الذرة (بالإنجليزية: (Atom هي أصغر جسيم يمكن تقسيم العنصر إليه دون أن يفقد هويته الكيميائية. تتكون الذرات من نواة مركزية ثقيلة محاطة بسحابة من الجسيمات سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات. تحتوي النواة على جسيمات موجبة (بروتونات) وجسيمات متعادلة كهربائيًا (نيوترونات). عدد البروتونات يسمى العدد الذري. هذا الرقم يحدد بشكل فريد كل عنصر كيميائي. في المقابل، تتكون البروتونات والنيوترونات من كواركات .
نبذة عن تاريخ الذرة
نظرية ديموقريطس
تعود نظرية الذرة إلى ما لا يقل عن 440 قبل الميلاد. إلى ديموقريطس، عالم وفيلسوف يوناني. بنى ديموقريطوس نظريته عن الذرات على أعمال الفلاسفة السابقين.
يبدأ تفسير ديموقريطس للذرة بحجر. الحجر المقطوع إلى النصف يعطي نصفين من نفس الحجر. إذا تم قطع الحجر بشكل مستمر، فسيكون هناك قطعة من الحجر في مرحلة ما صغيرة بما يكفي بحيث لا يمكن قطعها مرة أخرى. يأتي مصطلح "الذرة" من الكلمة اليونانية التي تعني "غير قابل للتجزئة"، والتي خلص ديموقريطس إلى أنها يجب أن تكون النقطة التي لا يمكن عندها تقسيم عنصر (أي شكل من أشكال المادة) بعد ذلك.
تضمن تفسير ديموقريطوس الكثير من الأفكار حول وجود الذرات بشكل منفصل عن بعضها البعض، وأن هناك كمية لا حصر لها من الذرات، وأن الذرات قادرة على الحركة، ويمكنها أن تتحد معًا لتكوين المادة ولكن لا تندمج لتصبح ذرة جديدة، وأنه لا يمكن تقسيمهم. ومع ذلك، نظرًا لأن معظم الفلاسفة في ذلك الوقت - وخاصة أرسطو ذو النفوذ الشديد - كانوا يعتقدون أن كل المادة تتكون من الأرض والهواء والنار والماء، فقد تم تنحية نظرية ديموقريطوس الذرية جانبًا.
نظرية دالتون
جون دالتون كيميائي بريطاني، بنى على أفكار ديموقريطس في 1803 عندما طرح نظريته الذرية الخاصة. تضمنت نظرية دالتون عدة أفكار من ديموقريطس، مثل أن الذرات غير قابلة للتجزئة وأن الذرات المختلفة تتشكل معًا لتكوين كل المادة. تضمنت إضافات دالتون إلى النظرية الأفكار التالية: أن جميع ذرات عنصر معين متطابقة، وأن ذرات عنصر ما لها أوزان وخصائص مختلفة عن ذرات عنصر آخر، وأن الذرات لا يمكن إنشاؤها وأن المادة تتكون من اتحاد الذرات بأعداد صحيحة بسيطة.
نظرية طومسون
أثبت طومسون، الفيزيائي البريطاني الذي اكتشف الإلكترون في عام 1897، أنه يمكن تقسيم الذرات. كان قادرًا على تحديد وجود الإلكترونات من خلال دراسة خصائص التفريغ الكهربائي في أنابيب أشعة الكاثود. وفقًا لورقة طومسون عام 1897، فقد انحرفت الأشعة داخل الأنبوب، مما أثبت وجود شيء سالب الشحنة داخل الأنبوب المفرغ. في عام 1899، نشر طومسون وصفًا لنموذجه لنموذج ذرة طومسون الذي تضمن عددًا كبيرًا من الإلكترونات المعلقة في شيء ينتج شحنة موجبة تمنح الذرة شحنة محايدة إجمالية.
نموذج رذرفورد
كان العالم التالي الذي قام بتعديل النموذج الذري وتطويره هو رذرفورد، الذي درس تحت إشراف طومسون. في عام 1911، نشر رذرفورد نموذجه للذرة، والذي تضمن إلكترونات تدور حول نواة موجبة الشحنة. نشأ هذا النموذج عندما أطلق رذرفورد جسيمات ألفا على صفائح رقيقة من الذهب. يتكون جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين، وكلها مرتبطة ببعضها البعض بنفس القوة النووية القوية التي تربط النواة.
لاحظ العلماء أن نسبة صغيرة من جسيمات ألفا كانت مبعثرة بزوايا كبيرة جدًا لاتجاه الحركة الأصلي بينما مرت الغالبية من خلالها بصعوبة. كان رذرفورد قادرًا على تقريب حجم نواة ذرة الذهب، ووجد أنها أصغر بمقدار 10000 مرة على الأقل من حجم الذرة بأكملها، وكانت بقية مساحة الذرة فارغة. لا يزال نموذج رذرفورد للذرة هو النموذج الأساسي المستخدم اليوم.
عزز العديد من العلماء الآخرين النموذج الذري، بما في ذلك نيلز بور (المبني على نموذج رذرفورد ليشمل خصائص الإلكترونات على أساس طيف الهيدروجين)، إروين شرودنجر (طور النموذج الكمي للذرة)، فيرنر هايزنبرغ (ذكر أننا لا نستطيع معرفة موقع وسرعة الإلكترون في وقت واحد)، وموراي جيل مان وجورج زويج (طوروا بشكل مستقل نظرية أن البروتونات والنيوترونات تتكون من كواركات).
تعريف الذرة
الذرة هي أصغر وحدة يمكن تقسيم المادة إليها دون إطلاق الجسيمات المشحونة كهربائيًا، وهي لبنة البناء الأساسية للكيمياء والفيزياء بشكل عام. معظم الذرة عبارة عن مساحة فارغة. يتكون الباقي من نواة موجبة الشحنة من البروتونات والنيوترونات محاطة بسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة. النواة صغيرة وكثيفة مقارنة بالإلكترونات، وهي أخف الجسيمات المشحونة في الطبيعة. تنجذب الإلكترونات إلى أي شحنة موجبة بواسطة قوتها الكهربائية؛ هذه القوة تربط الإلكترونات بالنواة.
الطبيعة الموجية لإلكترون
بسبب طبيعة ميكانيكا الكم، لم تكن هناك صورة واحدة مرضية تمامًا في تصور الخصائص المختلفة للذرة، مما يجبر الفيزيائيين على استخدام الصور التكميلية للذرة لشرح الخصائص المختلفة. في بعض النواحي، تتصرف الإلكترونات في الذرة مثل الجسيمات التي تدور حول النواة. في حالات أخرى، تتصرف الإلكترونات مثل الموجات المجمدة في موضعها حول النواة. هذه الأنماط الموجية، التي تسمى المدارات، تصف توزيع الإلكترونات الفردية. يتأثر سلوك الذرة بشدة بهذه الخصائص المدارية، ويتم تحديد خصائصها الكيميائية بواسطة التجمعات المدارية.
النموذج الذري
تتكون معظم المادة من تكتل جزيئات يمكن فصلها بسهولة نسبيًا. وتتكون الجزيئات بدورها من ذرات مرتبطة بروابط كيميائية يصعب تكسيرها. تتكون كل ذرة فردية من جسيمات أصغر - وهي الإلكترونات والنواة. هذه الجسيمات مشحونة كهربائيًا، والقوى الكهربائية هي المسؤولة عن تماسك الذرة معًا. تتطلب محاولات فصل هذه الجسيمات المكونة الأصغر كميات متزايدة من الطاقة وتؤدي إلى تكوين جسيمات دون ذرية جديدة، كثير منها مشحون كهربائيًا.
جميع الذرات لها نفس الحجم تقريبًا، سواء كانت تحتوي على 3 أو 90 إلكترونًا. لشرح أكثر، حوالي 50 مليون ذرة من المادة الصلبة مصطفة على التوالي ستبلغ 1 سم (0.4 بوصة). إن وحدة الطول المناسبة لقياس الأحجام الذرية هي أنجستروم ((Å، والمُعرَّفة بأنها 10-10 متر. نصف قطر الذرة يقيس 1-2 Å بالمقارنة مع الحجم الكلي للذرة، فإن النواة دقيقة أكثر. في الحجم، تشغل النواة 10-14 مترًا فقط من مساحة الذرة - أي جزء واحد في 100000. وحدة الطول المناسبة لقياس الأحجام النووية هي فيمتومتر ((fm، والتي تساوي 10-15 متر. يعتمد قطر النواة على عدد الجزيئات التي تحتويها ويتراوح من حوالي 4 أف فيمتومتر لنواة خفيفة مثل الكربون إلى 15 ميكرومتر لنواة ثقيلة مثل الرصاص. على الرغم من صغر حجم النواة، فإن كل كتلة الذرة تقريبًا تتركز هناك. البروتونات هي جسيمات ضخمة، موجبة الشحنة، في حين أن النيوترونات ليس لها شحنة وهي أكبر بقليل من البروتونات. حقيقة أن النوى يمكن أن تحتوي في أي مكان من 1 إلى ما يقرب من 300 بروتون ونيوترون يفسر التباين الواسع في الكتلة. أخف نواة، نواة الهيدروجين، أكبر بمقدار 1836 مرة من كتلة الإلكترون، في حين أن النوى الثقيلة أكبر بنحو 500000 مرة.
الخصائص الأساسية للذرة
العدد الذري Z
أهم ما يميز الذرة هو عددها الذري عادةً ما يُشار إليه بالحرف Z، والذي يُعرَّف بأنه عدد وحدات الشحنة الموجبة (البروتونات) في النواة. على سبيل المثال، يحتوي الكربون على Z= 6، بينما اليورانيوم Z=92. تحتوي الذرة المحايدة على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات بحيث تتوازن الشحنات الموجبة والسالبة تمامًا. نظرًا لأن الإلكترونات هي التي تحدد كيفية تفاعل ذرة مع أخرى، فإن عدد البروتونات في النواة هو الذي يحدد الخصائص الكيميائية للذرة.
الكتلة الذرية والنظائر
يؤثر عدد النيوترونات في النواة على كتلة الذرة وليس على خصائصها الكيميائية. وهكذا، فإن النواة المكونة من ستة بروتونات وستة نيوترونات سيكون لها نفس الخصائص الكيميائية لنواة بها ستة بروتونات وثمانية نيوترونات، على الرغم من اختلاف الكتلتين. يُقال إن النوى التي تحتوي على نفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات هي نظائر لبعضها البعض. جميع العناصر الكيميائية لها العديد من النظائر.
تُقاس كتلة الذرات بوحدة الكتلة الذرية، والتي تُعرَّف بأنها 1/12 من كتلة ذرة كربون، أو 1.660538921 ×10-24 جرام. تتكون كتلة الذرة من كتلة النواة بالإضافة إلى كتلة الإلكترونات، لذا فإن وحدة الكتلة الذرية ليست بالضبط نفس كتلة البروتون أو النيوترون.
الإلكترون
لقد عرف العلماء منذ أواخر القرن التاسع عشر أن للإلكترون شحنة كهربائية سالبة. تم قياس قيمة هذه الشحنة لأول مرة من قبل الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان بين عامي 1909 و1910. في تجربة ميليكان لتقطير الزيت، قام بتعليق قطرات زيت صغيرة في غرفة تحتوي على رذاذ زيت. من خلال قياس معدل تساقط قطرات الزيت، تمكن من تحديد وزنها. يمكن بعد ذلك إبطاء قطرات الزيت التي تحتوي على شحنة كهربائية (المكتسبة، على سبيل المثال، عن طريق الاحتكاك عند التحرك في الهواء) عن طريق تطبيق قوة كهربائية. من خلال مقارنة القوة الكهربائية المطبقة بالتغيرات في الحركة، كان Millikan قادرًا على تحديد الشحنة الكهربائية لكل قطرة. بعد أن قام بقياس العديد من القطرات، وجد أن الشحنات مضاعفات بسيطة لرقم واحد. كانت وحدة الشحن الأساسية هذه هي شحنة الإلكترون، تم اعتماد شحنة الإلكترون الآن لتكون 1.602176565 × 10-19 كولوم. حصل Millikan على جائزة نوبل للفيزياء في عام 1923.
فيديو عن تاريخ الذرة
المراجع
تعليقات
إرسال تعليق