تاريخ نشأة وتركيب الذرة

تُعتبر الذرة وحدة أساسية في علم الكيمياء، فهي تمثل أصغر الأجزاء البنائية التي تدخل في تكوين أي مادة.

تعريف الذرة

الذرة هي واحدة من أصغر الوحدات التي يمكن الحصول عليها من المادة، وعادةً لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة.
تكون الشحنات الكهربائية في الذرة متوازنة، لكن عند تفكيكها، يمكن أن تكتسب جزيئاتها شحنات كهربائية سالبة أو موجبة.
تُعتبر الذرة أساس علم الكيمياء وتتميز بخصائصها الكيميائية المتغيرة، وهي الجزيء الأصغر الذي يشكل مكونات المادة.
تُستخدم الذرات في تكوين جميع المواد الموجودة في الكون، حيث يمتلك كل عنصر من عناصر الجدول الدوري ترتيبه الذري الفريد.
تتفاوت الخصائص الكيميائية والفيزيائية للعناصر بناءً على كتلها الذرية.
أصل كلمة “ذرة” يعود إلى الكلمة اللاتينية “أتوموس” التي تعني غير قابلة للانقسام، حيث كان يُعتقد سابقًا أنه لا توجد وحدات أصغر من المادة.
تحتوي الذرة على فراغ كبير حيث تدور فيه سحب إلكترونية صغيرة حول النواة، مما يجعل حجم النواة صغيراً جداً مقارنةً بالذرة ككل.

مكونات المادة

بخلاف الاعتقادات السابقة، المواد تتكون من أجزاء صغيرة غير مرئية، ومن أهم مكوناتها:

1- البروتونات

تُعتبر البروتونات جسيمات صغيرة موجبة الشحنة، وتعادل شحنة البروتون الواحد شحنة الإلكترون الذري.
تبلغ كتلة البروتونات حوالي 1.673×10-27 كيلوجرام، أي ضعف كتلة الإلكترون الذري، كما يمثل عدد البروتونات العدد الذري لكل عنصر في الجدول الدوري.
تُحدد البروتونات ترتيب العناصر في الجدول الدوري، حيث ظهرت نظرية بأن البروتونات هي جسيمات أولية وغير قابلة للانقسام.
قام العلماء بتصنيف البروتونات ضمن الباريونات التي تتكون من ثلاث كواركات، اثنان منها في الأعلى وواحد في الأسفل.
تم اكتشاف البروتونات بواسطة العالم رذرفورد.

2- النيوترونات

النيوترونات هي أجسام صغيرة غير مشحونة تتواجد في جميع أنوية العناصر باستثناء عنصر الهيدروجين البسيط، الذي يحتوي على بروتون واحد فقط.
تبلغ كتلة النيوترونات حوالي 1.67493×10-27 كيلوجرام، وهي أكبر بقليل من كتلة البروتونات وتعادل حوالي 1839 مرة كتلة الإلكترون.
تُعرف النيوترونات والبروتونات بالنيوكليونات لتواجدها في النواة، وهذه النواة تشغل حوالي 99.9% من كتلة الذرة.
استمر الاعتقاد في أن النيوترونات أجسام أولية حتى تم إثبات عكس ذلك من قبل علماء الفيزياء في نهاية القرن الماضي.
تتكون النيوترونات من ثلاثة كواركات، تختلف في ترتيبها عن البروتونات.

3- الإلكترونات

الإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة وتُعتبر جسيمات أولية لأنها غير مركبة ولا يمكن تقسيمها.
تم اكتشاف الإلكترونات من قبل العالم طومسون، حيث ساهم هذا الاكتشاف في فهم التركيب الذري للنواة.
تدور الإلكترونات في مدارات حول النواة تُسمى مستويات الطاقة، وهي من أخف الجسيمات الموجودة في الذرة.
عند إزالة الإلكترون من مداره، تصبح الذرة أيونًا.
توجد الإلكترونات في حالة ما يُعرف بالبلازما بشكل حر، متفاعلة مع الأيونات دون الالتزام بمدارات معينة.
تُصنف الإلكترونات ضمن مجموعة الفيرميونات، حيث يتم وصف سلوكها من خلال إحصاء فيرمي ديراك.

4- النموذج الذري

تتكون معظم المواد من جزيئات قابلة للفصل، تتكون هذه الجزيئات من مجموعة من الذرات مترابطة بواسطة روابط كيميائية قوية.
كل ذرة تتكون من مجموعة من الإلكترونات ونواة، وترتبط هذه العناصر بقوة كهربائية كبيرة، حيث يجب أن تكتسب الإلكترونات طاقة كهربائية كبيرة لتفصل عن النواة.

تاريخ نشأة الذرة

في عام 440 قبل الميلاد، افترض الفيلسوف ديموقريطوس أن جميع المواد في الكون تتكون من جزيئات صغيرة غير مرئية وغير قابلة للتقسيم.
أطلق على هذه الجزيئات اسم “ذرة”، وأكد أن الكون مليء بذرات متحركة باستمرار.
قدّم ديموقريطوس نظريته، لكنها طُرحت للرفض، خاصة من الفيلسوف أرسطو، الذي كان يعتقد أن كل شيء يتكون من الماء والهواء والنار.
في عام 1803، قدم الكيميائي البريطاني جون دالتون نظريته الذرية، والتي تُشير إلى أن جميع ذرات العنصر الواحد متشابهة لكن تختلف العناصر من حيث الوزن و الخصائص.
في عام 1897، أثبت العالم طومسون أن الذرة قابلة للتقسيم، وقدم نموذج فطيرة الزبيب الذي يصور الذرة ككرة ذات شحنات موجبة محاطة بجسيمات سالبة.
في عام 1911، وضع العالم رذرفورد نموذجًا ذريًا يُظهر أن الذرة تتكون من نواة صغيرة موجبة تدور حولها الإلكترونات.
توالت الاكتشافات بعد ذلك بفضل نيلز بور الذي أظهرت خصائص الإلكترونات، تلاها شرودنغر الذي قام بتطوير النموذج الكمومي.
وأخيرًا أوضح العالِم فيرنر أنه لا يمكن تحديد سرعة ومكان الإلكترون في الوقت نفسه.

حجم الذرة

تحديد حجم ثابت للذرة يُعتبر أمرًا صعبًا وذلك لأن مسارات الإلكترونات متحركة وغير ثابتة.
تم تحويل العديد من الذرات الصغيرة إلى بلورات صلبة صغيرة باستخدام تقنيات معقدة لتقريب النواتين.
يختلف حجم الذرة حسب العناصر في الجدول الدوري، ويرجع هذا إلى قوة جذب الشحنات الموجبة داخل الإلكترونات، حيث تزداد الجاذبية كلما زادت الشحنات الموجبة.

الخصائص الرئيسية للذرة

توجد خصائص رئيسية للذرة يمكن من خلالها تحديد صفاتها وسلوكها، ومنها:

1- العدد الذري

العدد الذري هو عدد الشحنات الكهربائية الموجبة الموجودة في النواة، ويعبر عن عدد البروتونات.
كما يمثل هذا العدد عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة، على سبيل المثال، العدد الذري للكربون هو 6، ولليورانيوم 92.
تُعزز عدد الإلكترونات التفاعلات الكيميائية، مما يجعل العدد الذري ذو أهمية كبيرة في هذه التفاعلات.

2- الكتلة الذرية

تشير الكتلة الذرية إلى مجموع عدد الشحنات الموجبة والبروتونات والنيوترونات في النواة، وتُقاس بوحدة الكتلة الذرية المتناسبة مع نصف كتلة ذرة الكربون.
تكون كتلة الذرة أكبر من الكتلة الذرية لأن الكتلة الإجمالية تتضمن كتلة النواة وكتلة الإلكترونات، التي هي صغيرة مقارنة بالنيوترونات والبروتونات.

أهم خصائص الذرة

من أبرز خصائص الذرة أنها تصل إلى حالة الاستقرار والاتزان عندما تفقد أو تكتسب إلكترونات.
لا تفقد الذرات أي إلكترونات أثناء التفاعل، خصوصًا إذا كان في مدارها الأخير أربع إلكترونات.
عندما تتفاعل الذرات ذات الإلكترونات القليلة مع تلك التي تحتوي على عدد أكبر، فإنها تفقد الإلكترونات لإتمام التفاعل.
بينما الذرات ذات المدار الأخير المليء، تكسب إلكترونات إضافية عند التفاعل مع ذرات أخرى.