ما هي مكونات الذرة وهيكل الذرة وتكوينها؟

يعد مفهوم الذرات من المفاهيم المركزية في الفيزياء، حيث أن الذرات هي اللبنات الأساسية للكون باعتبارها الوحدة المادية الصغيرة جدا، التي تشكل بنية الوجود المادي. عبر ثنايا الأسطر القليلة المقبلة في موقع مفاهيم، نتعرف أكثر عن مفهوم وتاريخ ومكونات الذرة، قراءة ممتعة!

للنشر

واتس اب شارك غرد شارك

جدول المحتويات

• مكونات الذرة
• خواص نظائر الذرات
• لمحة تاريخية حول الذرات
• الرابط بين الإلكترونات والنواة
• هل يمكن أن تقع الإلكترونات على النواة؟
• معنى كلمة الذرة
• الأيون
• حجم الذرة
• كتلة الذرة
• تجسيد الذرة
• هل الذرة فارغة؟

مكونات الذرة

تتكون البنية الأساسية للذرة من عنصرين هما:

• النواة وتقع في المركز،وسحابة من الإلكترونات "تدور" حول النواة.
• تعد النواة من أهم مكونات الذرة وبدورها تحتوي عدد من الجسيمات تسمى النويات، وهي كل من البروتونات والنيوترونات.
• تحمل الإلكترونات شحنة كهربائية سالبة.بينما تحمل البروتونات شحنة كهربائية موجبة، وهي نفس قيمة الشحنة لدى الإلكترون مع فارق الإشارة.في حين أن النيوترونات ليس لديها شحنة كهربائية، فهي إذن محايدة.
• يوجد نفس العدد بالضبط من الإلكترونات والبروتونات في كل ذرة، لذا فإن الذرة محايدة كهربائيًا، ويحدد عدد الإلكترونات (أو البروتونات) في الذرة خصائصها الفيزيائية والكيميائية، وهو ما يسمى في الفيزياء بالعدد الذري.
• على سبيل المثال، تحتوي ذرة الهيدروجين على إلكترون واحد وبروتون واحد، فعددها الذري هو 1، أما العدد الذري لذرة الكربون هو 6، في حين أن ذرة الأكسجين تتميز بالعدد 8، ذرة الحديد 26، وذرة اليورانيوم 92.. ويمكنك الاطلاع على كافة الذرات المعلومة في الجدول الدوري..

خواص نظائر الذرات

• من الجدير بالذكر أن عدد النيوترونات في الذرة قابل للتغيير، لكنه بشكل عام يكون قريبا من عدد البروتونات بفارق بسيط.
• الذرتان اللتان لهما نفس العدد الذري، ولكن لهما عدد مختلف من النيوترونات، تسمى النظائر: ميزة النظائر هي أن خواصها الكيميائية متطابقة لكن خواصها الفيزيائية مختلفة.
• للتمييز بين النظائر، فإننا نضيف بشكل عام عدد النويات بعد اسم الذرة.على سبيل المثال، يمكن أن نميز في ذرة اليورانيوم بين نظيرين هما اليورانيوم 235، والآخر اليورانيوم 238:
• يحتوي اليورانيوم 235 على 92 بروتون و143 نيوترون (235 = 92 + 143)، في حين أن اليورانيوم 238 يحتوي على 92 بروتون و146 نيوترون (238 = 92 + 146). وهذا ما يفسر معنى الأرقام التي تأتي بعد اسم الذرات المتناظرة.

لمحة تاريخية حول الذرات

المعرفة العلمية المتقدمة حول الذرات حديثة جدًا.في الواقع، كانت بنية الذرات غير معروفة تمامًا حتى عام 1895!، وتم التوصل إليها نتيجة الآتي:

• حيث تم اكتشاف الأشعة السينية بواسطةرووغتن Röntgen في عام1895،ثم اكتشاف النشاط الإشعاعي بواسطة هنري بيكرل Henri Becquerel في عام 1896.
• وكذا إضافات كل من بيير وماري كوري وPierre & Marie Curie عام 1898.. كل هذه الإنجازات الثورية، جعلت من الممكن فتح آفاق جديدة في فهمنا ودراستنا لبنية الذرات.
• وقد تم تحديد الإلكترونات من قبل العالم الكبير طومسون في 1897، ثم في 1911 سنة، قام أرنست رذرفورد بتسليط مزيد من الضوء على بنية الذرات، حيث برهن على وجود النواة، وبعدها ظهر مفهوم البروتون الذي بدأ يكتسب رويدا رويدا مصداقية علمية.
• وخلال السنوات ما بين 1924 إلى سنة 1927، أتاحت التطورات الثورية في مجال ميكانيكا الكم، فهما أفضل بكثير حول الإلكترونات وسلوكياتها، ولكن العلماء إلى ذلك الحين لم يفلحوا في فك مغالق النواة وإزالة الغموض الذي يحيط بها.
• وفي عام 1931، لاحظ إيرين وفريديريك جوليو كوري وجود جسيمات أسموها النيوترونات ولكن دون فهم طبيعتها. ثم في عام 1932، أظهر جيمس شادوفيك أن النيوترون شريك محايد للبروتون في جوف النواة.
• لتكون هذه المرة الأولى التي يبنى فيها تصور واضح إلى حد ما حول هيكل الذرة وجسيماتها الرئيسية. إلا أن التحسينات والإضافات لازالت مستمرة إلى يومنا هذا في فك ألغاز الذرات واستيعاب طرق التعامل معها والاستفادة من الطاقة التي تخزنها..

الرابط بين الإلكترونات والنواة

• ترتبط الإلكترونات ونواة الذرة بالتفاعل الكهرومغناطيسي، حيث تتمتع النواة الذرية بشحنة كهربائية موجبة، وذلك بفضل البروتونات، بينما تحتوي الإلكترونات على شحنة كهربائية سالبة.
• وبالتالي، لأن الشحنات الكهربائية متقابلة، فإن النواة الذرية والإلكترونات تجذب بعضها البعض، مما يسمح للذرات بعدم فقدان إلكتروناتها.
• عندما تكون ذرتان متقاربتين بما يكفي لبعضهما البعض، فيمكن لهما تبادل بعض إلكتروناتهما، وهذا التبادل يجعل من الممكن ربط هاتين الذرتين في جسم مركب وهو ما يسمى الجزيء أو الجزيئة، هذه العملية هي ما يدعى التفاعل كيميائي.

هل يمكن أن تقع الإلكترونات على النواة؟

لا تملك الإلكترونات حول النواة مدارًا إهليلجاي واضحًا مثل الذي يتبعه القمر الصناعي حول الأرض.في الواقع، وبالتالي يحدث الآتي:

• تخضع حركة الإلكترونات لميكانيكا الكم والتي تقوم على مبدأ الاحتمال، فكل ما يمكننا معرفته هو احتمال العثور على إلكترون في موضع معين في لحظة معينة.
• لذلك، فإنه عند حساب تقاطع محتمل بين "مسار" الإلكترون وموقع النواة، فليس بالضرورة أن نجده صفرا. بل من الممكن تمامًا أن نجد احتمالًا قويا للعثور على إلكترون أو مجموعة إلكترونات داخل النواة الأساسية!
• لكن السؤال الذي ينبغي طرحه هو: هل هذه الإلكترونات تبقى عالقة داخل النواة؟ الجواب هو لا. لأن النواة تحتوي على نسبة فراغات كبيرة جدا مقارنة بالحيز الذي تشغله البروتونات والنيوترونات، وبالتالي، لا يمكن للإلكترونات أن تقع على النواة لأنها تعبرها!

معنى كلمة الذرة

لغويا فكلمة ذرة تعني:

• المقدار الصغير والحجم الضئيل جدا، وقد تم اعتمادها مقابلا عربيا لكلمة atom، بالإنجليزية والتي يرجع أصلها إلى الكلمة اليونانية ATOMOS والتي تعني الشيء الموحد الغير قابل للتجزئة.
• تم اعتماد هذا الاسم عندما تم تطوير مفهوم الذرة من قبل الكيميائيين في بداية القرن التاسع عشر والقرن العشرين، باعتبارها جزء من المادة.
• الآن نعلم أن الذرات قابلة للتجزئة، وأننا نستطيع أن ننتزع الإلكترونات منها، وأن نحطم ونفجر نواتها، وما إلى ذلك.. لكن الاسم بقي!

الأيون

• الأيون هو الذرة أو الجزيء التي تم إزالة أو إضافة واحد أو أكثر من الإلكترونات إلى بنيته.
• وبالتالي، وبما أن الذرة أو الجزيئة دائمًا ما تكون محايدة كهربائيًا، فإن الأيونيكون إما موجبا أو سالبا.
• ونظرا لهذه الشحنة المكتسبة، فإن الأيون تصبح له عدد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة عن الجزيء أو الذرة الذي يأتي منه.ويسمى الأيون الموجب الكاتيون ويسمى الأيون السالب الأنيون.
• ويحيل مفهوم تأين المادة، إلى عملية إزالة الإلكترونات من الذرات أو إضافتها، وتعتمد الغالبية العظمى من أنظمة الكشف عن الجسيمات على التأين.

حجم الذرة

• يبلغ حجم الذرة 10^ (-10)، العشر جزء من المليون من الملليمتر!
• يبلغ حجم نواة الذرة حوالي 10^ (-15)، أي أصغر بمئة ألف مرة من الذرة نفسها!
• الإلكترون نظريًا هو جسيم نقطي، لذلك لا يجب أن يكون له حجم.
• على أي حال، إذا أردنا أن نتحدث عن حجم الإلكترون، فهو أقل من 10^ (-18)، أي ما لا يقل عن مائة مليون مرة أصغر من الذرة!

لمزيد من التوضيح حول مدى صغر الذرات، فتخيل أنه في ميلغرام واحد من الحديد، توجد حوالي 11 مليار ذرة!

كتلة الذرة

كتلة النواة هي:

• حوالي 10^ (-27) كيلوجرام، أو أقل من ألفي جزء من المليار من المليار من المليجرام! ومن الجدير بالإشارة أن للبروتونات والنيوترونات نفس الكتلة تقريبًا.

أما كتلة الإلكترون فهي:

• 10^ (-31)كيلوجرام، أي 1836 مرة أقلمن النواة!، وهكذا فإن حوالي 99.97% من كتلة الذرات متمركزة في نواتها!
• بما أن النواة صغيرة جدًا، فإن كتلة الذرة مركزة جدًا.لذا، إذا أزلنا الفراغات التي تحيط النوى الذرية،يمكن للأرض بحجمها الضخم، أن تتسع في دائرة نصف قطرها 180 م فقط!

تجسيد الذرة

بعد معرفة مكونات الذرة، ولفهم أفضل، فلنتخيل بأننا قمنا بتكبير ذرة الهيدروجين بمعدل ألف مليار مرة، سنحصل على ما يلي:

• النواة (والتي تتكون من بروتون واحد) ستكون بعد عملية التكبير بحجمملليمتر واحد،وكتلة تساوي 1.7 مليون طن!
• سيكون حجم الإلكترون الواحد أقلمن ميكرون واحد(ألف جزء من الملليمتر)، ولكن وزنه يبلغ 900 طن!
• هذا الإلكترون سوف "يدور حول" النواة في حجم دائرة يبلغ قطرها حوالي 100 متر(طول ملعب كرة القدم)، وكل شيء آخر فارغ!

هل الذرة فارغة؟

بعد التعرف على مكونات الذرة يمكن القول أن حجم النواة أصغر مليون مرة من الذرة.وبالتالي، يُعرّف حجم الذرة حسب الفيزياء أنه الآتي:

• حجم الذرة هوة الكمية على أنه فقط الحجم الذي لدينا فيه فرصة كبيرة للعثور على أحد إلكترونات هذه الذرة.
• وبناء على هذا فحجم الذرة يتكون تقريبا من %99.999999999999 من الفراغ على الأقل!
• من الناحية النظرية، تتكون الذرة من فراغ بنسبة 100٪، ولكن بالطبع لا يمكن إثبات صحة ذلك رياضيا أو حتى تجريبيا ...