تبحث العديد من الدراسات عن مفهوم الذرة ومكوناتها، حيث تعد الذرة أصغر وحدة في المادة يمكن تقسيمها. يثير هذا الموضوع اهتمام الطلاب في مجالات الكيمياء، ولذلك سنقدم تعريفاً شاملاً الذرة ومكوناتها بالإضافة إلى الشكل الذي توصل إليه العلماء.
ما هي الذرة؟
- الذرة هي أصغر وحدة كيميائية يمكن أن توجد.
- تتمتع الذرة بشحنة كهربائية تتعلق بالإلكترونات.
- تستمد كلمة “ذرة” من كلمة الإغريقية “أتوموس” والتي تعني “غير قابلة للانقسام”.
- تتكون الذرة من إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول نواة موجبة الشحنة تقع في المركز.
- تتألف نواة الذرة من بروتونات ذات شحنة موجبة ونيوترونات متعادلة الشحنة.
- تعتبر الذرة أساس علم الكيمياء.
- تشمل جميع العناصر في الطبيعة على عدد كبير من الذرات.
مكونات الذرة
- تتضمن الذرة مجموعة من الإلكترونات سالبة الشحنة، بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة، ويختلف العدد لكل نوع من الذرات.
- نواة الذرة تعتبر مركزها، وهناك فراغ حولها يسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية.
- الإلكترونات تعد أخف جزيء في الذرة، مما يسهل حركتها حول النواة.
- تتميز الذرة بشحنتها المتعادلة، نظرًا لوجود توازن بين عدد الإلكترونات السالبة والبروتونات الموجبة.
1- البروتون
- يمثل البروتون جسماً في الذرة يحمل شحنة موجبة تعادل عدد شحنات الإلكترونات.
- تبلغ كتلة البروتون حوالي 67262 × 10-27، وهو ما يعادل 1836 ضعف كتلة الإلكترون.
- ويساوي العدد الذري للعنصر عدد البروتونات في الذرة، ويحدد مكان العنصر في الجدول الدوري.
- في بداية القرن العشرين، كان يُعتقد أن البروتون جسيم أولي غير قابل للتجزئة، لكن تم إثبات العكس لاحقًا.
- البروتونات مصنفة ضمن الباريونات، وهي جسيمات مكونة من ثلاثة جسيمات أولية تعرف بالكواركات.
2- النيوترونات
- النيوترونات هي جسيمات أصغر من الذرة توجد في نواة جميع العناصر ما عدا الهيدروجين، الذي يحتوي على بروتون واحد فقط.
- النيوترونات تمتاز بعدم وجود شحنة كهربائية، فالشحنة لديها متعادلة.
- تُعرف النيوترونات والبروتونات معًا بالنيوكليونات لأنها تتواجد في نواة الذرة التي تمثل 99% من كتلتها.
- كان يعتقد أيضًا أن النيوترونات غير قابلة للتجزئة، لكن الأبحاث الحديثة أثبتت أنه يمكن تقسيمها.
- تم تصنيف النيوترونات بنفس الطريقة كالبروتونات حيث تتكون من ثلاثة كواركات.
- تساهم القوة النووية القوية في الحفاظ على استقرار النواة، متفوقةً على قوة التنافر الناتجة عن الشحنات الموجبة الموجودة في البروتونات.
3- الإلكترونات
- تمتلك الإلكترونات شحنة سالبة، وهي تُعتبر جسيمات أولية لا يمكن تقسيمها إلى مكونات أصغر.
- تُعتبر الإلكترونات أخف الجسيمات داخل الذرة، وعند حساب الكتلة الكلية للذرة، يتم تجاهل الكتلة الخاصة بالإلكترونات.
- العالم طومسون هو الذي اكتشف الإلكترون عند إجراء تجارب على أشعة المهبط، مما ساعد في فهم تركيب الذرة بصورة أفضل.
- تتوزع الإلكترونات في مستويات طاقة محددة حول نواة الذرة.
- عند فقدان الذرة إلكترونًا، فإنها تتحول إلى حالة متأينة.
- يمكن للإلكترونات أن تتواجد بشكل حر بجانب الأيونات، مما يُعرف بحالة البلازما.
- تصنف الإلكترونات ضمن مجموعة الفيرميونات في ميكانيكا الكم.
4- النموذج الذري
- تشكل معظم المواد من جزيئات يمكن فصلها.
- تتكون الجزيئات من ذرات مرتبطة بروابط كيميائية، وفصلها قد يكون صعبًا.
- تتكون الذرة من نواة وإلكترونات تتفاعل بالطاقة الكهربائية.
- فصل النواة عن الإلكترونات يتطلب طاقة كبيرة جداً لتغيير الطاقة الكامنة للإلكترونات.
- تُعتبر الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات مستقرة نسبياً، ولكن هناك جسيمات أخرى تحتاج إلى طاقة عالية للوجود لفترات قصيرة.
خصائص الذرة
- العدد الذري يعد من الخصائص الأساسية، حيث يساوي عدد البروتونات داخل الذرة أو الشحنات الموجبة.
- يرتبط العدد الذري بشكل مباشر بالتفاعلات الكيميائية.
- تعتمد الكتلة الذرية على عدد النيوترونات، لكن النيوترونات لا تؤثر على الخصائص الكيميائية للذرة.
- على سبيل المثال، تحتوي ذرة الكربون على 6 بروتونات و6 نيوترونات، مما يعطيها خصائص تتشابه مع نظير يحتوي على 6 بروتونات و8 نيوترونات، باستثناء الكتلة الذرية.
- العدد الكتلي يساوي مجموع عدد البروتونات والنيوترونات.
- يمكن للبروتونات والنيوترونات الموجودة على سطح النواة أن تكون أقل ارتباطًا من تلك الموجودة في الداخل.
نظرية دالتون للذرة
- تستند نظرية دالتون على مبدأ بقاء الكتلة والنسب الثابتة المعروفة مسبقاً.
- تنص النظرية على أن المواد تتكون من ذرّات صغيرة غير قابلة للتجزئة.
- تمتاز ذرّات نفس العنصر بخصائص متشابهة، بينما تختلف عن ذرات العناصر الأخرى.
- الذرّة، وفقاً لدالتون، مكونة من ذرات غير قابلة للتغيير.
- يمكن لذرات العناصر المختلفة أن تتحد بنسب معينة لتكوين مواد جديدة.
- التفاعل الكيميائي يُعتبر تغييرًا في كيفية توزيع الذرات.
- قدّمت نظرية دالتون تفسيرات لظواهر متعددة وطرحت فرضيات جديدة في الكيمياء.
نظرية فارادي للذرة
- نجح فاراداي في إثبات وجود الشحنات الكهربائية داخل الذرات المعروفة بالإلكترونات.
- لم يقدم نماذج ذرية محددة ولكنه أجرى تجارب على تحليلات الأملاح.
نظرية طومسون للذرة
- اكتشف والعالم طومسون الجسيمات المكونة لأشعة الكاثود، حيث أظهر أنها أصغر من الذرات وأطلق عليها اسم الإلكترونات.
- أسقط نموذج طومسون الفكرة القديمة بأن الذرات غير قابلة للتجزئة.
- تضمن اكتشاف طومسون أن عدم وجود الإلكترونات بموقعها الصحيح سيؤدي إلى سعيها للوصول إلى الاستقرار.
- وصف طومسون الذرة ككرة مصمتة تحتوي على شحنة موجبة، مع وجود الإلكترونات كأجزاء داخلية تشبه بذور البرتقال.
- يؤكد طومسون بأن الذرة محايدة كهربائيًا.
نموذج رذرفورد للذرة
- وثق رذرفورد من خلال تجاربه أن الذرة تتكون من نواة مركزية تدور حولها الإلكترونات سالبة الشحنة، مع تشبيه هذا النموذج بالنظام الشمسي.
- عارض رذرفورد فكرة وجود كتلة مصمتة، مشيراً إلى أن معظم الذرة عبارة عن فراغ.
- تعتمد الكتلة الذرية بشكل كبير على الكتلة ما يتعلق بالنواة.
- تشمل الذرة شحنات موجبة على النواة والالكترونات السالبة.
- تتوازن الشحنات الموجودة في النواة مع عدد الإلكترونات السالبة، مما يمنح الذرة خاصية التوازن الكهربائي.
- تدور الإلكترونات حول النواة وفق مدارات معينة.
- تعتبر الذرة مستقرة نتيجة لتوازن القوى الجاذبة والطاردة.
تناقض نموذج رذرفورد للذرة
- تطبيق القوانين الكهرومغناطيسية على الذرة يظهر عدم اتزان ميكانيكي.
- أثبتت الدراسات أن كل نوع من الذرات يشع طيفًا خاصًا به مع طول موجي محدد، لكن ما توصل إليه رذرفورد كان يشير إلى طيف يغطي جميع الأطوال الموجية.
نموذج بوhr للذرة
- تدور الإلكترونات حول النواة في مستويات طاقة محددة وثابتة.
- كل مستوى طاقة يحمل رقمًا كميًا خاصًا، وفقًا للأعداد الصحيحة.
- لا يسمح الفراغ بين النواة ومستويات الطاقة بتواجد الإلكترونات فيه.
- إذا بقي الإلكترون في مستوى طاقته، فإنه لا يفقد طاقة، لكن عندما يكتسب طاقة محتملة فإنه ينتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ويخسرها على شكل طيف انبعاث.
النموذج الذري الحديث
- الذرة تحتوي على نواة موجبة الشحنة، مصدر قوتها هو البروتونات داخل النواة.
- تتركز معظم كتلة الذرة في نواتها.
- الإلكترونات السالبة تدور حول النواة بسرعة فائقة في مستويات طاقة محددة.
- الإلكترونات لها خصائص موجية.
- احتمالية وجود الإلكترونات في الفراغ بين النواة والمستويات الخاصة بها تقل عن 10%.
