معلومة

هل يمكننا تذوق الإلكترونات؟

هل يمكننا تذوق الإلكترونات؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لماذا يثير لعق بطارية 9 فولت إحساسًا بالمذاق؟ هل يمكن تحفيز التذوق عن طريق التحفيز الكهربائي؟


اجابة قصيرة
نعميمكن توليد أحاسيس التذوق كهربائياً. ومع ذلك ، لا يمكننا تذوق الإلكترونات نفسها ، حيث لا يتم تنشيط بروتينات مستقبلات الذوق على خلايا مستقبلات الذوق بواسطة الإلكترونات. بدلاً من ذلك ، تحفز التيارات الكهربائية مستقبلات التذوق مباشرة عن طريق إزالة استقطاب غشاء الخلية ، دون الحاجة إلى تنشيط البروتينات التي عادة ما تربط الأيونات أو الجزيئات.

خلفية
هناك جهاز طبي يسمى BrainPort الذي يحفز اللسان كهربائيًا (الشكل 1.) يتم تسويق الجهاز كجهاز بديل للرؤية الكهرومغناطيسية. في الأساس ، تلتقط صورًا للعالم الخارجي بكاميرا مثبتة على النظارات ويتم ترجمة هذه الصور إلى محفزات كهربائية مقدمة على مجموعة قطب 20 × 20. يتم تضمين هذه المجموعة في وحدة عرض اللسان (ويعرف أيضًا باسم الجهاز داخل الفم ، IOD). يتم ارتداء IOD على اللسان.


التين. 1. BrainPort V100. المصدر: TuWindowsMundo

عادة ما يولد إحساسًا بالكهرباء ، مثل فقاعات الشمبانيا. ومع ذلك ، فإن بعض الموضوعات لا تشير إلى المعادن المذاق الأحاسيس عند استخدام الجهاز. في الحقيقة ، لوليس وآخرون. (2005) * فحص المذاق المعدني المستحث كهربائيًا استجابة لتحفيز أنوديك اللسان مباشرة وأكد التقارير القصصية التي تم الحصول عليها باستخدام جهاز BrainpPort بأن المنبهات الكهربائية تثير أحاسيس الذوق المعدني.

من الناحية الفسيولوجية ، تشعر خلايا مستقبلات الذوق بمركبات معينة (الأملاح والأحماض وما إلى ذلك) بسبب تنشيط جزيئات المستقبل على سطح الخلية. بدوره ، يؤدي تنشيط جزيئات المستقبلات إلى إزالة استقطاب غشاء الخلية مما يؤدي في النهاية إلى إطلاق ناقل عصبي وتنشيط الخلايا العصبية الثانوية التي تنقل الإشارة إلى الدماغ (الشكل 2). المحفزات الكهربائية تجاوز وجزيئات المستقبلات يزيل استقطاب خلايا مستقبلات الذوق مباشرة.

بالنظر إلى تشريح نظام مستقبلات الذوق في اللسان (الشكل 2) ، فإنني أميل إلى الاعتقاد بأن مستقبلات الذوق يتم تحفيزها بشكل مباشر ، وليس الخلايا العصبية الثانوية ، لأنها تقع في طبقات أعمق.


التين. 2. المسار العصبي لبراعم التذوق على اللسان. لاحظ أن الخلايا العصبية الثانوية التي تنقل معلومات التذوق إلى الدماغ تقع في طبقات أعمق من براعم التذوق. المصدر: استعراض الكون.

لاحظ أن مستقبلات الذوق تفعل ذلك ليس الإلكترونات. بدلاً من ذلك ، قد تحفزها الأيونات أو الجزيئات الأكبر حجمًا وتتسبب في حدوث أ نزع الاستقطاب للخلية المستقبلة ، بدوره ينشط العصبون الثانوي عبر مشابك كيميائية.

المرجعي
- الفوضى وآخرون., حواس كيم (2005); 30(3): 185-94

إعتراف
* قروض لمن هم خارج القانون وآخرون. (2005) انتقل إلىCMK


هيلين: - واو! إنه سؤال جيد حقًا وقد وصلت إلى النقطة الصحيحة وهي أن الأمر لا يتعلق فقط بمذاقنا في أفواهنا. كما أن أنفنا هو الذي يقودنا إلى الإحساس بالنكهة والذوق ، ولدينا شيئان يحدثان. لدينا ألسنتنا التي عليها براعم التذوق ، في تلال ووديان صغيرة تسمى الحليمات ، وهي مسؤولة عن التقاط الأربعة وبعض الناس يعتقدون أن خمسة مذاقات رئيسية هي مذاق حلو وحامض ومالح ولذيذ أو أومامي ".

ليس هناك الكثير من الفروق الدقيقة بين تلك النكهات المختلفة ، لكننا نختار تلك في لساننا ، وبقية المذاق الذي لدينا يأتي من شم الطعام ، من جزيئات الرائحة التي تخرج منه. إنهم ينفثون أنفنا ، وبشكل أساسي ، يطلقون إشارات الأعصاب من مكان ما يسمى الغشاء المخاطي الشمي داخل أنفك والذي يحتوي على الخلايا العصبية للمستقبلات وسيخبرون عقلك عندما تلتقط مواد كيميائية مختلفة معينة في الطعام.

لكن المثير للاهتمام ، ليس كل الرائحة التي تخرج من أنفك هي المسؤولة عن الطعم. لذا فإن السبب الذي يجعلك لا تستطيع شم الرائحة عندما تكون مصابًا بنزلة برد هو أن الغشاء المخاطي الشمي لديك مغطى بمادة goo وأن الخلايا العصبية للمستقبلات لا تقترب حقًا من جزيئات الرائحة التي تثير اهتمامها. ولكن إذا كنت تحمل الأنف ، ربما لاحظت أنه لا يزال بإمكانك التذوق جيدًا عند تناول الطعام ، وذلك لأن بعض هذه الجزيئات تنتقل أيضًا من فمك عبر الممرات الداخلية ، ولا تزال تجد طريقها إلى الغشاء المخاطي لحاسة الشم. لذلك ليس من الجيد مجرد مسك أنفك إذا كنت لا تحب طعم دوائك.

كريس: - كنت أفعل ذلك. دواء كرنب بروكسل في الواقع.

هيلين: - إنه مفيد ومثير للاهتمام ، في دراسة أجريت عام 2005 في مجلة Neuron ، قادت Dana Small من جامعة Yale دراسة حيث وضعوا أنابيب في أنوف المتطوعين. (آمل أن يدفعوا لهؤلاء الأشخاص جيدًا لأنه يبدو وكأنه دراسة سيئة إلى حد ما). ذهب أحد الأنابيب إلى الأنف فقط. عاد الآخر إلى الفم وكانوا ينفثون روائح في هذه الأنابيب المختلفة. وضعوا الأشخاص داخل ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي ، وأظهروا أن أجزاء مختلفة من الدماغ قد تم تنشيطها اعتمادًا على ما إذا كانت الرائحة قد انتقلت إلى الغشاء المخاطي الشمي مباشرة أو ما إذا كانت قد دخلت الفم ثم عادت إلى هناك. من المنطقي بشكل أساسي ، إذا كنت تشم رائحة شيء ما من مسافة بعيدة ، يكون الأمر أشبه ، "حسنًا ، هناك بعض الشوكولاتة في الطريق. ربما يجب أن أذهب لأجد نفسي بعضًا من ذلك." بينما إذا كنت تأكل الشوكولاتة ، فأنت في الواقع تقوم بأشياء أخرى مثل تحضير جسمك لضربة لطيفة من الدهون والسكر التي ستصاحب هذه الشوكولاتة التي تتناولها. لذلك يبدو أن شيئًا مثيرًا للاهتمام يحدث في أنفك وفمك ليؤدي إلى الإحساس بالذوق.

كريس: - رائع. ما زلت أقول إن إمساك أنفك يعمل جيدًا مع كرنب بروكسل. لقد فعلت ذلك من أجلي.


المدارات الإلكترونية

على الرغم من أنه مفيد في شرح التفاعل والترابط الكيميائي لعناصر معينة ، إلا أن نموذج بوهر للذرة لا يعكس بدقة كيفية توزيع الإلكترونات مكانيًا حول النواة. إنها لا تدور حول النواة مثل الأرض تدور حول الشمس ، ولكنها توجد فيها مدارات الإلكترون. تنتج هذه الأشكال المعقدة نسبيًا عن حقيقة أن الإلكترونات تتصرف ليس فقط مثل الجسيمات ، ولكن أيضًا مثل الموجات. يمكن أن تتنبأ المعادلات الرياضية من ميكانيكا الكم والمعروفة باسم وظائف الموجة ضمن مستوى معين من الاحتمال حيث يمكن أن يكون الإلكترون في أي وقت معين. المنطقة التي يرجح أن يوجد فيها الإلكترون تسمى المدار.

الشكل 4. انقر للحصول على صورة أكبر. ال س تتشكل الأصداف الفرعية مثل الكرات. كل من القذائف الرئيسية 1n و 2n لها س المداري ، لكن حجم الكرة أكبر في المدار 2n. كل كرة هي مدار واحد. ص تتكون الأصداف الفرعية من ثلاثة مدارات على شكل دمبل. الغلاف الرئيسي 2n له أ ص subshell ، لكن القشرة 1 لا تفعل ذلك.

تذكر أن نموذج بوهر يصور تكوين غلاف إلكتروني للذرة. يوجد داخل كل غلاف إلكتروني قشرة فرعية ، ولكل قشرة فرعية عدد محدد من المدارات التي تحتوي على إلكترونات. في حين أنه من المستحيل حساب مكان وجود الإلكترون بالضبط ، يعرف العلماء أنه على الأرجح يقع داخل مساره المداري. يتم تحديد الأجزاء الفرعية بالحروف س, ص, د، و F. ال س القشرة الفرعية كروية الشكل ولها مدار واحد. قذيفة رئيسية 1n لها واحدة فقط س المداري ، والذي يمكن أن يحمل إلكترونين. قذيفة رئيسية 2n لها واحدة س و واحد ص تحت القشرة ، ويمكن أن تحمل ما مجموعه ثمانية إلكترونات. ال ص تحتوي الطبقة الفرعية على ثلاثة مدارات على شكل دمبل ، كما هو موضح في الشكل 4. الأجزاء الفرعية د و F لها أشكال أكثر تعقيدًا وتحتوي على خمسة وسبعة مدارات ، على التوالي. هذه ليست معروضة في الرسم التوضيحي. قذيفة الرئيسية 3n لديها س, ص، و د يمكن أن تحتوي على 18 إلكترونًا. قذيفة الرئيسية 4n لديها س, ص, د و F المدارات ويمكن أن تحتوي على 32 إلكترونًا. بالابتعاد عن النواة ، يزداد عدد الإلكترونات والمدارات الموجودة في مستويات الطاقة. بالتقدم من ذرة إلى أخرى في الجدول الدوري ، يمكن عمل بنية الإلكترون عن طريق تركيب إلكترون إضافي في المدار التالي المتاح.

يُطلق على أقرب مدار للنواة اسم 1س المداري ، يمكنه استيعاب ما يصل إلى إلكترونين. هذا المدار يعادل الغلاف الإلكتروني الأعمق لنموذج بوهر للذرة. يطلق عليه 1س مداري لأنه كروي حول النواة. 1س المداري هو أقرب مدار للنواة ، ودائمًا ما يُملأ أولاً ، قبل أن يُملأ أي مدار آخر. يحتوي الهيدروجين على إلكترون واحد ، لذلك فهو يحتوي على بقعة واحدة فقط داخل 1س المداري المحتلة. تم تعيين هذا كـ 1س 1 ، حيث يشير الرقم 1 المرتفع إلى الإلكترون الواحد داخل 1س المداري. يحتوي الهيليوم على إلكترونين ، لذلك يمكنه ملء 1 تمامًاس المداري بإلكترونيه. تم تعيين هذا كـ 1س 2 ، بالإشارة إلى إلكترونين الهليوم في 1س المداري. في الجدول الدوري ، الشكل 4 ، الهيدروجين والهيليوم هما العنصران الوحيدان في الصف الأول (فترة) هذا لأنهما يحتويان على إلكترونات فقط في غلافهما الأول ، 1س المداري. الهيدروجين والهيليوم هما العنصران الوحيدان اللذان يحتويان على 1س ولا توجد مدارات إلكترونية أخرى في الحالة المحايدة كهربائيًا.

قد تحتوي غلاف الإلكترون الثاني على ثمانية إلكترونات. تحتوي هذه القشرة على شكل كروي آخر س المداري وثلاثة & # 8220 الدمبل & # 8221 على شكل ص المدارات ، كل منها يمكن أن يحمل إلكترونين ، كما هو مبين في الشكل 4. بعد 1س يملأ المدار ، يتم ملء غلاف الإلكترون الثاني ، أولاً يملأ 2س المداري ثم الثلاثة ص المدارات. عند ملء ص المدارات ، يأخذ كل منها إلكترونًا واحدًا مرة واحدة ص المدار له إلكترون ، يمكن إضافة ثانية. يحتوي الليثيوم (Li) على ثلاثة إلكترونات تشغل الغلافين الأول والثاني. يملأ إلكترونان الرقم 1س المداري ، ثم يملأ الإلكترون الثالث 2س المداري. إنه التوزيع الإلكترون هو 1س 2 2س 1. نيون (Ne) ، من ناحية أخرى ، لديه ما مجموعه عشرة إلكترونات: اثنان في أعمق 1س المداري وثماني يملأ غلافه الثاني (اثنان في كل من 2س وثلاثة ص المدارات) وبالتالي ، فهو غاز خامل ومستقر بقوة مثل ذرة واحدة ونادرًا ما تشكل رابطة كيميائية مع ذرات أخرى. العناصر الأكبر لها مدارات إضافية ، تشكل غلاف الإلكترون الثالث. بينما ترتبط مفاهيم الأصداف الإلكترونية والمدارات ارتباطًا وثيقًا ، توفر المدارات تصويرًا أكثر دقة لتكوين الإلكترون للذرة لأن النموذج المداري يحدد الأشكال المختلفة والتوجهات الخاصة لجميع الأماكن التي قد تشغلها الإلكترونات.

شاهد هذه الرسوم المتحركة المرئية لترى الترتيب المكاني لـ ص و س المدارات. لاحظ أن هذا الفيديو لا يحتوي على صوت.


أشكال متخصصة من المجهر الإلكتروني

تم تطوير عدة أنواع من المجهر الإلكتروني للمساعدة في فحص الجوانب المختلفة للعينة.

المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)كان أول مجهر إلكتروني يتم تطويره. إنه يعمل عن طريق إطلاق شعاع من الإلكترونات على شريحة رقيقة من عينة واكتشاف تلك الإلكترونات التي تصل إلى الجانب الآخر. يتيح لنا TEM النظر بدقة عالية جدًا في قسم رفيع من العينة (وبالتالي فهو مشابه لمجهر الضوء المركب). هذا يجعله جيدًا بشكل خاص للتعرف على كيفية تنظيم المكونات داخل الخلية ، مثل العضيات.

التصوير المقطعي الإلكترونيهو شكل من أشكال TEM يتيح لنا رؤية منظر ثلاثي الأبعاد للخلية أو الأنسجة قيد الدراسة. يمكن أن تسهل رؤية الهياكل ذات الأبعاد الثلاثة فهم كيفية ارتباطها ببعضها البعض. يمكن أن يعطي التصوير المقطعي الإلكتروني أيضًا صورًا ثنائية الأبعاد بدقة أعلى من TEM التقليدي.

المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)يتيح لنا رؤية سطح الأشياء ثلاثية الأبعاد بدقة عالية. إنه يعمل عن طريق مسح سطح الجسم بحزمة مركزة من الإلكترونات واكتشاف الإلكترونات المنعكسة من سطح العينة والمطرودة منه. عند التكبير المنخفض ، يمكن التركيز على الكائنات بأكملها (مثل الحشرات) التي يتم عرضها على SEM في نفس الوقت. هذا هو السبب في أن SEM جيد جدًا في إنشاء صور ثلاثية الأبعاد للقمل والذباب والثلج وما إلى ذلك.

CryoSEMهو شكل متخصص من التسويق عبر محرك البحث وهو جيد للنظر في الأشياء التي تحتوي على رطوبة (مثل النباتات أو الطعام). في cryoSEM ، يتم تجميد العينات في النيتروجين السائل قبل عرضها. هذا يتجنب الحاجة إلى خطوات التحضير المعقدة التي تتم قبل SEM التقليدي (إلى حد كبير لإزالة الماء من العينة). غالبًا ما يختار العلماء cryoSEM لأنه يعطي صورة أكثر دقة لما كانت تبدو عليه العينة قبل تحضيرها للفحص المجهري.

حيود التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD)يستخدم للبحث بالتفصيل في بنية المعادن (مثل تلك الموجودة في الصخور). بدلاً من أن تكون مجاهرًا في حد ذاتها ، فإن كاشفات EBSD هي إضافات إلى SEMs. بعد إطلاق شعاع الإلكترون على الصخر ، يكتشف نظام EBSD الإلكترونات التي دخلت الصخر وتشتتت في جميع الاتجاهات. يمكن لنمط التشتت أن يخبر العلماء كثيرًا عن بنية المعدن واتجاه البلورات بداخله.


تكوينات الإلكترون والجدول الدوري

يتم ترتيب العناصر في الجدول الدوري بناءً على عددها الذري وعدد البروتونات الموجودة بها. في الذرة المحايدة ، عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات ، لذلك يمكننا بسهولة تحديد عدد الإلكترون من العدد الذري. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر موضع عنصر في الجدول الدوري - العمود أو المجموعة أو الصف أو الفترة - معلومات مفيدة حول كيفية ترتيب هذه الإلكترونات.

إذا أخذنا في الاعتبار الصفوف الثلاثة الأولى فقط من الجدول ، والتي تتضمن العناصر الرئيسية المهمة للحياة ، فإن كل صف يتوافق مع ملء غلاف إلكتروني مختلف: يضع الهيليوم والهيدروجين إلكتروناتهما في غلاف 1n ، بينما عناصر الصف الثاني مثل يبدأ Li في ملء غلاف 2n ، وتستمر عناصر الصف الثالث مثل Na مع الغلاف 3n. وبالمثل ، يعطي رقم عمود العنصر معلومات حول عدد إلكترونات التكافؤ والتفاعل. بشكل عام ، يكون عدد إلكترونات التكافؤ هو نفسه داخل عمود ويزيد من اليسار إلى اليمين داخل الصف. تحتوي عناصر المجموعة 1 على إلكترون تكافؤ واحد فقط بينما تحتوي المجموعة 18 عنصرًا على ثمانية ، باستثناء الهيليوم ، الذي يحتوي على إلكترونين فقط. وبالتالي ، فإن رقم المجموعة هو مؤشر جيد على مدى تفاعل كل عنصر:

  • الهيليوم (He) والنيون (Ne) والأرجون (Ar) ، كعناصر المجموعة 18 ، لها غلاف إلكترون خارجي ممتلئ أو يلبي قاعدة الثمانيات. هذا يجعلها مستقرة للغاية مثل الذرات المفردة. بسبب عدم تفاعلهم ، يطلق عليهم اسم الغازات الخاملة أو غازات نبيلة.
  • يحتوي الهيدروجين (H) والليثيوم (Li) والصوديوم (Na) ، كعناصر المجموعة 1 ، على إلكترون واحد فقط في غلافها الخارجي. فهي غير مستقرة كذرات مفردة ، ولكن يمكن أن تصبح مستقرة بفقدان أو مشاركة إلكترون التكافؤ الواحد الخاص بها. إذا فقدت هذه العناصر إلكترونًا تمامًا - كما يفعل Li و Na عادةً - فإنها تصبح أيونات موجبة الشحنة: Li +، Na +.
  • يحتوي الفلور (F) والكلور (Cl) ، كعناصر المجموعة 17 ، على سبعة إلكترونات في غلافها الخارجي. تميل إلى تحقيق ثماني بتات ثابتة عن طريق أخذ إلكترون من ذرات أخرى ، لتصبح أيونات سالبة الشحنة: F - و Cl -.
  • يحتوي الكربون (C) ، كعنصر من المجموعة 14 ، على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي. عادةً ما يشترك الكربون في الإلكترونات لتحقيق غلاف تكافؤ كامل ، مكونًا روابط مع ذرات أخرى متعددة.

وبالتالي ، تعكس أعمدة الجدول الدوري عدد الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ لكل عنصر ، والذي بدوره يحدد كيفية تفاعل العنصر.


يمكن أن تكون الإلكترونات في مكانين في وقت واحد ، ولكن كيف نعرف أنه & # x27s نفس الإلكترون الموجود في الموقع 1 و amp 2؟

لذلك ، هذا: http://bigthink.com/dr-kakus-universe/nobel-prize-awarded-to-two-quantum-physicists أشياء مثيرة للإعجاب! لكني & # x27m أعاني من النقطة "أ": كيف يمكننا & # x27s تحديد & اقتباس الإلكترونات ونعلم أنه & # x27s نفس الإلكترون الموجود في الموقع 1 & amp 2؟

هذا مفيد جدا. اعتقدت دائمًا أنه من الغريب أننا لم & # x27t نقضي كل لحظة يقظة في اكتشاف هذا & # x27in مكانين في وقت واحد & # x27 لأنه يعني وجود كون مختلف تمامًا عن الكون الذي تم تحديده كميًا حتى الآن. واحد واحد في مكان واحد في أي وقت. واحد ليس اثنين ولا يتصرف # x27t مثل اثنين. حتى أقل دراماتيكية من & quotin حالتين في وقت واحد ، & quot & # x27s مجرد احتمال إحصائي ، لا أعرف ، القطة الموجودة في الصندوق على قيد الحياة أم ميتة؟ لذلك تم المبالغة في التفسيرات العامة لهذا الأمر بشكل كبير. هل هذا صحيح؟

نحن لا & # x27t ، لا يمكن تمييز الإلكترونات تمامًا. إلكترون 1 يذهب في نزهة والإلكترون 2 يأخذ قيلولة هو بالضبط نفس الحالة * مثل الإلكترون 1 يأخذ غفوة والإلكترون 2 يمشي.

* للأطفال: الدولة ، وليس كيت

يميل Kaku إلى محاولة وصف هذه الأشياء بشكل غامض إلى حد ما ، حيث يتم تداول الدقة من أجل (نأمل) المزيد من إمكانية الوصول. لذا لا تتفاجأ عندما يكون الأمر محيرًا بعض الشيء لمعرفة ما يقوله بالضبط.

يلخص كاكو البحث الذي أدى إلى الحصول على جائزة نوبل لعام 2012. لم يقم الباحثون بوضع علامات على الذرات أو الفوتونات بأي شكل من الأشكال. بدلاً من ذلك ، كانوا يخلقون ظروفًا عرفوا فيها أن لديهم ذرة واحدة بالضبط أو فوتونًا واحدًا بالضبط ، ثم ما زالوا يلاحظون تأثيرات الجسيمات المفردة الموجودة في تراكب حالات متعددة في وقت واحد.

كان هذا إنجازًا مثيرًا للإعجاب ، ولكن نظرًا للطريقة التي نتحدث بها عادةً عن ميكانيكا الكم ، فمن المحتمل أنه ليس من الواضح سبب كونه مثيرًا للإعجاب. الشيء هو أننا نتظاهر غالبًا كما نعلم أن هناك فوتونًا واحدًا أو إلكترونًا واحدًا في تراكب الحالات عند وصف تجربة الشق المزدوج ، على سبيل المثال. لكن الواقع عادة ما يكون أكثر تعقيدًا. نحن عادة غير متأكدين من عدد الجسيمات الموجودة بالضبط. حتى نصف ما نلاحظه حقًا ، نحتاج إلى افتراض أنه ليس فقط ، لنقل ، كل فوتون في حالة تراكب لحالات مختلفة ، ولكن أيضًا أن النظام بأكمله في تراكب للفوتون 1 ، 2 فوتون ، 3 فوتون ، إلخ. . تنص على. هذا يسمى التكمية الثانية وتمثل حالة الفوتون n حالة Fock محددة يمكن للنظام أن يوجد فيها.

ولكن مثلما يمكننا إجبار الإلكترون على أن يكون في حالة واحدة معينة بدلاً من تراكب الحالات ، يمكننا إجبار الحقل على أن يكون في حالة فوك معينة حيث يُعرف العدد الدقيق للجسيمات. هذا ما تمكن كل من وينلاند وهاروش من تحقيقه ، ولكن بجزيئات مختلفة. عمل وينلاند مع أيونات مفردة في مصيدة فراغ ، وعمل هاروش بفوتونات مفردة في تجويف طنين. كلاهما كانا لا يزالان قادرين على ملاحظة أن جسيماتهما الفردية كانت في حالة تراكب.

كما قلت سابقًا ، فإن معظم أوصاف ميكانيكا الكم نوع من اللمعان على أن التجارب لا تعمل في الواقع مع حالات Fock المفردة. يتيح لك ذلك تجنب شرح كيفية عمل نظرية المجال. لذلك ربما كنت تعتقد أن هذه النتائج كانت واضحة بالفعل. لكن دفع الأشياء إلى نظام حالة فوك واحد مهم لتأكيد أن بعض التأثيرات الكمومية غير البديهية يمكن تفسيرها حقًا كنتيجة لتدخل جسيم واحد في نفسه ، بدلاً من أن يكون هذا الوصف مجرد طريقة غامضة للحديث عن الحقول الكمومية.


كيف تجعل الإلكترونات تتصرف مثل السائل

يُظهر عمل جديد أن تفاعلات الإلكترونات في الجرافين تؤدي إلى تدفقات تيار لزج ، مما يخلق دوامات صغيرة تتسبب في انتقال الإلكترونات في الاتجاه المعاكس للجهد المطبق - في انتهاك مباشر للنظرية الكهربائية القياسية. تُظهر الخطوط البيضاء خطوط الانسيابية الحالية ، وتُظهر الألوان إمكانات كهربائية ، وتُظهر الأسهم الخضراء اتجاه التيار ، للتدفقات اللزجة (العلوية) والعادية (الأومية).

المقاومة الكهربائية مفهوم بسيط: فبدلًا من أن يؤدي الاحتكاك إلى إبطاء دوران جسم ما على سطح ما ، فإن المقاومة تبطئ تدفق الإلكترونات عبر مادة موصلة. لكن اثنين من علماء الفيزياء وجدا الآن أن الإلكترونات يمكن أن تتعاون في بعض الأحيان لقلب المقاومة على رأسها ، مما ينتج عنه دوامات وتدفق عكسي للتيار الكهربائي.

إن التنبؤ بـ "المقاومة السلبية" هو مجرد واحد من مجموعة من التأثيرات الشبيهة بالسوائل الغريبة والمضادة للحدس والتي تمت مواجهتها في ظل ظروف غريبة معينة ، والتي تتضمن أنظمة من الجسيمات شديدة التفاعل في ورقة من الجرافين ، وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون. تم وصف النتائج في ورقة نشرت اليوم في المجلة فيزياء الطبيعة، بقلم أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليونيد ليفيتوف وجريجوري فالكوفيتش ، الأستاذ في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل.

تتحرك الإلكترونات في الجرافين بطريقة منسقة بدقة ، تشبه في نواح كثيرة حركة السوائل اللزجة عبر أنبوب حيث تتأثر بشدة بالاضطرابات والدوامات. يرجع هذا إلى التفاعلات التي تنتج استجابة طويلة المدى للمجال الحالي ، تختلف تمامًا عن السلوك "الفردي" البسيط المتوقع في ظل الظروف العادية ، عندما تتحرك الإلكترونات في خطوط مستقيمة مثل كرات الدبوس التي ترتد بين الأيونات ، كما هو موضح في قانون أوم ، فإن الباحثين قل.

تم اقتراح فكرة لزوجة الإلكترون من قبل من الناحية النظرية ، ولكن ثبت أنه من الصعب اختبارها لأن لا أحد قد توصل إلى طريقة لمراقبة مثل هذه الظواهر مباشرة. الآن ، يقول ليفيتوف وفالكوفيتش إنهم اكتشفوا مجموعة من العلامات التي يمكن أن تكون بمثابة مؤشر لمثل هذه التأثيرات الجماعية في تدفقات الإلكترونات.

يقول سوبير ساشديف ، أستاذ الفيزياء في جامعة هارفارد الذي لم يشارك في هذا العمل ، إن هذا العمل هو "تطبيق رائع للرؤية النظرية للتنبؤ بتأثير جديد يمكن ملاحظته تجريبيًا". ويقول إن هذه البصيرة "مهمة للغاية وتفتح فصلاً جديدًا في دراسة تدفق الإلكترون في المعادن."

يقول ليفيتوف: "كان هناك دائمًا نوع من الانقسام بين ما يسهل القيام به نظريًا وما يسهل القيام به في التجارب". "كان هناك بحث عن نظام مثالي يسهل على التجريبيين العمل معه وأيضًا أن يكون نظامًا معياريًا مع تفاعلات قوية من شأنها إظهار ظواهر تفاعلية قوية." الآن ، كما يقول ، يوفر الجرافين العديد من الصفات المرغوبة لمثل هذا النظام.

على سطح الجرافين ، يقول ليفيتوف ، "لديك إلكترونات تتصرف كجسيمات نسبية مقترنة بتفاعلات طويلة المدى وقوية جدًا." مع استثناء محتمل للسوائل الغريبة مثل بلازما كوارك-غلوون ، كما يقول ، قد يكون الجرافين أقرب إلى فكرة "سائل شديد التفاعل" ، وهو مفهوم نظري مهم في فيزياء الكم ، أكثر من أي نظام آخر نعرفه حاليًا.

السلوك الجماعي لحاملات الشحن في مثل هذه الأنظمة شديدة التفاعل غريب تمامًا. يقول ليفيتوف: "في الحقيقة ، لا يختلف الأمر كثيرًا عن ميكانيكا الموائع". يمكن حساب الطريقة التي تتحرك بها السوائل "بمعرفة قليلة جدًا عن كيفية تفاعل الذرات الفردية للسائل. نحن لا نهتم كثيرًا" بالحركات الفردية ، إن السلوك الجماعي هو المهم في مثل هذه المواقف ، كما يقول.

في بيئة الجرافين ، تلعب التأثيرات الكمومية ، التي تكون عادةً غير مهمة في المقاييس الأكبر من تأثير الجسيمات الفردية ، دورًا مهيمنًا ، كما يقول. في هذا الإعداد ، "نظهر أن [الطريقة التي تتحرك بها ناقلات الشحنة] لها سلوك جماعي مشابه للسوائل الأخرى شديدة التفاعل ، مثل الماء".

ولكن في حين أن هذا صحيح من الناحية النظرية ، كما يقول ، "السؤال هو ، حتى لو كان لدينا" - أي ، هذا السلوك الشبيه بالسوائل - "كيف نكتشفه؟ على عكس السوائل العادية ، حيث يمكنك تتبع التدفق مباشرة من خلال وضع بعض الخرز فيه ، على سبيل المثال ، في هذا النظام ليس لدينا طريقة لعرض التدفق مباشرة. " ولكن بسبب التركيب ثنائي الأبعاد للجرافين ، بينما تتحرك الإلكترونات عبر المادة "يمكننا الحصول على معلومات من القياسات الكهربائية" من الخارج ، حيث يمكن وضع المجسات في أي نقطة على الصفيحة.

يعتمد النهج الجديد على حقيقة أنه "إذا كان لديك تدفق لزج ، فإنك تتوقع أن تسحب الأجزاء المختلفة من السائل بعضها البعض وتنتج دوامات. ستخلق تدفقًا سيسحب الجسيمات المجاورة وسيؤدي إلى دوامة ، "ليفيتوف يقول. على وجه التحديد ، سيصاحب التدفق المباشر في منتصف شريط الجرافين دوامات تتطور على طول الجانبين. في هذه الدوامات ، يمكن للإلكترونات أن تتدفق في الواقع في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال الكهربائي المطبق - مما يؤدي إلى ما يشير إليه الفيزيائيون بالمقاومة السلبية.

بينما لا يمكن ملاحظة الدوامات نفسها بشكل مباشر ، يمكن قياس الحركة الخلفية لتدفق الإلكترون في أجزاء معينة من المادة ومقارنتها بالتنبؤات النظرية.

في حين أن ليفيتوف وفالكوفيتش لم يجروا شخصيًا مثل هذه التجارب ، إلا أن ليفيتوف يقول إن بعض النتائج الغامضة الحديثة يبدو أنها تتناسب مع النمط المتوقع. في تجربة تم الإبلاغ عنها للتو ، قال "الباحثون رأوا شيئًا مشابهًا ، حيث يتحول الجهد على الجانب إلى سالب. من المغري جدًا أن نقول" إن ما رأوه هو مظهر من مظاهر الظواهر التي تنبأ بها هذا العمل.

يقول ليفيتوف إن المقارنة بين سلوك الإلكترون في الجرافين وديناميكيات الموائع "ليست مجرد تشبيه ، ولكنها تطابق مباشر". ولكن هناك اختلافات مهمة ، بما في ذلك حقيقة أن هذا السائل يحمل شحنة كهربائية ، لذلك فهو لا يتصرف تمامًا مثل تدفق الماء في الأنبوب ولكن بطريقة مشابهة لبعض البلازما ، والتي هي أساسًا سحب من الجسيمات المشحونة.

يقول ليفيتوف إنه نظرًا لأن هذا العمل في مرحلة مبكرة ، فمن السابق لأوانه معرفة ما إذا كان من الممكن أن يكون له أي تطبيقات عملية. لكن أحد الآثار المدهشة لهذا العمل هو أن النقل الحراري يمكن أن يقترن بقوة لشحن النقل. وهذا يعني أن الحرارة يمكن أن تطفو فوق تدفق الشحنات وتنتشر بطريقة تشبه الموجة أسرع بكثير مما هي عليه في الظروف العادية - وربما أسرع بما يصل إلى 10 إلى 100 مرة. هذا السلوك ، إذا تحقق ، يمكن تسخيره في مرحلة ما ، ربما في أجهزة الاستشعار مع أوقات استجابة سريعة للغاية ، كما يتكهن.

يقول Andre Geim ، أستاذ فيزياء المادة المكثفة في جامعة مانشستر في المملكة المتحدة والذي لم يشارك في هذا العمل ، "إنها قطعة نظرية رائعة ، تتفق جيدًا مع النتائج التجريبية الأخيرة التي توصلنا إليها." ويقول إن هذه التجارب "كشفت عن الدوامات التي تنبأت بها مجموعة ليفيتوف وأظهرت أن سائل الإلكترون في الجرافين أكثر لزوجة من العسل بمائة مرة ، على عكس الاعتقاد السائد بأن الإلكترونات تتصرف مثل الغاز".

يضيف جايم أن الجرافين أصبح يستخدم بشكل متزايد في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، ويقول: "لا يمكن لمهندسي الإلكترونيات حقًا استخدام المادة دون فهم خصائصها الإلكترونية. سواء كانت إلكتروناتك تتحرك مثل الرصاص أو تسبح في الدوامات ، من الواضح أنها تحدث فرقًا كبيرًا . "


محتويات

لا ينبغي الخلط بين المادة والكتلة ، لأن الاثنين ليسا نفس الشيء في الفيزياء الحديثة. [9] المادة مصطلح عام يصف أي "مادة فيزيائية. على النقيض من ذلك ، الكتلة ليست مادة بل هي بالأحرى كمية خاصية من المادة والمواد أو الأنظمة الأخرى يتم تحديد أنواع مختلفة من الكتلة في الفيزياء - بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر ، كتلة الراحة ، والكتلة بالقصور الذاتي ، والكتلة النسبية ، والكتلة - الطاقة.

في حين أن هناك آراء مختلفة حول ما يجب اعتباره مادة ، فإن كتلة المادة لها تعريفات علمية دقيقة. الفرق الآخر هو أن المادة لها "معاكس" يسمى المادة المضادة ، لكن الكتلة ليس لها نقيض - لا يوجد شيء مثل "كتلة مضادة" أو كتلة سالبة ، كما هو معروف ، على الرغم من أن العلماء يناقشون هذا المفهوم. المادة المضادة لها نفس خاصية الكتلة (أي الموجبة) مثل نظيرتها العادية من المادة.

تستخدم مجالات العلوم المختلفة مصطلح "مسألة" بطرق مختلفة ، وأحيانًا غير متوافقة. بعض هذه الطرق مبنية على معاني تاريخية فضفاضة ، من وقت لم يكن فيه سبب لتمييز الكتلة عن مجرد كمية من المادة. على هذا النحو ، لا يوجد معنى علمي واحد متفق عليه عالميًا لكلمة "مادة". علميًا ، مصطلح "الكتلة" محدد جيدًا ، لكن "المادة" يمكن تعريفها بعدة طرق. في بعض الأحيان في مجال الفيزياء ، تكون "المادة" مساوية للجسيمات التي تظهر كتلة سكون (أي التي لا يمكنها السفر بسرعة الضوء) ، مثل الكواركات واللبتونات. ومع ذلك ، في كل من الفيزياء والكيمياء ، تُظهر المادة خصائص تشبه الموجة والجسيمات ، ما يسمى بازدواجية الموجة والجسيم. [10] [11] [12]

على أساس الذرات

تعريف "المادة" على أساس تركيبها الفيزيائي والكيميائي هو: المادة مكونة من ذرات. [13] مثل مادة ذرية كما يطلق عليه أحيانًا مادة عادية. على سبيل المثال ، جزيئات الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) هي مادة تحت هذا التعريف لأنها مصنوعة من الذرات. يمكن توسيع هذا التعريف ليشمل الذرات والجزيئات المشحونة ، بحيث يشمل البلازما (غازات الأيونات) والإلكتروليتات (المحاليل الأيونية) ، والتي لم يتم تضمينها بوضوح في تعريف الذرات. بدلا من ذلك ، يمكن للمرء أن يعتمد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات تعريف.

بناء على البروتونات والنيوترونات والإلكترونات

تعريف "المادة" الأكثر دقة من تعريف الذرات والجزيئات هو: تتكون المادة مما تتكون الذرات والجزيئات، وهذا يعني أي شيء مصنوع من بروتونات موجبة الشحنة ، ونيوترونات محايدة ، وإلكترونات سالبة الشحنة. [14] هذا التعريف يتجاوز الذرات والجزيئات ، ومع ذلك ، ليشمل المواد المصنوعة من هذه اللبنات الأساسية ليس مجرد ذرات أو جزيئات ، على سبيل المثال أشعة الإلكترون في تلفزيون أنبوب أشعة الكاثود القديم ، أو مادة قزم أبيض - عادةً نوى الكربون والأكسجين في بحر من الإلكترونات المتدهورة. على المستوى المجهري ، تخضع "الجسيمات" المكونة للمادة مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات لقوانين ميكانيكا الكم وتبدي ازدواجية الموجة والجسيمات. على مستوى أعمق ، تتكون البروتونات والنيوترونات من الكواركات وحقول القوة (الغلوونات) التي تربطهما معًا ، مما يؤدي إلى التعريف التالي.

على أساس الكواركات واللبتونات

كما رأينا في المناقشة أعلاه ، استندت العديد من التعريفات المبكرة لما يمكن تسميته "بالمادة العادية" على هيكلها أو "لبنات بنائها". على مقياس الجسيمات الأولية ، يمكن تحديد التعريف الذي يتبع هذا التقليد على النحو التالي: "المادة العادية هي كل ما يتكون من الكواركات واللبتونات" ، أو "المادة العادية هي كل ما يتكون من أي فرميونات أولية باستثناء الكواركات المضادة واللبتونات المضادة" . [15] [16] [17] يتبع الرابط بين هذه الصيغ.

تتحد اللبتونات (أشهرها الإلكترون) والكواركات (التي تتكون منها الباريونات ، مثل البروتونات والنيوترونات) لتكوين الذرات ، والتي بدورها تشكل الجزيئات. نظرًا لأنه يُقال إن الذرات والجزيئات مادة ، فمن الطبيعي صياغة التعريف على النحو التالي: "المادة العادية هي أي شيء مصنوع من نفس الأشياء التي تتكون منها الذرات والجزيئات". (ومع ذلك ، لاحظ أنه يمكن للمرء أيضًا أن يجعل من هذه اللبنات مهمة ليس الذرات أو الجزيئات.) بعد ذلك ، نظرًا لأن الإلكترونات هي لبتونات ، وبروتونات ، والنيوترونات مكونة من كواركات ، فإن هذا التعريف يؤدي بدوره إلى تعريف المادة على أنها "كواركات ولبتونات" ، وهما نوعان من أربعة أنواع من الفرميونات الأولية (الاثنان الآخران هما الكواركات المضادة و antileptons ، والتي يمكن اعتبارها مادة مضادة كما هو موضح لاحقًا). يقول Carithers و Grannis: "تتكون المادة العادية بالكامل من جسيمات الجيل الأول ، وهي الكواركات [العلوية] و [السفلية] ، بالإضافة إلى الإلكترون ونيوترينوه." [16] (تتحلل جسيمات الأجيال الأعلى بسرعة إلى جسيمات من الجيل الأول ، وبالتالي لا توجد عادة. [18])

هذا التعريف للمادة العادية أكثر دقة مما يبدو للوهلة الأولى. جميع الجسيمات التي تتكون منها المادة العادية (اللبتونات والكواركات) هي فرميونات أولية ، في حين أن جميع حوامل القوة هي بوزونات أولية. [19] The W and Z bosons that mediate the weak force are not made of quarks or leptons, and so are not ordinary matter, even if they have mass. [20] In other words, mass is not something that is exclusive to ordinary matter.

The quark–lepton definition of ordinary matter, however, identifies not only the elementary building blocks of matter, but also includes composites made from the constituents (atoms and molecules, for example). Such composites contain an interaction energy that holds the constituents together, and may constitute the bulk of the mass of the composite. As an example, to a great extent, the mass of an atom is simply the sum of the masses of its constituent protons, neutrons and electrons. However, digging deeper, the protons and neutrons are made up of quarks bound together by gluon fields (see dynamics of quantum chromodynamics) and these gluons fields contribute significantly to the mass of hadrons. [21] In other words, most of what composes the "mass" of ordinary matter is due to the binding energy of quarks within protons and neutrons. [22] For example, the sum of the mass of the three quarks in a nucleon is approximately 12.5 MeV/ج 2 , which is low compared to the mass of a nucleon (approximately 938 MeV/ج 2). [23] [24] The bottom line is that most of the mass of everyday objects comes from the interaction energy of its elementary components.

The Standard Model groups matter particles into three generations, where each generation consists of two quarks and two leptons. The first generation is the فوق و down quarks, the إلكترون و ال electron neutrino the second includes the سحر و غريب quarks, the muon و ال muon neutrino the third generation consists of the أعلى و قاع quarks and the تاو و tau neutrino. [25] The most natural explanation for this would be that quarks and leptons of higher generations are excited states of the first generations. If this turns out to be the case, it would imply that quarks and leptons are composite particles, rather than elementary particles. [26]

This quark–lepton definition of matter also leads to what can be described as "conservation of (net) matter" laws—discussed later below. Alternatively, one could return to the mass–volume–space concept of matter, leading to the next definition, in which antimatter becomes included as a subclass of matter.

Based on elementary fermions (mass, volume, and space)

A common or traditional definition of matter is "anything that has mass and volume (occupies space)". [27] [28] For example, a car would be said to be made of matter, as it has mass and volume (occupies space).

The observation that matter occupies space goes back to antiquity. However, an explanation for why matter occupies space is recent, and is argued to be a result of the phenomenon described in the Pauli exclusion principle, [29] [30] which applies to fermions. Two particular examples where the exclusion principle clearly relates matter to the occupation of space are white dwarf stars and neutron stars, discussed further below.

Thus, matter can be defined as everything composed of elementary fermions. Although we don't encounter them in everyday life, antiquarks (such as the antiproton) and antileptons (such as the positron) are the antiparticles of the quark and the lepton, are elementary fermions as well, and have essentially the same properties as quarks and leptons, including the applicability of the Pauli exclusion principle which can be said to prevent two particles from being in the same place at the same time (in the same state), i.e. makes each particle "take up space". This particular definition leads to matter being defined to include anything made of these antimatter particles as well as the ordinary quark and lepton, and thus also anything made of mesons, which are unstable particles made up of a quark and an antiquark.

In general relativity and cosmology

In the context of relativity, mass is not an additive quantity, in the sense that one can not add the rest masses of particles in a system to get the total rest mass of the system. [1] : 21 Thus, in relativity usually a more general view is that it is not the sum of rest masses, but the energy–momentum tensor that quantifies the amount of matter. This tensor gives the rest mass for the entire system. "Matter" therefore is sometimes considered as anything that contributes to the energy–momentum of a system, that is, anything that is not purely gravity. [31] [32] This view is commonly held in fields that deal with general relativity such as cosmology. In this view, light and other massless particles and fields are all part of "matter".

In particle physics, fermions are particles that obey Fermi–Dirac statistics. Fermions can be elementary, like the electron—or composite, like the proton and neutron. In the Standard Model, there are two types of elementary fermions: quarks and leptons, which are discussed next.


بناء نموذج بوهر للذرة

يعد فهم تكوين الإلكترون أمرًا أساسيًا لفهم التفاعل الكيميائي. بينما يمكننا تحديد عدد الإلكترونات من العدد الذري ، يحتاج تكوينها إلى بعض الشرح الإضافي. تميل الإلكترونات إلى التشع حول النواة على مسافات مميزة ، تُعرف باسم المدارات. يمكن أن يساعدك هيكل الجدول الدوري في تحديد عدد المدارات التي يمتلكها عنصر ما وعدد الإلكترونات الموجودة في كل مدار.

يتم تقسيم الجدول الدوري إلى فترات (صفوف) ومجموعات (أعمدة). تمثل كل فترة عدد مدارات الإلكترون التي تمتلكها ذرة عنصر. يمكننا أيضًا تحديد كيفية ترتيب هذه الإلكترونات بناءً على موضع العنصر في الجدول الدوري. تملأ الإلكترونات المدارات الداخلية قبل إضافة مدارات جديدة. على سبيل المثال ، يحتوي الليثيوم (Li) على مدارين لأنه يقع في الفترة الثانية (الصف الثاني). نظرًا لأن العدد الذري لليثيوم هو 3 ، فنحن نعلم أنه يحتوي على 3 إلكترونات. يملأ الإلكترونان الأولان المدار الأول ، والمدار الأخير (المعروف باسم مدار التكافؤ) به إلكترون واحد (يُعرف باسم إلكترون التكافؤ). في الواقع ، تحتوي جميع العناصر الموجودة في العمود الأول (المجموعة 1) على إلكترون تكافؤ واحد ، ولكن بأعداد مختلفة من المدارات. هذا يعطيهم خصائص كيميائية متشابهة.

الشكل 2. طرق مختلفة لتمثيل ذرة عنصر الليثيوم. أ) الليثيوم كما هو موضح في الجدول الدوري. يحتوي الليثيوم على عدد ذري ​​3 (مما يشير إلى أنه يحتوي على 3 بروتونات وثلاثة إلكترونات) والكتلة الذرية 6.94. عند تقريب الكتلة الذرية إلى 7 ، يمكنك تحديد أن الليثيوم يحتوي على 4 نيوترونات. ب) الليثيوم كما يمثله نموذج بوهر للذرة. يتم تمثيل البروتونات والنيوترونات في منتصف الذرة ، أو النواة. على عكس الهليوم ، يحتوي الليثيوم على مداري إلكترون. أنت تعرف هذا لأنه في الصف الثاني ، أو الفترة. يجب أن تمتلئ المدارات الداخلية بالإلكترونات قبل أن تكتسب المدارات الخارجية الإلكترونات. عدد الإلكترونات الممكنة لكل مدار يساوي عدد العناصر خلال فترة. تحتوي الفترة الأولى على عنصرين ، وبالتالي يمكن لإلكترونين فقط احتلال المدار الأول. يحتوي الليثيوم على ثلاثة إلكترونات. لذلك يملأ الإلكترونان الأولان المدار الأول ويحتل الإلكترون المتبقي المدار الثاني. يُعرف المدار الخارجي باسم مدار التكافؤ ، وتُعرف إلكترونات مدار التكافؤ بإلكترونات التكافؤ. هناك 8 عناصر في الفترة الثانية تشير إلى أن المدار الثاني يمكنه استيعاب ما يصل إلى 8 إلكترونات. ج) مخطط نقطة الإلكترون من الليثيوم. يحتوي الليثيوم على إلكترون تكافؤ واحد ، والذي يتم تمثيله بنقطة واحدة.

تين. 3. الجدول الدوري للعناصر. بالنسبة لهذا المعمل ، سنركز فقط على الصفوف الثلاثة الأولى (أو الفترات). تمثل كل فترة عدد مدارات الإلكترون التي تمتلكها ذرة عنصر. على سبيل المثال ، العنصر 6 ، الكربون (C) في الفترة الثانية يشير إلى أنه يحتوي على مدارين. يمكننا أيضًا تحديد كيفية ترتيب هذه الإلكترونات بناءً على موضع العنصر في الجدول الدوري. عدد الإلكترونات لكل مدار يساوي عدد العناصر خلال فترة. تحتوي الفترة الأولى على عنصرين ، مما يشير إلى أن المدار الأول يمكن أن يحتوي على ما يصل إلى إلكترونين. يمكن أن يصل المدار الثاني إلى ثمانية. تملأ الإلكترونات المدارات الداخلية قبل إضافة مدارات جديدة. لتحديد عدد إلكترونات التكافؤ (الإلكترونات في المدار الخارجي) ، يمكنك العد البسيط من اليسار إلى اليمين في الفترة التي يوجد فيها العنصر. على سبيل المثال ، يحتوي الكربون (C) على 6 إلكترونات. إنه في الصف الثاني ، وبالتالي له مداريان. أول إلكترونين من الكربون موجودان في المدار الداخلي والأربع إلكترونين الأخيرين في غلاف إلكترون التكافؤ. إذا عدت من اليسار إلى اليمين في الفترة 2 ، فإن الكربون هو العنصر الرابع. هذا يتوافق مع عدد إلكترونات التكافؤ التي يمتلكها الكربون ، أربعة. تعتبر إلكترونات التكافؤ مسؤولة بشكل أساسي عن التفاعل الكيميائي لعنصر ما.

الروابط الأيونية هي روابط قوية للغاية بين الذرات مع عدد غير متساوٍ من إلكترونات التكافؤ. تتشكل الروابط الأيونية عندما تنجذب الذرات المشحونة ، أو الأيونات ، عندما يتخلى المرء عن واحد أو أكثر من إلكتروناته للذرة الأخرى. الأيون هو ذرة أو جزيء لا يساوي فيه العدد الإجمالي للإلكترونات العدد الإجمالي للبروتونات ، مما يعطي الذرة أو الجزيء صافي شحنة كهربائية موجبة أو سالبة. تُعرف العناصر التي تتخلى عن الإلكترونات بحرية باسم الكاتيونات ، والتي لها شحنة موجبة بسبب فقدان إلكترون سالب الشحنة (-1 × -1 = +1). الكاتيونات هي عناصر في المجموعة 1 والمجموعة 2. العناصر في هذه المجموعات لها غلاف تكافؤ مكتمل تقريبًا ولها شحنة سالبة قوية وتسرق إلكترونات الكاتيون (+1 × -1 = -1). تُعرف هذه العناصر باسم الأنيونات ، وتوجد عادةً في المجموعة 16 والمجموعة 17. تحدث الروابط الأيونية بسبب قوة الجذب الكهروستاتيكية بين أيونيين مشحونين بشكل معاكس: الكاتيونات (+) والأنيونات (-).

ملح الطعام هو مثال كلاسيكي على الرابطة الأيونية. كيميائيًا ، يُعرف الملح باسم كلوريد الصوديوم وله الصيغة الكيميائية ، NaCl. تخبرنا الصيغة الكيميائية أن ذرة واحدة من الصوديوم (Na) تتحد مع ذرة واحدة من الكلور (Cl). دعونا نرى كيف تتشكل هذه الرابطة.

الشكل 4. الرابطة الأيونية بين الصوديوم (Na) والكلور (Cl) من كلوريد الصوديوم ، Na + Cl-. ينتج عن فقدان إلكترون سالب الشحنة (e-) من ذرة الصوديوم كاتيون صوديوم موجب الشحنة (Na +) ، بينما يصبح الكلور أنيون سالب الشحنة (Cl-) بسبب اكتساب إلكترون.

يوجد أدناه مثال لتصور متحرك لكيفية عمل الرابطة الأيونية في فلوريد الصوديوم Na + F-. مثل الكلور ، يحتوي الفلور أيضًا على إلكترون تكافؤ واحد. لذا فإن الرابطة الأيونية تتشكل بشكل مشابه لـ Na + Cl-.

الشكل 5. الترابط الأيوني لـ NaF. الصوديوم (Na) يعطي إلكترونًا واحدًا للفلور (F). نظرًا لأن Na فقد إلكترونًا سالب الشحنة (e-) ، فإنه يحتوي على شحنة +1 (-1 × -1 = +1). شحنة الفلورين -1 منذ أن اكتسب إلكترونًا.

Exercsie C: مخططات لويس النقطية

يتأثر التفاعل الكيميائي في الغالب بعدد ذرات إلكترون التكافؤ. تميل إلكترونات المدارات الداخلية إلى أن تكون مستقرة للغاية وغير تفاعلية. في المقابل ، تتفاعل الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي (مدار التكافؤ) بنشاط مع الذرات الأخرى. تم تطوير مخططات لويس النقطية كطريقة لتبسيط نموذج بوهر للذرة لتصور تفاعلات إلكترونات التكافؤ بشكل أكثر كفاءة.

الشكل 6. مخطط لويس النقطي للنيتروجين. يحتوي النيتروجين على خمسة إلكترونات تكافؤ. سوف يتزاوج إلكترونان تكافؤان مع بعضهما البعض ويكونان غير متفاعلين في الرابطة التساهمية. ستتفاعل إلكترونات التكافؤ الثلاثة الأخرى غير المزاوجة مع ذرات أخرى في رابطة تساهمية.

لإنشاء مخطط لويس النقطي ، حدد عدد إلكترون التكافؤ في الذرة. على سبيل المثال ، يحتوي النيتروجين (N) على خمسة إلكترونات تكافؤ. يمكنك تحديد ذلك بسهولة عن طريق تحديد موقع النيتروجين في الجدول الدوري (العدد الذري 7). في الفترات الثلاث الأولى من الجدول ، عد ببساطة من اليسار إلى اليمين في الفترة التي يوجد فيها النيتروجين. النيتروجين هو العنصر الخامس في الفترة الثانية. لذلك ، يحتوي النيتروجين على خمسة إلكترونات تكافؤ.

بالنسبة للعناصر في الفترات الثلاث الأولى (وجميع العناصر في المجموعات 1-2 و 13-18) ، تميل الإلكترونات في المدار إلى الازدواج عندما يكون هناك أكثر من أربعة إلكترونات تكافؤ. في مثال النيتروجين ، يقترن اثنان من الإلكترونات وتكون غير متفاعلة ، تاركة ثلاثة إلكترونات تتفاعل مع الذرات المجاورة. بالنسبة إلى مخطط لويس النقطي ، قمنا برسم تخطيطي لهذه الظاهرة عن طريق إقران إلكترونين على جانب واحد من الرمز الكيميائي (للإشارة إلى عدم تفاعل هذه الإلكترونات) ووضع الإلكترونات الثلاثة الأخرى المتفاعلة على الجوانب الثلاثة الأخرى للرمز الكيميائي.

Exercsie D: الروابط التساهمية

تتضمن الروابط التساهمية مشاركة أزواج الإلكترونات بين الذرات ، عندما يكون هناك جاذبية متساوية نسبيًا بسبب الكهربية المتشابهة بين الذرات. تسمح هذه المساواة النسبية في التجاذب الكهرومغناطيسي لهذه الذرات بمشاركة الإلكترونات بين الذرات ، وربطها ببعضها البعض. تشترك الذرات في الجزيئات التساهمية في عدد كافٍ من الإلكترونات لإكمال غلاف التكافؤ.

الشكل 7. استخدام مخطط لويس النقطي لتصور كيفية تشكل الماء (H2O) عن طريق الترابط التساهمي. يحتوي جزيئي الهيدروجين على إلكترون واحد تفاعلي في مدار التكافؤ وكل منهما يشترك في إلكترون مع ذرة أكسجين واحدة. يحتوي الأكسجين على ستة إلكترونات تكافؤ ، زوجان غير متفاعلين. يتفاعل الإلكترونان المتبقيان مع ذرات الهيدروجين مكونين روابط تساهمية واحدة بين ذرة الأكسجين والهيدروجين.

الشكل 8. الهيكل العظمي للمياه. يتم تصور الروابط الفردية ، حيث يتم مشاركة إلكترونين بين الذرات كخط واحد بين الذرات.

السندات الفردية

نظرًا لأن الهيدروجين يحتوي على إلكترون واحد فقط في غلاف التكافؤ الأول ، فإنه يحتاج فقط إلى مشاركة إلكترون واحد من ذرة أخرى لإكمال غلاف التكافؤ. يمكن أن تتسع القشرة الأولى لإلكترونين فقط. العناصر التي ترتبط تساهميًا في الفترتين 2 و 3 (المجموعات 13-16) تحتاج إلى مشاركة عدد كافٍ من الإلكترونات لملء غلاف التكافؤ ، وهو ثمانية إلكترونات. تحتوي ذرة الأكسجين في حد ذاتها على 6 إلكترونات تكافؤ وتحتاج إلى مشاركة إلكترونين من الذرات المجاورة. تشترك كل ذرة هيدروجين في إلكترونها مع أحد إلكترونات الأكسجين ، وتتزاوج مكونة رابطة تساهمية واحدة ، تسمى عادةً رابطة واحدة. في بنية لويس النقطية ، يتم تصور هذه الرابطة من خلال النقطتين بين H و O. يتم إقران الإلكترونات الأربعة للأكسجين وهي غير متفاعلة ، والتي يتم تصورها من خلال النقطتين فوق وتحت O. يمكن أن يكون هيكل لويس النقطي تم تبسيطه في بنية هيكلية عن طريق إبراز الروابط بين الذرات في الجزيء ، مع وجود خط واحد لكل إلكترونين مشتركين في رابطة واحدة. يمكن إظهار الإلكترونات غير المتفاعلة في بنية هيكلية ، ولكن عادةً ما يتم حذفها (ومع ذلك يتم استنتاجها).

الرابطة المزدوجة

يمكن لبعض الجزيئات أن تشترك في أكثر من إلكترونين بين الذرات. عندما يحدث هذا ، تظهر الروابط المزدوجة أو الثلاثية. الأكسجين (O2) هو مثال على الرابطة المزدوجة. تحتاج كل ذرة أكسجين إلى مشاركة اثنين من إلكتروناتها من أجل ملء إلكترون التكافؤ الخاص بها. إذا كانت كل ذرة أكسجين تشترك في إلكترونين مع إلكترونين آخرين من الأكسجين (أربعة إلكترونات تفاعلية إجمالية مشتركة) ، فإن غلاف التكافؤ الخاص بهم بشكل جماعي مكتمل. هذا مثال على الرابطة المزدوجة. يحتوي الهيكل العظمي لـ O2 (الشكل 9) على سطرين بين ذرات الأكسجين ، يمثلان زوجين من الإلكترونات التي يتم مشاركتها بين ذرتي الأكسجين. ستمثل بنية لويس النقطية لـ O2 رابطة مزدوجة بأربع نقاط بين ذرات الأكسجين ، تمثل الإلكترونات الأربعة المشتركة.

الشكل 9. هيكل لويس والهيكل العظمي لـ O2. أ) هيكل لويس O2. تحتوي ذرة الأكسجين على 6 إلكترونات تكافؤ. في O2 ، يتشارك زوجان من إلكترونات التكافؤ بين ذرتي الأكسجين ، مما يشكل رابطة مزدوجة. في بنية لويس ، يتم تصور الرابطة المزدوجة كأربع نقاط بين ذري الأكسجين. يحتوي كل أكسجين على زوجين من الإلكترونات غير المتفاعلة ، تظهر على شكل نقاط غير متجاورة بين الذرتين. ب) الهيكل العظمي لـ O2. عادة ما يتم تصور O2 على أنه هيكل عظمي ، مع وجود سطرين متصلين بواسطة خطين ، يمثلان الرابطة المزدوجة. عادة لا يتم عرض أزواج الإلكترون غير التفاعلية.

Exercsie E: روابط هيدروجينية

الشكل 10. هيكل ثلاثي الأبعاد لجزيء الماء. الماء جزيء قطبي ، بسبب التوزيع غير المتكافئ لكثافة الإلكترون. الأكسجين الموجود في الماء له شحنة سالبة جزئية (δ-) بسبب المشاركة غير المتكافئة بين أزواج إلكترونات الأكسجين والهيدروجين ، حيث يحتفظ الأكسجين بالإلكترونات المشتركة أكثر من الهيدروجين. في المقابل ، يحتوي الهيدروجين على شحنة موجبة جزئية (δ +). هذه الشحنات الجزئية داخل جزيء الماء مسؤولة أيضًا عن الترابط الهيدروجيني بين جزيئات الماء والجزيئات الأخرى.

الماء (H2O) هو في الواقع جزيء منحني. يحتوي الأكسجين على زوجين منفردان من الإلكترونات لا يترابطان مع ذرة أخرى. نظرًا لأن الماء عبارة عن جزيء رباعي السطوح (فكر في كرة ستايروفوم بها أربعة أعواد أسنان تخرج منها على مسافة متساوية من بعضها البعض) ، يجب أن تكون أزواج الإلكترونات الوحيدة متجاورة. عندما يحدث هذا ، يمارس الأزواج المنفردين قوة طاردة لبعضهم البعض تدفع ضد بعضها البعض عند 121.5 درجة. كل زوج إلكترون وحيد هو أيضًا 121.5 من الجزيء المجاور له. هذه الطبيعة المنحنية تولد قطبية وبنية منحنية في جزيء الماء.

كهرسلبية

بينما يتكون جزيء الماء من الروابط التساهمية ، هناك مشاركة غير متكافئة للإلكترونات بين ذرة الأكسجين وذرات الهيدروجين. نظرًا لأن الأكسجين يحتوي على ستة إلكترونات تكافؤ ولهيدروجين واحد فقط ، فإن الأكسجين له قوة سحب على الإلكترونات أقوى من الهيدروجين. يُعرف سحب الذرات هذا بالقدرة الكهربية.

ذرات الأكسجين كهرسلبية للغاية والتي تجذب الإلكترونات إليها بقوة أكبر من الهيدروجين ، مما يجعل المنطقة القريبة من الأكسجين أكثر سلبية قليلاً من المناطق الموجودة حول ذرتي الهيدروجين. بشكل فعال يجعل هذا الأكسجين سالبًا جزئيًا (δ-). بعبارة أخرى ، تحتوي ذرة الأكسجين على الإلكترونات أكثر من الهيدروجين. يرجع انخفاض كهرسلبية الهيدروجين إلى عدم قدرته النسبية على التمسك بإلكتروناته في وجود الأكسجين ، مما يمنحه شحنة موجبة جزئيًا (δ +). يعطي هذا الاختلاف في قطبية الماء العديد من الخصائص الفريدة. يحدث الترابط الهيدروجيني بين الهيدروجين والعناصر عالية الكهرسلبية التالية: الأكسجين (O) والنيتروجين (N) والفلور (F).

الرابطة الهيدروجينية في الماء

في الماء ، تتشكل روابط الهيدروجين بين ذرات الأكسجين السالبة جزئيًا (-) لجزيء ماء واحد مع ذرات الهيدروجين الموجبة جزئيًا (δ +) لجزيء ماء آخر. In liquid water, hydrogen bonding occurs between molecules, but hydrogen bonds are easily broken because they are weak. Therefore, water molecules are continually bonding and detaching. In ice, water molecules bond with neighboring molecules, but they do not detach. Due to the bent structure of the water molecule, the molecular structure of ice forms a lattice network that is more spread out than liquid water.

الشكل 11. Hydrogen bonding in liquid water. The electronegativity of a water molecule is responsible for the liquid nature of water. Hydrogen bonds form between adjacent O atoms and H atoms of different H20 molecules. These molecules readily form and detach. Liquid water molecules are randomly assorted and continually attaching and detaching, giving the property of liquid water a fluid state. Liquid water is much denser than ice, because its molecules are more compact (dense) than the crystalline lattice of ice.

الشكل 12. Hydrogen bonding in solid water, or ice. Ice is a solid at a molecular level because hydrogen bonds form among all the water molecules forming a lattice structure. This lattice structure (or crystalline structure) is more spread out than liquid water, due to the polarity (and bent shape) of the water molecule. Molecules that are more spread out generate substances that have lower density. This is why ice floats on water.


The way we experience music is always evolving

Noting the difference between how I discovered music as a teen (albums, in my room, reading liner notes) and how I discover music now (Shazam, listening to anything á la carte, on demand, via any device I own), I asked Gasser if young people still took the time to really get into bands, or artists, or if technology had affected that aspect of musical discovery. “Technology always has an influence on how we listen to music and how we interact to music,” he says. “The whole notion that people would have to buy an album made musicians think about their music from a theatrical standpoint, creating an hour-long musical experience as opposed to a song-by-song experience. When my kids discover an artist they like, and an album has a couple of songs they love, they still do explore the whole album. You just don't need to save up all your allowance to buy one album. You can listen to everything.”

Related

You, Explained Here's why we feel compelled to record music concerts

No matter how old we are, Gasser says it’s “on us” to continue to discover new music. “We all come hardwired to be very sophisticated in our musical understanding,” he explains. “Ultimately, there’s no reason why someone who doesn’t play an instrument or compose music can’t be as eclectic and sophisticated and devout in their music listening as someone who is a professional musician. So much of it is confidence and taking barriers down that say, ‘I’m not a musician so I couldn’t possibly like jazz because I don’t get it.’ That’s nonsense. We all have the ability, if we keep our minds open, to explore any music.”

He recalls attending a recent wedding and realizing every 20-something was mouthing every lyric to every song the DJ was playing, yet he found himself unfamiliar. “Every generation has its masterpieces and its schlock,” he says. “I have no doubt this generation will produce music that are their sentimental jewels when they're collecting social security checks.”

MORE IN THE 'YOUR BRAIN ON' SERIES

Want more tips like these? NBC News BETTER is obsessed with finding easier, healthier and smarter ways to live. Sign up for our newsletter and follow us on Facebook, Twitter and Instagram.


شاهد الفيديو: إذا كنت قد دخنت السيجارة الإلكترونية فقل وداعا لرئتيك!! وأخيرا اكتشف الأطباء حقيقة نتائجها الصادمة (قد 2022).