Electron shell
کیمسٹری اور ایٹمک فزکس میں، الیکٹران شیل کو ایک مدار کے طور پر سمجھا جا سکتا ہے جس میں الیکٹران ایٹم کے مرکزے کے ارد گرد چلتے ہیں۔ نیوکلئس کے قریب ترین خول کو "1 خول" کہا جاتا ہے (جسے "کے خول" بھی کہا جاتا ہے)، اس کے بعد "2 خول" (یا "ایل خول")، پھر "3 خول" (یا "ایم خول")، اور اسی طرح نیوکلئس سے دور اور دور۔ خول اصل کوانٹم نمبروں (n = 1، 2، 3، 4) سے مطابقت رکھتے ہیں یا ایکس رے نوٹیشن (K، L، M،) میں استعمال ہونے والے حروف کے ساتھ حروف تہجی کے طور پر لیبل کیے جاتے ہیں۔ ایٹموں میں الیکٹران کے خولوں کو سمجھتے وقت ایک مفید گائیڈ یہ نوٹ کرنا ہے کہ عناصر کی روایتی پیریڈک ٹیبل پر ہر صف الیکٹران کے خول کی نمائندگی کرتی ہے۔ ہر خول میں صرف ایک مقررہ تعداد میں الیکٹران ہو سکتے ہیں: پہلا خول دو الیکٹرانوں کو پکڑ سکتا ہے، دوسرا خول آٹھ (2 + 6) الیکٹرانوں کو پکڑ سکتا ہے، تیسرا خول 18 (2 + 6 + 10) تک پکڑ سکتا ہے اور اسی طرح۔ عمومی فارمولا یہ ہے کہ n واں خول اصولی طور پر 2 (n2) الیکٹرانوں کو پکڑ سکتا ہے۔ اس بات کی وضاحت کے لیے کہ ان خولوں میں الیکٹران کیوں موجود ہیں، الیکٹران کی ترتیب دیکھیں۔ ہر خول ایک یا زیادہ ذیلی خولوں پر مشتمل ہوتا ہے، اور ہر ذیلی خول ایک یا زیادہ جوہری مداروں پر مشتمل ہوتا ہے۔ 1913 میں بوہر نے ایٹم کا ایک نمونہ پیش کیا، جس میں الیکٹرانوں کو ان کے ترتیب وار مداروں میں ترتیب دیا گیا۔ اس وقت، بوہر نے ایٹم کے اندرونی مدار کی صلاحیت کو آٹھ الیکٹرانوں تک بڑھنے کی اجازت دی جیسے جیسے ایٹم بڑے ہوتے گئے، اور "اس [بیرونی] دائرے میں الیکٹرانوں کی تعداد سے نیچے دی گئی اسکیم میں صوابدیدی طور پر متعلقہ عنصر کی نارمل ویلینسی کے برابر رکھا گیا ہے"۔ ان اور دیگر رکاوٹوں کا استعمال کرتے ہوئے، انہوں نے ایسی ترتیبات کی تجویز پیش کی جو ان کے مطابق ہیں جو اب صرف پہلے چھ عناصر کے لیے معلوم ہیں۔ "مذکورہ بالا سے ہمیں ہلکے ایٹموں میں الیکٹرانوں کی ترتیب کے لیے درج ذیل ممکنہ اسکیم کی طرف لے جایا جاتا ہے:" شیل کی اصطلاح آرنلڈ سومر فیلڈ کے 1913 کے بوہر ماڈل میں ترمیم سے آتی ہے۔ اس عرصے کے دوران بوہر والتھر کوسل کے ساتھ کام کر رہے تھے، جن کے 1914 اور 1916 کے کاغذات میں مدار کو "شیلز" کہا گیا تھا۔ سومر فیلڈ نے بوہر کے سیاروں کے نمونے کو برقرار رکھا، لیکن کچھ عناصر کی باریک سپیکٹروسکوپک ساخت کی وضاحت کے لیے ہلکے انڈاشی مدار (اضافی کوانٹم نمبروں اور m کی خصوصیت) کو شامل کیا۔ ایک ہی بنیادی کوانٹم نمبر (n) والے متعدد الیکٹرانوں کے قریبی مدار تھے جو بوہر کے ماڈل کے سرکلر مدار کے بجائے مثبت موٹائی کا "خول" بناتے تھے جسے "رنگز" کہا جاتا ہے۔ الیکٹران خولوں کے وجود کا مشاہدہ سب سے پہلے چارلس بارکلا اور ہنری موسلی کے ایکس رے جذب مطالعات میں تجرباتی طور پر کیا گیا تھا۔ موسلی کے کام کا براہ راست تعلق الیکٹران کے خولوں کے مطالعہ سے نہیں تھا، کیونکہ وہ یہ ثابت کرنے کی کوشش کر رہے تھے کہ پیریڈک ٹیبل کو وزن کے لحاظ سے نہیں، بلکہ نیوکلئس میں موجود پروٹانوں کے چارج کے لحاظ سے ترتیب دیا گیا تھا۔ تاہم، چونکہ برقی طور پر غیر جانبدار ایٹم میں الیکٹرانوں کی تعداد پروٹانوں کی تعداد کے برابر ہوتی ہے، اس لیے یہ کام نیلز بوہر کے لیے انتہائی اہم تھا جنہوں نے اپنے 1962 کے انٹرویو میں کئی بار موسلی کے کام کا ذکر کیا۔ نیلز بوہر کی طرح موسلی بھی ردرفورڈ کے گروپ کا حصہ تھے۔ موسلی نے کیلشیم اور زنک کے درمیان ہر عنصر سے خارج ہونے والے ایکس رے کی تعدد کی پیمائش کی اور پتہ چلا کہ عناصر کے بھاری ہونے کے ساتھ تعدد زیادہ ہوتی گئی۔ اس سے یہ نظریہ سامنے آیا کہ الیکٹران ایکس رے خارج کر رہے تھے جب انہیں نچلے خولوں میں منتقل کیا گیا۔ اس سے یہ نتیجہ اخذ کیا گیا کہ الیکٹران کوسل کے خولوں میں فی خول ایک مقررہ حد کے ساتھ تھے، اور خولوں کو K، L، M، N، O، P اور Q کے حروف سے نشان زد کرتے تھے۔ اس اصطلاح کی ابتدا حروف تہجی سے ہوئی۔ بارکلا، جنہوں نے ایک ایکس رے سپیکٹرومیٹری تجرباتی ماہر کے طور پر موسلی سے آزادانہ طور پر کام کیا، نے پہلی بار 1909 میں عناصر پر ایکس رے کی شوٹنگ سے بکھرنے کی دو الگ الگ اقسام کو دیکھا اور انہیں "اے" اور "بی" کا نام دیا۔ بارکلا نے ایکس رے ڈفریکشن کی ان دو اقسام کو بیان کیا: پہلا تجربے میں استعمال ہونے والے مواد کی قسم سے غیر منسلک تھا اور اسے پولرائز کیا جا سکتا تھا۔ دوسرے ڈفریکشن بیم کو انہوں نے "فلوروسینٹ" کہا کیونکہ یہ تابکاری والے مواد پر منحصر تھا۔ اس وقت یہ معلوم نہیں تھا کہ ان لائنوں کا کیا مطلب ہے، لیکن 1911 میں بارکلا نے فیصلہ کیا کہ "اے" سے پہلے بکھری ہوئی لائنیں ہو سکتی ہیں، اس لیے اس نے "کے" سے شروعات کی۔ تاہم، بعد کے تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ K جذب کرنے والی لکیریں سب سے اندرونی الیکٹرانوں کے ذریعے پیدا ہوتی ہیں۔ یہ حروف بعد میں n اقدار 1، 2، 3، وغیرہ سے مطابقت رکھتے پائے گئے۔ جو بوہر ماڈل میں استعمال ہوتے تھے۔ وہ سپیکٹروسکوپک سیگبن نوٹیشن میں استعمال ہوتے ہیں۔ خولوں کو الیکٹرانوں کو تفویض کرنے کا کام 1913 سے 1925 تک بہت سے کیمسٹوں اور چند طبیعیات دانوں نے جاری رکھا۔ نیلز بوہر ان چند طبیعیات دانوں میں سے ایک تھے جنہوں نے پیریڈک ٹیبل کی وضاحت کرنے کے کیمسٹ کے کام کی پیروی کی، جبکہ آرنلڈ سومر فیلڈ نے ایٹم کا ایک رشتہ دار ورکنگ ماڈل بنانے کی کوشش پر زیادہ کام کیا جو کلاسیکی مداری طبیعیات کے نقطہ نظر سے سپیکٹرم کی باریک ساخت کی وضاحت کرے گا۔ آئن سٹائن اور ردرفورڈ، جنہوں نے کیمسٹری کی پیروی نہیں کی، کیمسٹوں سے بے خبر تھے جو کیمسٹری کے نقطہ نظر سے پیریڈک ٹیبل کے الیکٹران شیل نظریات تیار کر رہے تھے، جیسے ارونگ لینگموئر، چارلس بری، جے جے تھامسن، اور گلبرٹ لیوس، جنہوں نے سب نے بوہر کے ماڈل میں اصلاحات متعارف کروائیں جیسے کہ پہلے خول میں زیادہ سے زیادہ دو الیکٹران، اگلے میں آٹھ اور اسی طرح، اور بیرونی الیکٹران خولوں میں ویلینسی کی وضاحت کرنے اور بیرونی خولوں میں الیکٹرانوں کا اضافہ کرکے ایٹموں کی تعمیر کے ذمہ دار تھے۔ لہذا جب بوہر نے 1922 میں اپنے الیکٹران شیل ایٹم تھیوری کا خاکہ پیش کیا تو اس تھیوری کا کوئی ریاضیاتی فارمولا نہیں تھا۔ لہذا ردرفورڈ نے کہا کہ "آپ اپنے نتائج پر کیسے پہنچتے ہیں اس کا اندازہ لگانا" ان کے لیے مشکل تھا۔ آئن سٹائن نے بوہر کے 1922 کے مقالے کے بارے میں کہا کہ ان کے "ایٹموں کے الیکٹران شیل کیمسٹری کے لیے ان کی اہمیت کے ساتھ مل کر مجھے ایک معجزے کی طرح نظر آئے-اور مجھے آج بھی ایک معجزے کی طرح نظر آتا ہے"۔ آرنلڈ سومر فیلڈ، جنہوں نے الیکٹران کی ساخت کے بارے میں کیمسٹوں کے خیالات سے واقف بوہر کے بجائے الیکٹرانوں کے ایٹومباؤ ڈھانچے کی پیروی کی تھی، نے بوہر کے 1921 کے لیکچر اور شیل ماڈل پر 1922 کے مضمون کو "1913 کے بعد سے جوہری ڈھانچے میں سب سے بڑی پیشرفت" قرار دیا۔ تاہم، نیلز بوہر کی الیکٹران شیل کی نشوونما بنیادی طور پر وہی نظریہ تھا جو کیمسٹ چارلس روگلی بری نے اپنے 1921 کے مقالے میں کیا تھا۔ جیسے جیسے سومر فیلڈ-بوہر ماڈل کے الیکٹران شیل ڈھانچے پر کام جاری رہا، سومر فیلڈ نے تین "کوانٹم نمبر n، k، اور m متعارف کروائے، جو مدار کے سائز، مدار کی شکل، اور اس سمت کو بیان کرتے ہیں جس میں مدار اشارہ کر رہا تھا"۔ چونکہ ہم بولٹزمین مستقل کے لیے k استعمال کرتے ہیں، اس لیے ایزموتھل کوانٹم نمبر کو تبدیل کر کے l کر دیا گیا۔ جب جدید کوانٹم میکانکس تھیوری کو ہائزن برگ کے میٹرکس میکانکس اور شروڈنگر کی لہر مساوات کی بنیاد پر پیش کیا گیا تو ان کوانٹم نمبروں کو موجودہ کوانٹم تھیوری میں رکھا گیا لیکن ان کو بنیادی کوانٹم نمبر n میں تبدیل کر دیا گیا، اور m مقناطیسی کوانٹم نمبر ہے۔ تاہم، خولوں میں الیکٹرانوں کی تعداد کے لیے آج بھی استعمال ہونے والے الیکٹران شیل ماڈل کی حتمی شکل 1923 میں ایڈمنڈ سٹونر نے دریافت کی تھی، جس نے یہ اصول متعارف کرایا تھا کہ nth شیل کو 2 (n2) سے بیان کیا گیا تھا۔ 1925 میں اسے دیکھ کر، وولف گینگ پالی نے جدید الیکٹران شیل تھیوری کو مکمل کرنے کے لیے سمر فیلڈ-بوہر نظام شمسی کے ایٹم کے پرانے کوانٹم تھیوری کے دور میں ایک چوتھا کوانٹم نمبر، "اسپن" شامل کیا۔ ذیلی خول ہر خول ایک یا زیادہ ذیلی خولوں پر مشتمل ہوتا ہے، جو خود جوہری مداروں پر مشتمل ہوتے ہیں۔ مثال کے طور پر، پہلے (K) خول میں ایک ذیلی خول ہوتا ہے، جسے 1s کہا جاتا ہے ؛ دوسرے (L) خول میں دو ذیلی خول ہوتے ہیں، جنہیں 2s اور 2p کہا جاتا ہے ؛ تیسرے خول میں 3s، 3p، اور 3d ہوتے ہیں ؛ چوتھے خول میں 4s، 4p، 4d اور 4f ہوتے ہیں ؛ پانچویں خول میں 5s، 5p، 5d، اور 5f ہوتے ہیں اور نظریاتی طور پر 5G ذیلی خول میں زیادہ پکڑ سکتے ہیں جو کسی بھی معروف عنصر کی زمینی حالت الیکٹران ترتیب میں موجود نہیں ہے۔ مختلف ممکنہ سب شیلز کو درج ذیل ٹیبل میں دکھایا گیا ہے: پہلا کالم "سب شیل لیبل" ہے، جو سب شیل کی قسم کے لیے ایک چھوٹے حرف کا لیبل ہے۔ مثال کے طور پر، "4s سب شیل" چوتھے (N) شیل کا سب شیل ہے، جس کی قسم پہلی صف میں بیان کی گئی ہے۔ دوسرا کالم سب شیل کا ایزموتھل کوانٹم نمبر (l) ہے۔ عین مطابق تعریف میں کوانٹم میکانکس شامل ہے، لیکن یہ ایک نمبر ہے جو سب شیل کی خصوصیت رکھتا ہے۔ تیسرا کالم الیکٹرانوں کی زیادہ سے زیادہ تعداد ہے جسے اس قسم کے ذیلی خول میں ڈالا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، اوپری صف کا کہنا ہے کہ ہر ایس-ٹائپ سب شیل (1s، 2s، وغیرہ) اس میں زیادہ سے زیادہ دو الیکٹران ہو سکتے ہیں۔ مندرجہ ذیل ذیلی خولوں (p، d، f، g) میں سے ہر ایک میں اس سے پہلے والے کے مقابلے میں 4 زیادہ الیکٹران ہو سکتے ہیں۔ چوتھا کالم کہتا ہے کہ کون سے خولوں میں اس قسم کا ذیلی خول ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، اوپر کی دو قطاروں کو دیکھتے ہوئے، ہر خول میں ایک ایس سب شیل ہوتا ہے، جبکہ صرف دوسرے خول اور اس سے اوپر کے خول میں پی سب شیل ہوتا ہے (یعنی، کوئی "1 پی" سب شیل نہیں ہوتا ہے)۔ آخری کالم لیبلز s، p، d، اور f کی تاریخی اصل بتاتا ہے۔ وہ جوہری سپیکٹرم لائنوں کے ابتدائی مطالعے سے آتے ہیں۔ دوسرے لیبل، یعنی g، h، اور i، f کے آخری تاریخی طور پر شروع ہونے والے لیبل کے بعد حروف تہجی کا تسلسل ہیں۔ ہر خول میں الیکٹرانوں کی تعداد ہر ذیلی خول زیادہ سے زیادہ الیکٹرانوں کو رکھنے کے لیے پابند ہے، یعنی: ہر s ذیلی خول زیادہ سے زیادہ 2 الیکٹرانوں کو رکھتا ہے۔ ہر p ذیلی خول زیادہ سے زیادہ 6 الیکٹرانوں کو رکھتا ہے۔ ہر d ذیلی خول زیادہ سے زیادہ 10 الیکٹرانوں کو رکھتا ہے۔ ہر f ذیلی خول زیادہ سے زیادہ 14 الیکٹرانوں کو رکھتا ہے۔ ہر g ذیلی خول زیادہ سے زیادہ 18 الیکٹرانوں کو رکھتا ہے۔ لہذا، K خول، جس میں صرف ایک s ذیلی خول ہوتا ہے، 2 الیکٹرانوں کو پکڑ سکتا ہے۔ L خول، جس میں s اور p ہوتے ہیں، 2 + 6 = 8 الیکٹرانوں کو پکڑ سکتا ہے، اور اسی طرح عام طور پر، n واں خول۔ اگرچہ یہ فارمولا اصولی طور پر زیادہ سے زیادہ دیتا ہے، حقیقت یہ ہے کہ زیادہ سے زیادہ صرف پہلے چار خولوں (K، L، M، N) کے لیے (معلوم عناصر میں) حاصل کیا جاتا ہے۔ کسی بھی معلوم عنصر کے کسی ایک خول میں 32 سے زیادہ الیکٹران نہیں ہوتے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ ذیلی خول افباؤ اصول کے مطابق بھرے جاتے ہیں۔ ایک خول میں 32 سے زیادہ الیکٹران رکھنے والے پہلے عناصر کا تعلق پیریڈک ٹیبل کے پیریڈ 8 کے جی بلاک سے ہوگا۔ ان عناصر کے 5 جی سب شیل میں کچھ الیکٹران ہوتے ہیں اور اس طرح O شیل (پانچواں پرنسپل شیل) میں 32 سے زیادہ الیکٹران ہوتے ہیں۔ سب شیل توانائیاں اور بھرنے کی ترتیب اگرچہ بعض اوقات یہ کہا جاتا ہے کہ خول میں موجود تمام الیکٹرانوں کی توانائی ایک جیسی ہوتی ہے، لیکن یہ ایک تخمینہ ہے۔ تاہم، ایک ذیلی خول میں الیکٹرانوں کی توانائی کی سطح بالکل ایک جیسی ہوتی ہے، بعد کے ذیلی خولوں میں پہلے والے کے مقابلے فی الیکٹران زیادہ توانائی ہوتی ہے۔ یہ اثر اتنا بڑا ہے کہ خولوں سے وابستہ توانائی کی حدود اوورلیپ ہو سکتی ہیں۔ خولوں اور ذیلی خولوں کو الیکٹرانوں سے بھرنا کم توانائی کے ذیلی خولوں سے اعلی توانائی کے ذیلی خولوں کی طرف جاتا ہے۔ یہ n + l اصول کی پیروی کرتا ہے جسے عام طور پر میڈیلنگ اصول بھی کہا جاتا ہے۔ کم n + l ویلیو والے سب شیل زیادہ n + l ویلیو والے سب شیل سے پہلے بھرے جاتے ہیں۔ برابر n + l اقدار کی صورت میں، کم n قدر والا سب شیل پہلے بھرا جاتا ہے۔ اس کی وجہ سے، بعد کے خول پیریڈک ٹیبل کے وسیع حصوں پر بھرے جاتے ہیں۔ K خول پہلی مدت (ہائیڈروجن اور ہیلیم) میں بھرتا ہے، جبکہ L خول دوسری مدت (لیتھیم سے نیون) میں بھرتا ہے۔ تاہم، ایم خول سوڈیم (عنصر 11) پر بھرنا شروع کر دیتا ہے لیکن تانبے (عنصر 29) تک بھرنا ختم نہیں کرتا، اور این خول اور بھی سست ہوتا ہے: یہ پوٹاشیم (عنصر 19) پر بھرنا شروع کر دیتا ہے لیکن یٹربیئم (عنصر 70) تک بھرنا ختم نہیں کرتا ہے۔ O، P، اور Q خول معلوم عناصر کو بھرنا شروع کر دیتے ہیں، لیکن وہ سب سے بھاری معلوم عنصر، اوگنیسن (عنصر 118) پر بھی مکمل نہیں ہوتے ہیں۔ الیکٹرانوں کے ساتھ عناصر کی فہرست فی خول نیچے دی گئی فہرست میں عناصر کو جوہری نمبر میں اضافے کے ذریعے ترتیب دیا گیا ہے اور فی خول الیکٹرانوں کی تعداد کو ظاہر کرتا ہے۔ ایک نظر میں، فہرست کے ذیلی سیٹ واضح نمونے دکھاتے ہیں۔ خاص طور پر، ہیلیم سے بھاری ہر عظیم گیس (گروپ 18،) سے پہلے پانچ عناصر () کے ہر سیٹ میں سب سے بیرونی خول میں الیکٹرانوں کی مسلسل تعداد ہوتی ہے، یعنی تین سے سات۔ میز کو کیمیائی گروپ کے لحاظ سے ترتیب دینے سے اضافی نمونے ظاہر ہوتے ہیں، خاص طور پر آخری دو بیرونی خولوں کے حوالے سے۔ (عناصر 57 سے 71 کا تعلق لینتھانیڈس سے ہے، جبکہ 89 سے 103 ایکٹینیڈس ہیں۔) نیچے دی گئی فہرست بنیادی طور پر افباؤ اصول سے مطابقت رکھتی ہے۔ تاہم، اس اصول میں کئی مستثنیات ہیں ؛ مثال کے طور پر پیلیڈیم (جوہری نمبر 46) کے پانچویں خول میں کوئی الیکٹران نہیں ہوتے، دوسرے ایٹموں کے برعکس جن کا جوہری نمبر کم ہوتا ہے۔ 108 سے آگے کے عناصر کی نصف زندگی اتنی مختصر ہوتی ہے کہ ان کی الیکٹران ترتیبات کو ابھی تک ناپا نہیں گیا ہے، اور اس لیے اس کے بجائے پیش گوئیاں داخل کی گئی ہیں۔ پیریڈک ٹیبل (الیکٹران کنفیگریشن) الیکٹران کاؤنٹنگ 18 الیکٹران رول کور چارج حوالہ جات الیکٹران اٹامک فزکس کوانٹم میکانکس کیمیائی بانڈنگ بھی دیکھیں۔