا الرقم إزاحة الطاقة للمدار الذري تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي (ظاهرة زيمان).

العزم المغناطيسي الذاتي للإلكترون ينشأ عن دوران الإلكترون حول محوره (دوران مغزلي)، والذي يعبر عنه بعدد الكم المغزلي. عدد الكم المغزلي خاصية خاصة للإلكترون ولا تعتمد على الأرقام الأخرى. ويرمز لها بالرمز s وتأخذ فقط القيم +1/2 أو -1/2 (أحيانا يرجع لهما بأعلى أو أسفل، إشارة إلى اتجاه عزم الإلكترون المغناطيسي).
الأغلفة وتحت الأغلفة "المدارات"

حالات الطاقة التي لها نفس القيم n، يقال أنها تشغل نفس الغلاف الإلكتروني. الحالات التي لها نفس قيم n وl تكون متناسبة وتأخذ في الحسبان نوع واتجاه المدارات حول النواة، ويقال أنها تقع في نفس تحت-غلاف الإلكتروني. ولو أن الحالات تتشابه أيضا في قيم m فيقال أن لها نفس المدار الذري. ونظرا لأن الإلكترون له حالتان فقط للدوران، فإن الأوربيتال الذري لا يمكن أن يحتوى على أكثر من 2 إلكترون (مبدأ الاستبعاد لباولي).

ولوهلة فإن الغلاف n=1 يمتلك تحت غلاف s فقط ويمكن له أن يأخذ 2 إلكترون، بينما الغلاف n=2 له تحت غلاف s وp ويمكن أن يأخذ 8 إلكترونات (2 إلكترون في s و 6 ألكترونات في pفي)، والغلاف n=3 له تحت غلاف s وp وd ويمكن أن يأخذ 18 إلكترون. وهكذا. ويلاحظ أن السعة النهائية لأى تحت-غلاف هي 2(2l+1) ولغلاف 2 n 2 {\displaystyle 2n^{2}} .

مثال تطبيقي

التوزيع الإلكتروني للغلاف الخامس :

الغلاف	تحت-غلاف	المدار		الإلكترونات
n = 5	l = 0	m = 0	→ 1 أوربيتال من النوع s	→ max 2 electrons
	l = 1	m = -1, 0, +1	→ 3 أوربيتال من النوع p	→ max 6 electrons
	l = 2	m = -2, -1, 0, +1, +2	→ 5 أوربيتال من النوع d	→ max 10 electrons
	l = 3	m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	→ 7 أوربيتال من النوع f	→ max 14 electrons
	l = 4	m = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4	→ 9 أوربيتال من النوع g	→ max 18 electrons
				المجموع 50 إلكترون كحد أقصي

ويمكن كتابة هذه المعلومات كالتالي : 5 s 2 5 p 6 5 d 10 5 f 14 5 g 18 {\displaystyle 5s^{2}{\mbox{ }}5p^{6}{\mbox{ }}5d^{10}{\mbox{ }}5f^{14}{\mbox{ }}5g^{18}} (راجع بالأسفل لمعرفة نظام الكتابة)

تحت الأغلفة s,p,d,f ناتجة من ترتيب خطوط الطيف كالتالي : "حاد sharp"، "أساسي principal"، "مشوش diffuse"، "أصلي fundamental"، بناء على تركيبهم الدقيق. فعندما تم وصف أول أربعة أنواع للمدارات، كانوا تابعين لأسماء الخطوط، ولم يكن لهم أسماء. أما g فتم تسميته طبقا للترتيب الأبجدي الإنجليزى. الأغلفة التي لها أكثر من 5 تحت-غلاف غير ممكنة نظريا، حيث أن 5 تحت-اغلفة تغطى كل العناصر المكتشفة.
نظام الكتابة

يستخدم الكيميائيون نظام قياسي لكتابة التركيب الإلكتروني. وفى هذا النظام يتم كتابة مختصر لإسماء العناصر والمدرات التي يحتويها بترتيب زيادة الطاقة. وكل تحت-غلاف "مدار" يتم وصفه بعدد الإلكترونات التي يحتويها.

ولبرهه، فإن الحالة الأرضية للهيدروجين بها إلكترون وحيد في تحت-الغلاف s للغلاف الأول، وعلى هذا فإن تركيبه يكتب كالتالي : 1 s 1 {\displaystyle 1s^{1}} . الليثيوم يوجد به 2 إلكترون في تحت الغلاف 1s وإلكترون في 2s الأعلى طاقة وبذلك تكون تركيب حالته الأرضية يكون 1 s 2 2 s 1 {\displaystyle 1s^{2}2s^{1}} . الفسفور (الرقم الذري 15) يكون كالتالي : 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 3 {\displaystyle 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{3}} .

وللذرات التي بها إلكترونات عديدة، فإن هذا النظام لكتابة تركيبها الإلكتروني يكون أطول. ويتم اختصارها غالبا طبقا لأقرب غاز نبيل مماثل للمدارات الأولى الموجودة بالعنصر. فمثلا : يختلف الفوسفور عن النيون ( 1 s 2 2 s 2 2 p 6 {\displaystyle 1s^{2}2s^{2}2p^{6}} ) بوجود المدار n=3، وعلى هذا فإنه يتم تجاهل التوزيع الإلكتروني للنيون ويكتب التوزيع الإلكتروني للفسفور كالتالي : [Ne] 3 s 2 3 p 3 {\displaystyle 3s^{2}3p^{3}} .

كما أن هناك نظام أكثر سهولة لكتابة التوزيع الإلكتروني بكتابة عدد الإلكترونات لكل غلاف كالتالي (الفسفور) : 2-8-5.
قاعدة أوف باو

في الحالة الأرضية للذرة (الحالة التي توجد عليها بطبيعتها) يتبع التوزيع الإلكتروني قاعدة أوف باو. وطبقا لهذه القاعدة تدخل الإلكترونات في مستويات الطاقة الفرعية ذات الطاقة المخفضة أولا ثم تملأ الأعلى منها بعد ذلك، والترتيب الذي يتم ملئ المستويات الفرعية به كالتالي :

	${\displaystyle s}$	${\displaystyle p}$	${\displaystyle d}$	${\displaystyle f}$	${\displaystyle g}$
1	1
2	2	3
3	4	5	7
4	6	8	10	13
5	9	11	14	17	21
6	12	15	18	22
7	16	19	23
8	20	24

زوج الإلكترونات الذي له نفس الدوران يكون له طاقة أقل من زوج الإلكترونات الذي له دوران متعاكس. وحيث أن زوج الإلكترونات في نفس المدار يجب أن يكون لهما دوران متعاكس، فإن هذا يجعل الإلكترونات تفضل ملئ مدارات مختلفة فرادى على أن تتواجد كزوج في نفس المدار. وهذه الأفضلية توضح نفسها لو أن هناك مستوى فرعي له l>0 (مستوى فرعي به أكثر من مدار) أقل من الممتلئ، فمثلا، لو أن المستوى الفرعي p به 4 إلكترونات، فإن 2 إلكترون سيجبروا أن يشغلوا مدار واحد، و 2 إلكترون سيشغلوا 2 مدار، وسيكون دورانهم متساوي. أي أنه لا يتم ملئ مدارات أي مستوى فرعي بأزواج الإلكترونات إلا بعد ملئ مدارته المستقلة فرادى أولا، ويطلق على هذه الظاهرة قاعدة هوند.كن تطبيق قاعدة اوف باو، في الشكل المعدل، للبروتون والنيترون في نواة الذرة. (شاهد نموذج الغلاف للفيزياء النووية).

استثناءات قاعدة أوف باو

المستوى الفرعي d النصف ممتليء أو الممتليء (أي به 5 أو 10 إلكترونات) يكون أكثر ثباتا من المستوى الفرعي s التالي له. فمثلا النحاس (عدد ذري 29) له التوزيع [Ar] 4 s 1 3 d 10 {\displaystyle 4s^{1}{\mbox{ }}3d^{10}} , وليس [Ar] 4 s 2 3 d 9 {\displaystyle 4s^{2}{\mbox{ }}3d^{9}} ، كما قد يتوقع طبقا لقاعدة أوف باو. وبالمثل الكروم (عدد ذري 24) له التوزيع [Ar] 4 s 1 3 d 5 {\displaystyle 4s^{1}{\mbox{ }}3d^{5}} , وليس [Ar] 4 s 2 3 d 4 {\displaystyle 4s^{2}{\mbox{ }}3d^{4}} .

العنصر	Z	التوزيع الإلكتروني
Tin	22	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{2}}$
Vanadium	23	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{3}}$
Chromium	24	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}}$ ${\displaystyle 4s^{1}{\mbox{ }}3d^{5}}$
Manganese	25	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{5}}$
Iron	26	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{6}}$
Cobalt	27	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{7}}$
Nickel	28	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}3d^{1}0}$
Copper	29	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}}$ ${\displaystyle 4s^{1}{\mbox{ }}3d^{10}}$
Zinc	30	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{10}}$
Gallium	31	${\displaystyle 1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{10}{\mbox{ }}4p^{1}}$

حيث Z = العدد الذري.

العلاقة بين التوزيع الإلكتروني وتكوين الجدول الدوري

المقالة الرئيسية

التوزيع الإلكتروني متناسب مع تركيب الجدول الدوري. الخواص الكيميائية للذرات تعتمد بشدة على ترتيب الإلكترونات في غلافها الخارجي (بالرغم من وجود عوامل أخرى مثل نصف القطر الذري، الكتلة الذرية، ومدى سهولة الوصول للحالات الإلكترونية يساهم أيضا في كيمياء العناصر بزيادة الحجم الذري)

في العناصر الممثلة وهي التي تبدأ من المجموعات (1) و(2) و (12 إلى 18) تتوزع الكترونات المجال الخارجي بشكل مرتبط مع رقم المجموعة فمثلا في المجموعة 1 تحتوي جميع العناصر في مجالها الخارجي على الكترون واحد وجميع عناصر المجموعة 17 تحتوي في مجالها الخارجي على 7 الكترونات ماعدا عنصر الهيليوم في المجموعة 18 فانه لا يحتوي على 8 الكترونات في المجال الخارجي بل الكترونان راجع الجدول الدوري الحديث للعناصر ..
التوزيع الإلكتروني في الجزيئات

في الجزيئات، يصبح الموقف أكثر تعقيدا، نظرا لأن كل جزيء له تركيب مداري مختلف. شاهد مدار جزيئي والاندماج الخطي للمدارات الجزيئية كمقدمة، الكيمياء الحسابية لمزيد من التفاصيل.
التوزيع الإلكتروني في المواد الصلبة

في المادة الصلبة، يكون التوزيع الإلكتروني متغير كثيرا. فلا يوجد في حالة منفصلة ولكن يختلط مع النطاقات المستمرة للحالات (نطاق إلكتروني). وتصور التوزيع الإلكتروني الثابت قد توقف، وتم استخدام ما يسمى بنظرية النطاق.