تطور النموذج الذري

المقدمه:
الذره احدى الوحدات الاساسيه لبناء الماده. فكل شيء حولنا مكون من ذرات. والذره الواحده بالغه
الصغر، فهي لاتتعدى واحدا على مليون من سمك شعره . وتحتوي اصغر عينه يمكن رويتها
بمجهر عادي على ما يزيد على عشره بلايين ذره. وتكون الذرات القوالب البنائيه لابسط المواد،
وهي العناصر الكيميائيه. وتشمل العناصر الشائعه : الهيدروجين والاكسجين والحديد والرصاص. ويتكون كل عنصر كيميائي
من نوع اساسي واحد من الذرات. اما المركبات الكيميائيه، فهي مواد اكثر تعقيدا من حيث
تركيبها الكيميائي؛ اذ تتالف من نوعين او اكثر من الذرات مرتبط بعضها ببعض في وحدات
تسمى الجزيئات. فالماء، على سبيل المثال، مركب يتكون كل جزيء منه من ذرتين من الهيدروجين
مرتبطتين بذره واحده من الاكسجين.

العرض:
تتفاوت الذرات كثيرا في الوزن، ولكنها جميعا تتساوى تقريبا في الحجم. فذره اليورانيوم، على سبيل
المثال، وهي اثقل الذرات الموجوده في الطبيعه، يبلغ وزنها مائتي ضعف وزن ذره الهيدروجين الذي
يعد اخف العناصر المعروفه حتى الان. ومع ذلك فان قطر ذره اليورانيوم لا يتعدى ثلاثه
امثال قطر ذره الهيدروجين تقريبا.

وبالرغم من ان الذرات تعد من ادق الاشياء في العالم الا انها تعد ايضا من
اعظمها قوه، فبداخلها كميه هائله من الطاقه الكامنه. وقد استطاع العلماء تسخير هذه الطاقه في
انتاج اسلحه الدمار البالغه التاثير كما استطاعوا ايضا الاستفاده منها في توليد الكهرباء.

اجزاء الذره
بالرغم من ضاله الذره الا انها تتكون من جسيمات اكثر صغرا منها. والجسيمات الثلاثه الاساسيه
هي: البروتونات، والنيوترونات، والالكترونات. ولكل ذره عدد محدد من هذه الجسيمات تحت الذريه.

تزدحم البروتونات والنيوترونات داخل النواه، وهي منطقه بالغه الصغر في مركز الذره. فلو كان قطر
ذره الهيدروجين سته كيلومترات، على سبيل المثال، فان النواه لا يتعدى حجمها حجم كره المضرب
العاديه. وما يتبقى من حجم الذره خارج النواه هو في اغلبه فضاء فارغ. وفي هذا
الفضاء، تدور الالكترونات حول النواه بسرعه بالغه تقطع بها بلايين الرحلات في كل جزء من
المليون جزء من الثانيه.

وبسبب سرعه الالكترونات البالغه، تبدو الذره وكانها جامده، وذلك بنفس المبدا الذي يمنع مرور قلم
رصاص خلال انصال مروحه تدور بسرعه عاليه.

وكثيرا ما تقارن الذرات بالنظام الشمسي، فتعتبر النواه مناظره للشمس، والالكترونات مناظره للكواكب التي تدور
حولها. لكن هذه المقارنه ليست صحيحه على اطلاقها. فعلى عكس الكواكب، لا تتبع االالكترونات مسارات
منتظمه مرتبه. بالاضافه الى ان البروتونات دائمه التحرك عشوائيا داخل النواه.

النواه. تشكل النواه تقريبا كل كتله الذره. والكتله هي كميه الماده في ذره. وتبلغ كتله
البروتون 1,836 ضعف كتله الالكترون. وكذلك من 1,839 الكترونا نحصل على كتله النيوترون. ويحمل كل
بروتون وحده واحده من وحدات الشحنه الموجبه، بينما يحمل الالكترون وحده واحده من وحدات الشحنه
السالبه. اما النيوترونات فهي غير مشحونه. وتحتوي الذره في اغلب الاحوال على نفس العدد من
البروتونات والالكترونات، وبالتالي فالذره متعادله كهربائيا.

البروتونات والنيوترونات اصغر ب 100,000 مره تقريبا مقارنه بوزن الذره، ولكنها تتالف بدورها من جسيمات
اكثر صغرا يسمى كل منها كوارك. ويتكون كل بروتون وكل نيوترون من ثلاثه من جسيمات
الكوارك. ويستطيع العلماء في المختبر جعل جسيمات الكوارك تتجمع وتكون انواعا اخرى من الجسيمات تحت
الذريه بجانب البروتونات والنيوترونات. ولكن كل هذه الجسيمات الاخرى تتفكك وتتحول الى جسيمات عاديه في
غضون ثانيه واحده. ولهذا فلا يوجد اي منها في الذرات العاديه. وقد عرف العلماء ان
البروتونات والنيوترونات تتكون من جسيمات الكوارك من خلال دراستهم للجسيمات تحت الذريه. وللحصول على معلومات
عن الجسيمات تحت الذريه الاخرى.

الالكترونات. على عكس البروتونات والنيوترونات فان الالكترونات لا تحتوي على جسيمات اصغر. وكتله الالكترون بالغه
الصغر. وتكتب قيمه هذه الكتله بالجرامات، بوضع علامه عشريه يتبعها 27 صفرا ثم رقم 9.

ونظرا لان الشحنات المتضاده تتجاذب، فان النواه الموجبه الشحنه تعمل بقوه جذب على الالكترونات السالبه
الشحنه، مما يودي الى بقاء هذه الالكترونات داخل الذره. لكن لكل الكترون طاقه تمكنه من
مقاومه جذب النواه. وكلما ازدادت طاقه الالكترون ازداد بعده عن النواه. وهكذا تنتظم الالكترونات في
مدارات على مسافات مختلفه من النواه حسب مقدار طاقه كل منها. فتوجد الالكترونات الاقل طاقه
في المدارات الداخليه، بينما توجد الالكترونات الاكثر طاقه في المدارات الخارجيه.

ويعطي العلماء لكل مدار الكتروني رقما خاصا به. فالمدار الاقرب الى النواه يسمى بالمدار رقم
1. وترقم المدارات الاخرى 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، 7
حسب الترتيب التصاعدي لبعدها عن النواه. ويشار الى المدارات في بعض الاحيان بالحروف الهجائيه. ويوجد
على كل مدار عدد محدود من الالكترونات، فلا يستطيع المدار الاول الاحتفاظ باكثر من الكترونين.
ويستطيع المدار الثاني الاحتفاظ بثمانيه الكترونات والثالث بثمانيه عشر الكترونا، والرابع باثنين وثلاثين الكترونا، والخامس
بخمسين الكترونا، والسادس باثنين وسبعين الكترونا، والسابع بثمانيه وتسعين الكترونا. غير ان هذه المدارات الخارجيه
لا يكتمل بها عدد الالكترونات مطلقا.

خواص الذرات
العدد الذري. وهو يبين لنا عدد البروتونات التي تحتوي عليها الذره. فعلى سبيل المثال، تحتوي
كل ذره هيدروجين على بروتون واحد، ولهذا، فان العدد الذري للهيدروجين 1. ويتدرج العدد الذري
للعناصر الطبيعيه الاخرى تصاعديا حتى يصل الى 92 لليورانيوم، الذي يحتوي على 92 بروتونا في
كل ذره من ذراته. وتتكون كذلك كميات ضئيله من البلوتونيوم، الذي يبلغ عدده الذري 94،
بصوره طبيعيه. ويمكن ايجاد العناصر التي يزيد عددها الذري على 92 في المختبر.

يحدد العدد الذري ترتيب العنصر في الجدول الدوري. وينظم هذا الجدول العناصر المختلفه في مجموعات
تتشابه في خواصها الكيميائيه. للاطلاع على هذا الجدول.

العدد الكتلي. هو حاصل جمع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في ذره. وبالرغم من ان كل
الذرات في عنصر ما لها نفس عدد البروتونات، الا انها قد تختلف في عدد النيوترونات.
ويطلق على الذرات التي لها نفس عدد البروتونات وتختلف في عدد النيوترونات اسم النظائر.

واغلب العناصر الموجوده في الطبيعه لها اكثر من نظير فالهيدروجين، على سبيل المثال، له ثلاثه
نظائر. وتتكون النواه في اكثر نظائر الهيدروجين شيوعا من بروتون واحد فقط. بينما تتكون النواه
في النظيرين الاخرين من نيوترون واحد او نيوترونين بالاضافه الى البروتون. ويستخدم العلماء العدد الكتلي
للتمييز بين نظائر الهيدروجين الثلاثه لتصبح هيدروجين 1، هيدروجين 2، هيدروجين 3. كما يسمون الهيدروجين
1 بروتيوم، وهيدروجين 2 ديوتريوم، وهيدروجين 3 تريتيوم.

وفي اغلب العناصر الاخف، تحتوي نواه كل ذره علي عدد متساو من البروتونات والنيوترونات. بينما
تحتوي نوى العناصر الاثقل على عدد من النيوترونات اكبر من عدد البروتونات. اما اثقل العناصر
فبها نحو ثلاثه نيوترونات لكل اثنين من البروتونات. فاليورانيوم 238، مثلا، به 146 نيوترونا مقابل
92 بروتونا في كل ذره.

الوزن الذري.
هو وزن الذره معبرا عنه بوحدات الكتله الذريه. وتعادل وحده الكتله الذريه التي تسمى احيانا
دالتون 1/12 من وزن ذره الكربون 12. ويكون الوزن الذري لاغلب الذرات معبرا عنه بالدالتون
قريبا جدا من العدد الكتلي. ووحدات الكتله الذريه بالغه الصغر فهناك 602 بليون ترليون دالتون
في كل جرام.

ويعين العلماء الوزن الذري لعنصر متعدد النظائر بايجاد متوسط الاوزان الذريه لهذه النظائر بنسب وجودها
في الطبيعه. فيبلغ الوزن الذري لغاز الكلور، على سبيل المثال، 35,453 دالتون. وهذه القيمه هي
متوسط الوزن الذري للنظيرين كلور 35 (وزنه الذري 34,96885) وكلور 37 (وزنه الذري 36,96590) حسب
نسبه كل منهما في الطبيعه.

الشحنه الكهربائيه. رغم ان الذره تكون عاده متعادله كهربائيا، الا انها قد تفقد او تكتسب
قليلا من الالكترونات في بعض التفاعلات الكيميائيه او عند اصطدامها بالكترون او بذره اخرى. وينتج
عن هذا الفقد او الاكتساب ذره مشحونه كهربائيا تسمى بالايون، وتصبح الذره التي فقدت الكترونات
ايونا موجبا بينما تصبح الذره التي اكتسبت الكترونات ايونا سالبا. وتسمى عمليه الفقد او الاكتساب
هذه التاين.

السلوك الكيميائي.
يتحدد السلوك الكيميائي لذره ما الى حد بعيد بعدد الالكترونات الموجوده في مدارها الخارجي. وعندما
تتجمع الذرات لتكون جزيئات، فان الالكترونات في المدارات الخارجيه اما ان تنتقل من ذره الى
اخرى او تشارك فيها الذرات المختلفه. ويعبر عن عدد الالكترونات الداخله في هذه العمليه بالتكافو.
ولذرات بعض العناصر اكثر من تكافو. ويعتمد ذلك على عدد ونوع الذرات التي سيتم التفاعل
معها.

ويكون تكافو الذره موجبا اذا كانت تميل لفقد الكترونات لذرات اخرى. بينما يكون التكافو سالبا
اذا مالت الذره الى اكتساب الكترونات من ذرات اخرى. فالصوديوم، على سبيل المثال، يميل لفقد
الكترون واحد وهكذا يصبح تكافوه + 1. اما الكلور، فيميل لاكتساب الكترون واحد وبهذا يصبح
تكافوه – 1.

ويتكون جزيء ملح المائده العادي من ذره صوديوم واحده مرتبطه بذره كلور واحده. وتعطي ذره
الصوديوم الالكترون الذي تكتسبه ذره الكلور.

النشاط الاشعاعي.
تستطيع النواه في بعض الذرات ان تتغير بصوره طبيعيه. وتسمى مثل هذه الذرات نشطه اشعاعيا.
وقد يكون التغير في النواه قاصرا فقط على تغير في ترتيب البروتونات والنيوترونات. وفي حالات
اخرى، يتغير العدد الفعلي للبروتونات والنيوترونات. وعندما تتغير نواه فانها تعطي اشعاعا. ويتكون هذا الاشعاع
من جسيمات الفا او جسيمات بيتا او اشعه جاما. وذرات اليورانيوم والراديوم وكل العناصر الاخرى
الاثقل من البزموت نشطه اشعاعيا. كذلك، لبعض نظائر العناصر الاخف كالكربون نشاط اشعاعي. وبالاضافه الى
ذلك، يستطيع علماء الطبيعه تكوين نظائر مشعه لكل العناصر تقريبا في المختبر وذلك باطلاق بروتونات
او نيوترونات او جسيمات تحت ذريه على ذرات هذه العناصر .

ويعتمد نوع الاشعاع المنبعث من نواه نشيطه اشعاعيا على طريقه تغير النواه. فتنبعث اشعه جاما
عندما يتغير فقط ترتيب البروتونات والنيوترونات في النواه. بينما تنبعث اشعه الفا وبيتا عندما يتغير
عدد البروتونات والنيوترونات في النواه، وتصبح الذره حينئذ ذره عنصر مغاير. تسمى هذه العمليه بتحول
العناصر او الانحلال الاشعاعي.

القوى داخل الذره
يتناول فرع الفيزياء المسمى بالميكانيكا الكميه مساله القوى داخل الذره وحركه الجسيمات تحت الذريه. وقد
افتتحت الدراسه في هذا الفرع من فروع الفيزياء في عام 1913م عندما استخدم عالم الفيزياء
الدنماركي نيلز بور نظريه الكم لشرح حركه الالكترونات داخل الذرات. وقام علماء فيزياء اخرون بتطوير
ميكانيكا الكم، وطبقوا مبادئها على النواه والالكترونات.

مستويات طاقه الالكترونات. حسب نظريه ميكانيكا الكم، لا تستطيع الالكترونات ان تحصل علي اي كميه
مفترضه من الطاقه. بدلا من ذلك، فان الالكترونات مقيده بمجموعه من الحركات كل منها مرتبط
بقيمه محدده من الطاقه. تسمى هذه الحركات بالحالات الكميه او مستويات الطاقه. فعندما يكون الكترون
في حاله كميه معينه، فانه لا يمتص ولا يعطي طاقه. ولهذا السبب، فان الذره تستطيع
ان تكتسب او تفقد طاقه فقط عندما يغير واحد او اكثر من الكتروناتها من حالته
الكميه.

وكما يبحث الماء دائما عن اقل مستوى ممكن، فان الالكترونات تبحث دائما عن الحاله المرتبطه
باقل طاقه. ومع ذلك، فان اي حاله كميه لا يمكن ان تشغل الا بالكترون واحد
فقط. فعندما تمتلئ الحالات الكميه الاكثر انخفاضا، فان باقي الالكترونات تجبر على الانتقال لتشغل حالات
كميه اعلى. فاذا كانت جميع الالكترونات في اقل الحالات انخفاضا فيقال حينئذ: ان الذره في
الحاله الارضيه. وهذه الحاله طبيعيه للذرات عند درجه الحراره العاديه.

اذا سخنت الماده الى درجات حراره اعلى من بضع مئات من الدرجات، تتوفر طاقه كافيه
لرفع الكترون او اكثر الى مستوى طاقه اعلى. وتصبح الذره حينئذ في حاله اثاره. ومع
ذلك، فنادرا ما تبقى هذه الذره في حاله الاثاره لاكثر من جزء من الثانيه. يسقط
الالكترون المثار فورا الى حاله اكثر انخفاضا ويستمر في السقوط حتى تعود الذره الى الحاله
الارضيه. وعند كل سقوط، يعطي الالكترون قدرا محددا من الطاقه الاشعاعيه المركزه يسمى بالفوتون. وتساوي
طاقه الفوتون الفرق بين مستويين للطاقه. ويمكن كشف الفوتونات التي تعطيها الالكترونات كضوء مرئي وكصور
اخرى للاشعاع الكهرومغنطيسي.

وقد شبه بور، في بادئ الامر، الحالات الكميه للالكترونات بمدارات الكواكب حول الشمس. لكن علماء
الطبيعه اليوم يعلمون ان هذا التشبيه غير صحيح؛ لان الالكترون ليس مجرد جسم بسيط. فللالكترون
ايضا بعض خواص الموجات. وانه حقا لمن الصعب ان نتخيل كيف يكون شيء ما جسيما
وموجه في الوقت نفسه. وتمثل هذه الصعوبه احدى المشاكل التي واجهت العلماء وهم يحاولون وصف
الذره لغير العلماء. فللقيام بذلك، ينبغي ان يستخدم العلماء افكارا مالوفه مبنيه على معرفتنا بالعالم
الذي نلاحظه. لكن الظروف داخل الذره الدقيقه تختلف كثيرا جدا عن الظروف التي نقابلها في
عالم كل يوم. ولهذا السبب، يستطيع علماء الفيزياء وصف حركات الالكترونات تماما وبدقه فقط باستخدام
الرياضيات.

القوى داخل النواه.
تنطبق القواعد الكميه التي تحكم حركه الالكترونات ايضا على حركه البروتونات والنيوترونات داخل النواه. لكن
القوه التي تحافظ على جسيمات النواه معا تختلف كثيرا عن قوه الجذب التي تمسك بالالكترونات
داخل الذره.فكل جسيم نووي ينجذب الى اقرب جار له بما يسمى بالقوه النوويه او ما
يسمى في بعض الاحيان بالتفاعل القوي. ومن المعروف ان الشحنات المتماثله تتنافر، لكن القوى النوويه
العظيمه تتغلب على التنافر المتبادل بين البروتونات موجبه الشحنه، وهكذا تحافظ على النواه من التفكك.
وتتلاشى هذه القوه بسرعه مالم تكن جسيمات النواه شديده التقارب فيما بينها. والالكترونات محصنه ضد
القوه النوويه.

والقوه النوويه بالغه التعقيد، ولم يستطع العلماء بعد التوصل الى وصف رياضي دقيق لها. وهناك
نظريه تعرف بالنموذج المداري النووي تعطي تقديرات سليمه لمستويات الطاقه في النواه.

ويستطيع بروتون واحد ونيوترون واحد ان يشغلا كل حاله كميه في النواه. ولهذا السبب فان
النواه الحقيقيه يكون بها عدد متساو تقريبا من البروتونات والنيوترونات. لكن البروتون والنيوترون الموجودان في
نفس الحاله الكميه لا تتساوى كميه الطاقه الخاصه بكل منهما بالضروره. ويطرد كل بروتون كهربائيا
بوساطه باقي البروتونات في النواه مما يزيد من طاقته.

ويكون الاختلاف في مستويات الطاقه بين البروتونات محسوسا في النواه متعدده البروتونات، كما تتوافر بها
حالات طاقه منخفضه للنيوترونات اكثر مما تتوافر فيها للبروتونات. وتفسر هذه الحقيقه لماذا تحتوي النواه
الثقيله على عدد من النيوترونات يفوق عدد البروتونات.

• تطور النموذج الذري
• معلومات عن تطور النموذج الذري
• تطور نموذج الذرة
• صور تطور الذرة
• دالتون
• تقرير عن تطور النماذج الذرية
• تغير في الذرة
• تطور نموذج الذرة عبر الزمن
• تطور النماذج الذرية
• وصف النموذج الذري اليوم