تطور النموذج الذري

صورة1

 



المقدمه:


الذرة احدي الوحدات الاساسية لبناء الماده. فكل شيء حولنا مكون من ذرات. و الذرة الواحدة بالغة الصغر، فهى لاتتعدي و احدا علي مليون من سمك شعرة . و تحتوى اصغر عينة ممكن رويتها بمجهر عادى علي ما يزيد علي عشرة بلايين ذره. و تكون الذرات القوالب البنائية لابسط المواد، و هى العناصر الكيميائيه. و تشمل العناصر الشائعة : الهيدروجين و الاكسجين و الحديد و الرصاص. و يتكون جميع عنصر كيميائى من نوع اساسى و احد من الذرات. اما المركبات الكيميائيه، فهى مواد اكثر تعقيدا من حيث تركيبها الكيميائي؛ اذ تتالف من نوعين او اكثر من الذرات مرتبط بعضها ببعض فو حدات تسمي الجزيئات. فالماء، علي سبيل المثال، مركب يتكون جميع جزيء منة من ذرتين من الهيدروجين مرتبطتين بذرة و احدة من الاكسجين.

العرض:


تتفاوت الذرات كثيرا فالوزن، و لكنها جميعا تتساوي تقريبا فالحجم. فذرة اليورانيوم، علي سبيل المثال، و هى اثقل الذرات الموجودة فالطبيعه، يبلغ و زنها ما ئتى ضعف و زن ذرة الهيدروجين الذي يعد اخف العناصر المعروفة حتي الان. و مع هذا فان قطر ذرة اليورانيوم لا يتعدي ثلاثة امثال قطر ذرة الهيدروجين تقريبا.

وبالرغم من ان الذرات تعد من ادق الحاجات فالعالم الا انها تعد كذلك من اعظمها قوه، فبداخلها كمية هائلة من الطاقة الكامنه. و ربما استطاع العلماء تسخير هذة الطاقة فانتاج اسلحة الدمار البالغة التاثير كما استطاعوا كذلك الاستفادة منها فتوليد الكهرباء.

اجزاء الذرة


بالرغم من ضالة الذرة الا انها تتكون من جسيمات اكثر صغرا منها. و الجسيمات الثلاثة الاساسية هي: البروتونات، و النيوترونات، و الالكترونات. و لكل ذرة عدد محدد من هذة الجسيمات تحت الذريه.

تزدحم البروتونات و النيوترونات داخل النواه، و هى منطقة بالغة الصغر فمركز الذره. فلو كان قطر ذرة الهيدروجين ستة كيلومترات، علي سبيل المثال، فان النواة لا يتعدي حجمها حجم كرة المضرب العاديه. و ما يتبقي من حجم الذرة خارج النواة هو فاغلبة فضاء فارغ. و فهذا الفضاء، تدور الالكترونات حول النواة بسرعة بالغة تقطع فيها بلايين الرحلات فكل جزء من المليون جزء من الثانيه.

وبسبب سرعة الالكترونات البالغه، تبدو الذرة و كانها جامده، و هذا بنفس المبدا الذي يمنع مرور قلم رصاص اثناء انصال مروحة تدور بسرعة عاليه.

وكثيرا ما تقارن الذرات بالنظام الشمسي، فتعتبر النواة مناظرة للشمس، و الالكترونات مناظرة للكواكب التي تدور حولها. لكن هذة المقارنة ليست صحيحة علي اطلاقها. فعلي عكس الكواكب، لا تتبع االالكترونات مسارات منتظمة مرتبه. بالاضافة الي ان البروتونات دائمة التحرك عشوائيا داخل النواه.

النواه. تشكل النواة تقريبا جميع كتلة الذره. و الكتلة هى كمية المادة فذره. و تبلغ كتلة البروتون 1,836 ضعف كتلة الالكترون. و ايضا من 1,839 الكترونا نحصل علي كتلة النيوترون. و يحمل جميع بروتون و حدة و احدة من و حدات الشحنة الموجبه، بينما يحمل الالكترون و حدة و احدة من و حدات الشحنة السالبه. اما النيوترونات فهى غير مشحونه. و تحتوى الذرة فاغلب الاحوال علي نفس العدد من البروتونات و الالكترونات، و بالتالي فالذرة متعادلة كهربائيا.

البروتونات و النيوترونات اصغر ب 100,000 مرة تقريبا مقارنة بوزن الذره، و لكنها تتالف بدورها من جسيمات اكثر صغرا يسمي جميع منها كوارك. و يتكون جميع بروتون و جميع نيوترون من ثلاثة من جسيمات الكوارك. و يستطيع العلماء فالمختبر جعل جسيمات الكوارك تتجمع و تكون نوعياتا اخري من الجسيمات تحت الذرية بجانب البروتونات و النيوترونات. و لكن جميع هذة الجسيمات الاخري تتفكك و تتحول الي جسيمات عادية فغضون ثانية =و احده. و لهذا فلا يوجد اي منها فالذرات العاديه. و ربما عرف العلماء ان البروتونات و النيوترونات تتكون من جسيمات الكوارك من اثناء دراستهم للجسيمات تحت الذريه. و للحصول علي معلومات عن الجسيمات تحت الذرية الاخرى.

الالكترونات. علي عكس البروتونات و النيوترونات فان الالكترونات لا تحتوى علي جسيمات اصغر. و كتلة الالكترون بالغة الصغر. و تكتب قيمة هذة الكتلة بالجرامات، بوضع علامة عشرية يتبعها 27 صفرا بعدها رقم 9.

ونظرا لان الشحنات المتضادة تتجاذب، فان النواة الموجبة الشحنة تعمل بقوة جذب علي الالكترونات السالبة الشحنه، مما يودى الي بقاء هذة الالكترونات داخل الذره. لكن لكل الكترون طاقة تمكنة من مقاومة جذب النواه. و كلما ازدادت طاقة الالكترون ازداد بعدة عن النواه. و كذا تنتظم الالكترونات فمدارات علي مسافات مختلفة من النواة حسب مقدار طاقة جميع منها. فتوجد الالكترونات الاقل طاقة فالمدارات الداخليه، بينما توجد الالكترونات الاكثر طاقة فالمدارات الخارجيه.

ويعطى العلماء لكل مدار الكترونى رقما خاصا به. فالمدار الاقرب الي النواة يسمي بالمدار رقم 1. و ترقم المدارات الاخري 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، 7 حسب الترتيب التصاعدى لبعدين عن النواه. و يشار الي المدارات فبعض الاحيان بالحروف الهجائيه. و يوجد علي جميع مدار عدد محدود من الالكترونات، فلا يستطيع المدار الاول الاحتفاظ باكثر من الكترونين. و يستطيع المدار الثاني الاحتفاظ بثمانية الكترونات و الثالث بثمانية عشر الكترونا، و الرابع باثنين و ثلاثين الكترونا، و الخامس بخمسين الكترونا، و السادس باثنين و سبعين الكترونا، و السابع بثمانية و تسعين الكترونا. غير ان هذة المدارات الخارجية لا يكتمل فيها عدد الالكترونات مطلقا.

خواص الذرات


العدد الذري. و هو يبين لنا عدد البروتونات التي تحتوى عليها الذره. فعلي سبيل المثال، تحتوى جميع ذرة هيدروجين علي بروتون و احد، و لهذا، فان العدد الذرى للهيدروجين 1. و يتدرج العدد الذرى للعناصر الطبيعية الاخري تصاعديا حتي يصل الي 92 لليورانيوم، الذي يحتوى علي 92 بروتونا فكل ذرة من ذراته. و تتكون ايضا كميات ضئيلة من البلوتونيوم، الذي يبلغ عددة الذرى 94، بصورة طبيعيه. و ممكن ايجاد العناصر التي يزيد عددها الذرى علي 92 فالمختبر.

يحدد العدد الذرى ترتيب العنصر فالجدول الدوري. و ينظم ذلك الجدول العناصر المختلفة فمجموعات تتشابة فخواصها الكيميائيه. للاطلاع علي ذلك الجدول.

العدد الكتلي. هو حاصل جمع عدد البروتونات و عدد النيوترونات فذره. و بالرغم من ان جميع الذرات فعنصر ما لها نفس عدد البروتونات، الا انها ربما تختلف فعدد النيوترونات. و يطلق علي الذرات التي لها نفس عدد البروتونات و تختلف فعدد النيوترونات اسم النظائر.

واغلب العناصر الموجودة فالطبيعة لها اكثر من نظير فالهيدروجين، علي سبيل المثال، له ثلاثة نظائر. و تتكون النواة فاكثر نظائر الهيدروجين شيوعا من بروتون و احد فقط. بينما تتكون النواة فالنظيرين الاخرين من نيوترون و احد او نيوترونين بالاضافة الي البروتون. و يستعمل العلماء العدد الكتلى للتمييز بين نظائر الهيدروجين الثلاثة لتصبح هيدروجين 1، هيدروجين 2، هيدروجين 3. كما يسمون الهيدروجين 1 بروتيوم، و هيدروجين 2 ديوتريوم، و هيدروجين 3 تريتيوم.

وفى اغلب العناصر الاخف، تحتوى نواة جميع ذرة على عدد متساو من البروتونات و النيوترونات. بينما تحتوى نوي العناصر الاثقل علي عدد من النيوترونات اكبر من عدد البروتونات. اما اثقل العناصر فبها نحو ثلاثة نيوترونات لكل اثنين من البروتونات. فاليورانيوم 238، مثلا، بة 146 نيوترونا مقابل 92 بروتونا فكل ذره.

الوزن الذري.


هو و زن الذرة معبرا عنة بوحدات الكتلة الذريه. و تعادل و حدة الكتلة الذرية التي تسمي احيانا دالتون 1/12 من و زن ذرة الكربون 12. و يصبح الوزن الذرى لاغلب الذرات معبرا عنة بالدالتون قريبا جدا جدا من العدد الكتلي. و وحدات الكتلة الذرية بالغة الصغر فهنالك 602 بليون ترليون دالتون فكل جرام.

ويعين العلماء الوزن الذرى لعنصر متعدد النظائر بايجاد متوسط الاوزان الذرية لهذة النظائر بنسب و جودها فالطبيعه. فيبلغ الوزن الذرى لغاز الكلور، علي سبيل المثال، 35,453 دالتون. و هذة القيمة هى متوسط الوزن الذرى للنظيرين كلور 35 (وزنة الذرى 34,96885) و كلور 37 (وزنة الذرى 36,96590) حسب نسبة جميع منهما فالطبيعه.

الشحنة الكهربائيه. رغم ان الذرة تكون عادة متعادلة كهربائيا، الا انها ربما تفقد او تكتسب قليلا من الالكترونات فبعض التفاعلات الكيميائية او عند اصطدامها بالكترون او بذرة اخرى. و ينتج عن ذلك الفقد او الاكتساب ذرة مشحونة كهربائيا تسمي بالايون، و تصبح الذرة التي فقدت الكترونات ايونا موجبا بينما تصبح الذرة التي اكتسبت الكترونات ايونا سالبا. و تسمي عملية الفقد او الاكتساب هذة التاين.

السلوك الكيميائي.


يتحدد السلوك الكيميائى لذرة ما الي حد بعيد بعدد الالكترونات الموجودة فمدارها الخارجي. و عندما تتجمع الذرات لتكون جزيئات، فان الالكترونات فالمدارات الخارجية اما ان تنتقل من ذرة الي اخري او تشارك بها الذرات المختلفه. و يعبر عن عدد الالكترونات الداخلة فهذة العملية بالتكافو. و لذرات بعض العناصر اكثر من تكافو. و يعتمد هذا علي عدد و نوع الذرات التي سيتم التفاعل معها.

ويصبح تكافو الذرة موجبا اذا كانت تميل لفقد الكترونات لذرات اخرى. بينما يصبح التكافو سالبا اذا ما لت الذرة الي اكتساب الكترونات من ذرات اخرى. فالصوديوم، علي سبيل المثال، يميل لفقد الكترون و احد و كذا يكون تكافوة + 1. اما الكلور، فيميل لاكتساب الكترون و احد و بهذا يكون تكافوة – 1.

ويتكون جزيء ملح المائدة العادى من ذرة صوديوم و احدة مرتبطة بذرة كلور و احده. و تعطى ذرة الصوديوم الالكترون الذي تكتسبة ذرة الكلور.

النشاط الاشعاعي.


تستطيع النواة فبعض الذرات ان تتغير بصورة طبيعيه. و تسمي كهذة الذرات نشطة اشعاعيا. و ربما يصبح التغير فالنواة قاصرا فقط علي تغير فترتيب البروتونات و النيوترونات. و فحالات اخرى، يتغير العدد الفعلى للبروتونات و النيوترونات. و عندما تتغير نواة فانها تعطى اشعاعا. و يتكون ذلك الاشعاع من جسيمات الفا او جسيمات بيتا او اشعة جاما. و ذرات اليورانيوم و الراديوم و جميع العناصر الاخري الاثقل من البزموت نشطة اشعاعيا. كذلك، لبعض نظائر العناصر الاخف كالكربون نشاط اشعاعي. و بالاضافة الي ذلك، يستطيع علماء الطبيعة تكوين نظائر مشعة لكل العناصر تقريبا فالمختبر و هذا باطلاق بروتونات او نيوترونات او جسيمات تحت ذرية علي ذرات هذة العناصر .

ويعتمد نوع الاشعاع المنبعث من نواة نشيطة اشعاعيا علي كيفية تغير النواه. فتنبعث اشعة جاما عندما يتغير فقط ترتيب البروتونات و النيوترونات فالنواه. بينما تنبعث اشعة الفا و بيتا عندما يتغير عدد البروتونات و النيوترونات فالنواه، و تصبح الذرة حينئذ ذرة عنصر مغاير. تسمي هذة العملية بتحول العناصر او الانحلال الاشعاعي.

القوي داخل الذره


يتناول فرع الفيزياء المسمي بالميكانيكا الكمية مسالة القوي داخل الذرة و حركة الجسيمات تحت الذريه. و ربما افتتحت الدراسة فهذا الفرع من فروع الفيزياء فعام 1913م عندما استعمل عالم الفيزياء الدنماركى نيلز بور نظرية الكم لشرح حركة الالكترونات داخل الذرات. و قام علماء فيزياء اخرون بتطوير ميكانيكا الكم، و طبقوا مبادئها علي النواة و الالكترونات.

مستويات طاقة الالكترونات. حسب نظرية ميكانيكا الكم، لا تستطيع الالكترونات ان تحصل على اي كمية مفترضة من الطاقه. بدلا من ذلك، فان الالكترونات مقيدة بمجموعة من الحركات جميع منها مرتبط بقيمة محددة من الطاقه. تسمي هذة الحركات بالحالات الكمية او مستويات الطاقه. فعندما يصبح الكترون فحالة كمية معينه، فانة لا يمتص و لا يعطى طاقه. و لهذا السبب، فان الذرة تستطيع ان تكتسب او تفقد طاقة فقط عندما يغير و احد او اكثر من الكتروناتها من حالتة الكميه.

وكما يبحث الماء دائما عن اقل مستوي ممكن، فان الالكترونات تبحث دائما عن الحالة المرتبطة باقل طاقه. و مع ذلك، فان اي حالة كمية لا ممكن ان تشغل الا بالكترون و احد فقط. فعندما تمتلئ الحالات الكمية الاكثر انخفاضا، فان باقى الالكترونات تجبر علي الانتقال لتشغل حالات كمية اعلى. فاذا كانت كل الالكترونات فاقل الحالات انخفاضا فيقال حينئذ: ان الذرة فالحالة الارضيه. و هذة الحالة طبيعية للذرات عند درجة الحرارة العاديه.

اذا سخنت المادة الي درجات حرارة اعلي من بضع مئات من الدرجات، تتوفر طاقة كافية لرفع الكترون او اكثر الي مستوي طاقة اعلى. و تصبح الذرة حينئذ فحالة اثاره. و مع ذلك، فنادرا ما تبقي هذة الذرة فحالة الاثارة لاكثر من جزء من الثانيه. يسقط الالكترون المثار فورا الي حالة اكثر انخفاضا و يستمر فالسقوط حتي تعود الذرة الي الحالة الارضيه. و عند جميع سقوط، يعطى الالكترون قدرا محددا من الطاقة الاشعاعية المركزة يسمي بالفوتون. و تساوى طاقة الفوتون الفرق بين مستويين للطاقه. و ممكن كشف الفوتونات التي تعطيها الالكترونات كضوء مرئى و كصور اخري للاشعاع الكهرومغنطيسي.

وقد شبة بور، فبادئ الامر، الحالات الكمية للالكترونات بمدارات الكواكب حول الشمس. لكن علماء الطبيعة اليوم يعلمون ان ذلك التشبية غير صحيح؛ لان الالكترون ليس مجرد جسم بسيط. فللالكترون كذلك بعض خواص الموجات. و انه حقا لمن الصعب ان نتخيل كيف يصبح شيء ما جسيما و موجة فالوقت نفسه. و تمثل هذة الصعوبة احدي المشاكل التي و اجهت العلماء و هم يحاولون و صف الذرة لغير العلماء. فللقيام بذلك، ينبغى ان يستعمل العلماء افكارا ما لوفة مبنية علي معرفتنا بالعالم الذي نلاحظه. لكن الظروف داخل الذرة الدقائق تختلف كثيرا جدا جدا عن الظروف التي نقابلها فعالم جميع يوم. و لهذا السبب، يستطيع علماء الفيزياء و صف حركات الالكترونات تماما و بدقة فقط باستعمال الرياضيات.

القوي داخل النواه.


تنطبق القواعد الكمية التي تحكم حركة الالكترونات كذلك علي حركة البروتونات و النيوترونات داخل النواه. لكن القوة التي تحافظ علي جسيمات النواة معا تختلف كثيرا عن قوة الجذب التي تمسك بالالكترونات داخل الذره.فكل جسيم نووى ينجذب الي اقرب جار له بما يسمي بالقوة النووية او ما يسمي فبعض الاحيان بالتفاعل القوي. و من المعروف ان الشحنات المتماثلة تتنافر، لكن القوي النووية العظيمة تتغلب علي التنافر المتبادل بين البروتونات موجبة الشحنه، و كذا تحافظ علي النواة من التفكك. و تتلاشي هذة القوة بسرعة ما لم تكن جسيمات النواة شديدة التقارب فيما بينها. و الالكترونات محصنة ضد القوة النوويه.

والقوة النووية بالغة التعقيد، و لم يستطع العلماء بعد التوصل الي و صف رياضى دقيق لها. و هنالك نظرية تعرف بالنموذج المدارى النووى تعطى تقديرات سليمة لمستويات الطاقة فالنواه.

ويستطيع بروتون و احد و نيوترون و احد ان يشغلا جميع حالة كمية فالنواه. و لهذا الاسباب =فان النواة الحقيقية يصبح فيها عدد متساو تقريبا من البروتونات و النيوترونات. لكن البروتون و النيوترون الموجودان فنفس الحالة الكمية لا تتساوي كمية الطاقة الخاصة بكل منهما بالضروره. و يطرد جميع بروتون كهربائيا بوساطة باقى البروتونات فالنواة مما يزيد من طاقته.

ويصبح الاختلاف فمستويات الطاقة بين البروتونات محسوسا فالنواة متعددة البروتونات، كما تتوافر فيها حالات طاقة منخفضة للنيوترونات اكثر مما تتوافر بها للبروتونات. و تفسر هذة الحقيقة لماذا تحتوى النواة الثقيلة علي 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


تطور النموذج الذري