الذرات هي الوحدات الأساسية للمادة والهيكل المحدد للعناصر. مصطلح (ذرة) يأتي من الكلمة اليونانية “غير قابلة للتجزئة”، والتي تعني “غير قابل للتجزئة”، لأن الإغريق في ذلك الوقت كانوا يعتقدون أن الذرة هي أصغر شيء في الكون ولا يمكن تقسيمها. لكننا نعلم الآن أن الذرات تتكون من ثلاثة أنواع من الجسيمات (مكونات الذرة) البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، ونعلم أنها تتكون أيضًا من جسيمات أصغر مثل الكواركات.
تشكلت الذرات بعد الانفجار العظيم، قبل 13.7 مليار سنة. عندما بدأ الكون شديد الحرارة والكثافة في التوسع، أصبح أكثر برودة، وسمحت الظروف بتكوين الكواركات والإلكترونات. تتجمع الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات، وتندمج هذه الجسيمات في النواة. حدث كل هذا خلال الدقائق القليلة الأولى من تكوين الكون، وفقًا لـ CERN.
لقد استغرق الكون 380 ألف سنة ليبرد بدرجة كافية لإبطاء الإلكترونات حتى تتمكن النوى من التقاطها لتشكيل الذرات الأولى. كانت الذرات الأولى هي الهيدروجين والهيليوم، والتي لا تزال أكثر العناصر وفرة في الكون. ثم بدأت الجاذبية بالسيطرة على السحب الغازية لتكوين النجوم، والتي بدورها شكلت ذرات أثقل (وتستمر هذه العملية حتى اليوم) وعندما يموت النجم، ينفجر في حدث هائل يسمى (المستعر الأعظم)، وينتشر محتواه الثمين في جميع أنحاء الكون.
الجزيئات الذرية (مكونات الذرة)
البروتونات والنيوترونات أثقل من الإلكترونات وتستقر في النواة التي هي مركز الذرة. الإلكترونات خفيفة الوزن للغاية وتوجد في سحابة تدور حول النواة. يبلغ نصف قطر السحابة الإلكترونية 10000 ضعف قطر النواة.
البروتونات والنيوترونات لها نفس الكتلة تقريبًا. لكن بروتون واحد يزن أكثر من 1800 إلكترون. تحتوي الذرات دائمًا على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات، وعادةً ما يكون عدد البروتونات والنيوترونات هو نفسه. تؤدي إضافة بروتون إلى النواة إلى إنتاج عنصر جديد أخف، وهو ما تفعله النجوم، بينما ينتج عن إضافة نيوترون نظير أثقل أو نسخة من هذا العنصر.
محتويات
نواة الذرة
تم اكتشاف النواة في عام 1911 من قبل الفيزيائي النيوزيلندي رذرفورد، الذي اقترح في عام 1920 تسمية الجسيمات موجبة الشحنة في النواة بالبروتون. من الناحية النظرية، قال رذرفورد إن هناك جسيمًا محايدًا داخل النواة، وتمكن تلميذه جيمس تشادويك، الفيزيائي البريطاني، من تأكيد ذلك في عام 1932.
توجد كل كتلة الذرة تقريبًا في نواتها. تمتلك البروتونات والنيوترونات الكتلة نفسها تقريبًا (البروتون أقل قليلاً) ولديهما نفس الزخم الزاوي، وفقًا لمختبر لورانس بيركلي الوطني.
ترتبط مكونات النواة ببعضها البعض (القوة النووية القوية)، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة للطبيعة. تتغلب هذه القوة بين البروتونات والنيوترونات على قوة التنافر الكهربائي، والتي، وفقًا لقواعد الكهرباء، ستفصل البروتونات عن بعضها. بعض النوى الذرية غير مستقرة لأن قوى الارتباط تختلف باختلاف الذرات بناءً على حجم النواة. ثم تتحلل هذه الذرات إلى عناصر أخرى، مثل الكربون 14 الذي يتحلل إلى نيتروجين 14.
البروتونات
البروتونات هي جسيمات موجبة الشحنة توجد داخل نواة الذرة. اكتشفه رذرفورد في تجاربه مع أنابيب أشعة الكاثود بين عامي 1911 و 1919. البروتونات أقل كتلة من النيوترونات، ولها كتلة نسبية = 0.9986 (مقارنةً إذا اعتبرنا أن كتلة النيوترون = 1) أو حوالي 1.673 × 10-27 كجم.
يحدد عدد البروتونات في الذرة نوع العنصر. على سبيل المثال، تحتوي ذرة الكربون على 6 بروتونات، والهيدروجين 1، والأكسجين 8. ويسمى عدد البروتونات في الذرة العدد الذري للعنصر، كما يحدد عدد البروتونات السلوك الكيميائي للعنصر. يرتب الجدول الدوري العناصر وفقًا لعددها الذري.
يتكون كل بروتون من 3 كواركات – كواركات علوية (بشحنة موجبة قدرها ⅔) وكوارك سفلي (بشحنة سالبة قدرها) – والتي ترتبط ببعضها البعض بواسطة جسيمات دون ذرية أخرى تسمى gluons، وهي عديمة الكتلة.
الإلكترونات في الذرة
الإلكترون صغير مقارنة بالبروتونات والنيوترونات، فهو أصغر منها بأكثر من 1800 مرة. إذا اعتبرنا أن كتلة النيوترون = 1، فإن الكتلة النسبية للإلكترون = 0.0005439 أو حوالي 9.109 × 10-31 كجم.
اكتشف الفيزيائي البريطاني طومسون الإلكترون في عام 1887، وكان يُعرف في الأصل باسم “الجسيمات”، وهو ما يعني الكريات، وتنجذب الإلكترونات سالبة الشحنة كهربائيًا إلى البروتونات الموجبة الشحنة. تحيط الإلكترونات بالنواة في مسارات تسمى المدارات، وهي فكرة اقترحها الفيزيائي النمساوي شرودنغر في عشرينيات القرن الماضي. يُعرف هذا النموذج اليوم باسم النموذج الكمي أو نموذج السحابة الإلكترونية. المدارات الداخلية القريبة من النواة كروية، بينما المدارات الخارجية أكثر تعقيدًا.
تكوين الإلكترون هو الوصف المداري لمواقع الإلكترونات في ذرة نموذجية. باستخدام التوزيع الإلكتروني ومبادئ الفيزياء، يمكن للكيميائيين التنبؤ بخصائص الذرة. مثل الاستقرار ونقطة الغليان والتوصيل.
الإلكترون الخارجي هو أكثر ما يهم في الكيمياء. غالبًا ما يتم اختصار تدوين الوصف المداري الطويل لقذائف الإلكترون واستبدالها برمز غاز نبيل بين قوسين. هذه الطريقة في الكتابة تبسط إلى حد كبير وصف الجزيئات الكبيرة.
على سبيل المثال، التوزيع الإلكتروني للبريليوم (Be) هو 1s22s2. لكنه مكتوب على أنه هو[2s^2]. ال[He] إنه يعادل جميع مدارات الإلكترون في ذرة الهيليوم. تحدد الأحرف s و p و d و f شكل المدارات ويشير الحرف العلوي إلى عدد الإلكترونات في ذلك المدار. يحتوي اليورانيوم، كمثال آخر، على تكوين الإلكترون
1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 23d ^ 104p ^ 65s ^ 24d ^ 105p ^ 66s ^ 24f ^ 145d ^ 106p ^ 67s ^ 25f ^ 4
والتي يمكن اختصارها إلى RN]7s ^ 25f ^ 4].
النيوترونات
يستخدم النيوترون كمقارنة لحساب الكتلة النسبية للبروتونات والإلكترونات (كتلته النسبية 1) وله كتلة فيزيائية 1.6749 × 10-27 كجم.
تم اكتشاف النيوترونات نظريًا بواسطة رذرفورد في عام 1920. وقد تم الاكتشاف الحقيقي بواسطة تشادويك في عام 1932. تم اكتشاف النيوترونات أثناء التجارب عندما أطلقت الذرات على طبقة رقيقة من البريليوم. عندما انبعثت جسيمات دون ذرية عديمة الشحن، كانت عبارة عن نيوترونات.
النيوترونات هي جسيمات عديمة الشحن موجودة في جميع النوى الذرية (باستثناء الهيدروجين 1). كتلة النيوترون أكبر بقليل من كتلة البروتون. مثل البروتونات، تتكون النيوترونات أيضًا من كواركات – كوارك علوي (بشحنة موجبة) واثنين من الكواركات السفلية (لكل منهما شحنة سالبة ⅓).
ما هو الفرق بين ذرات النظائر المختلفة للعناصر
يحدد عدد النيوترونات في نواة الذرة نظير هذا العنصر. على سبيل المثال، يحتوي الهيدروجين على 3 نظائر معروفة البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم. يرمز البروتيوم بواسطة 1H وهو هيدروجين عادي ؛ يحتوي على 1 بروتون و 1 إلكترون ولا نيوترونات. يحتوي الديوتيريوم (D أو 2H) على 1 بروتون و 1 إلكترون و 1 نيوترون. يحتوي التريتيوم (Tor 3H) على 1 بروتون و 1 إلكترون و 2 نيوترون.
تاريخ الذرة
يعود تاريخ نظرية الذرة إلى عام 440 قبل الميلاد، العالم والفيلسوف اليوناني (ديموقريطس). من المحتمل أن ديموقريطوس بنى نظريته عن الذرة على أعمال فلاسفة سابقين، وفقًا لما ذكره (أندرو جي فان ميلسن) مؤلف كتاب “من Atomos to Atom” مفهوم الذرة كان معروفًا لبارمينيدس وديموقريطس. المعلم عندما اقترح مبدأ الهوية.
ساعد هذا المبدأ القائل بأن “جميع الكائنات تتحد لتكوين الوجود” فلاسفة آخرين، بمن فيهم ديموقريطس، على مواصلة عملهم وتطوير النظرية الذرية في النهاية.
يبدأ تفسير ديموقريطس للذرة بحجر. هذا الحجر، إذا تم تقسيمه، يعطينا نصفين من نفس الحجر. إذا كسرناها باستمرار، فسنصل إلى قطعة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن كسرها بعد الآن. يأتي مصطلح (الذرة) من الكلمة اليونانية التي تعني “غير قابل للتجزئة”، والتي خلص ديموقريطس إلى أنها النقطة التي لا يمكن عندها تقسيم أي نوع من المادة.
تضمن تفسيره أفكارًا مفادها أن الذرات توجد بشكل منفصل عن بعضها البعض، وأن كمية الذرات غير محدودة، وأنها تتحرك ويمكن أن تتحد مع بعضها البعض لتشكيل مادة ولكنها لا تتحول إلى ذرات جديدة، ولا يمكن تقسيمها. ومع ذلك، نظرًا لأن معظم الفلاسفة في ذلك الوقت، وخاصة أرسطو القوي، كانوا يعتقدون أن كل المادة نشأت من الأرض والهواء والنار والماء، فقد تم تنحية نظرية ديموقريطوس الذرية جانبًا.
وفقًا لقسم الكيمياء في جامعة بوردو، اعتمد الكيميائي البريطاني جون دالتون على أفكار ديموقريطوس في عام 1803 عندما طرح نظريته الذرية. احتوت نظرية دالتون على العديد من أفكار ديموقريطس، مثل أن الذرات غير قابلة للتجزئة وأن الذرات المختلفة تتجمع معًا لتكوين كل المادة.
تضمنت إضافات دالتون إلى النظرية أفكارًا مفادها أن جميع ذرات عنصر معين هي نفسها، وأن ذرات عنصر ما لها أوزان وخصائص مختلفة عن ذرات عنصر آخر، وأن الذرات لا يمكن تكوينها أو تدميرها، وأن الذرات التي تتكون منها المادة تحتوي على أرقام صحيحة وبسيطة.
وفقًا لمؤسسة التراث الكيميائي، اكتشف الفيزيائي البريطاني طومسون الإلكترون في عام 1897 وأثبت أنه يمكن تقسيم الذرات. كان قادرًا على تحديد وجود جسيمات سالبة الشحنة من خلال دراسة خصائص التفريغ الكهربائي في أنابيب أشعة الكاثود.
وفقًا لوثيقة طومسون لعام 1897، انحرفت الأشعة داخل الأنبوب، مما يثبت أن شيئًا ما به شحنة سالبة داخل الأنبوب. في عام 1899 نشر وصفًا لنسخته من الذرة المعروفة باسم نموذج “حلوى البرقوق”. تضمن نموذج طومسون عددًا كبيرًا من الإلكترونات المعلقة في شيء مشحون إيجابيًا، مما يعطي الذرة شحنة محايدة بشكل عام.
العالم الذي طور وعدل النموذج الذري هو رذرفورد، الذي تعلم من طومسون وفقًا لقسم الكيمياء في جامعة بوردو. في عام 1911، نشر رذرفورد نموذجه للذرة، والذي تضمن نواة موجبة الشحنة تدور حولها الإلكترونات. ظهر هذا النموذج عندما أطلق رذرفورد ومعاونوه جسيمات ألفا على لوح رفيع من الذهب. وفقًا لمختبر جيفرسون، يتكون جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين، وجميعهم مندمجون معًا بواسطة القوة النووية القوية التي تربط أي نواة.
يلاحظ العلماء أن نسبة صغيرة من جسيمات ألفا تنتشر بزوايا بعيدة جدًا عن الاتجاه الأساسي للحركة، بينما يمر معظمها بشكل مستقيم. كان رذرفورد قادرًا على تقدير حجم نواة ذرة ذهب، ووجد أنها أصغر بمقدار 10000 مرة على الأقل من حجم الذرة بالكامل وأن معظم حجم الذرة عبارة عن مساحة فارغة. لا يزال نموذجه للذرة هو النموذج الأساسي المستخدم اليوم.
قام عدد من العلماء الآخرين بتحسين النموذج الذري، بما في ذلك نيلز بور (الذي اعتمد على نموذج رذرفورد لتضمين خصائص الإلكترونات في طيف الهيدروجين)، وإروين شرودنجر (طور النموذج الكمي للذرة).
فيرنر هايزنبرغ (قال إنه لا يمكن معرفة موقع وسرعة الإلكترون في وقت واحد)، موراي جيل مان وجورج زويج (طوروا بشكل مستقل النظرية القائلة بأن كلا من البروتونات والنيوترونات مكونة من كواركات).