تطور النموذج الذري



صور تطور النموذج الذري

المقدمه:
الذرة احدي الوحدات الاساسية لبناء الماده.

 

فكل شيء حولنا مكون من ذرات.

 

و الذرة الواحدة بالغة الصغر،

 

فهي لاتتعدي واحدا على مليون من سمك شعرة .

 

 

و تحتوى اصغر عينة يمكن رويتها بمجهر عادي على ما يزيد على عشرة بلايين ذره.

 

و تكون الذرات القوالب البنائية لابسط المواد،

 

و هي العناصر الكيميائيه.

 

و تشمل العناصر الشائعة الهيدروجين و الاكسجين و الحديد و الرصاص.

 

و يتكون كل عنصر كيميائى من نوع اساسى 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 و حدات تسمي الجزيئات.

 

فالماء،

 

على سبيل المثال،

 

مركب يتكون كل جزيء منه من ذرتين من الهيدروجين مرتبطتين بذرة واحدة من الاكسجين.

العرض:
تتفاوت الذرات كثيرا في الوزن،

 

و لكنها كلا تتساوي تقريبا في الحجم.

 

فذرة اليورانيوم،

 

على سبيل المثال،

 

و هي اثقل الذرات الموجودة في الطبيعه،

 

يبلغ و زنها ما ئتى ضعف وزن ذرة الهيدروجين الذى يعد اخف العناصر المعروفة حتى الان.

 

و مع ذلك فان قطر ذرة اليورانيوم لا يتعدي ثلاثة امثال قطر ذرة الهيدروجين تقريبا.

وبالرغم من ان الذرات تعد من ادق الاشياء في العالم الا انها تعد ايضا من اعظمها قوه،

 

فبداخلها كمية هائلة من الطاقة الكامنه.

 

و قد استطاع العلماء تسخير هذه الطاقة في انتاج اسلحة الدمار البالغة التاثير كما استطاعوا ايضا الاستفادة منها في توليد 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 هذه الجسيمات تحت الذريه.

تزدحم البروتونات و النيوترونات داخل النواه،

 

و هي منطقة بالغة الصغر في مركز الذره.

 

فلو كان قطر ذرة الهيدروجين ستة كيلومترات،

 

على سبيل المثال،

 

فان النواة لا يتعدي حجمها حجم كرة المضرب العاديه.

 

و ما يتبقي من حجم الذرة خارج النواة هو في اغلبة فضاء فارغ.

 

و في هذا الفضاء،

 

تدور الالكترونات حول النواة بسرعة بالغة تقطع بها بلايين الرحلات في كل جزء من المليون جزء من الثانيه.

وبسبب سرعة الالكترونات البالغه،

 

تبدو الذرة و كانها جامده،

 

و ذلك بنفس المبدا الذى يمنع مرور قلم رصاص خلال انصال مروحة تدور بسرعة عاليه.

وكثيرا ما تقارن الذرات بالنظام الشمسي،

 

فتعتبر النواة مناظرة للشمس،

 

و الالكترونات مناظرة للكواكب التي تدور حولها.

 

لكن هذه المقارنة ليست صحيحة على اطلاقها.

 

فعلى عكس الكواكب،

 

لا تتبع االالكترونات مسارات منتظمة مرتبه.

 

بالاضافة الى ان البروتونات دائمة التحرك عشوائيا داخل النواه.

النواه.

 

تشكل النواة تقريبا كل كتلة الذره.

 

و الكتلة هي كمية المادة في ذره.

 

و تبلغ كتلة البروتون 1,836 ضعف كتلة الالكترون.

 

و كذلك من 1,839 الكترونا نحصل على كتلة النيوترون.

 

و يحمل كل بروتون و حدة واحدة من و حدات الشحنة الموجبه،

 

بينما يحمل الالكترون و حدة واحدة من و حدات الشحنة السالبه.

 

اما النيوترونات فهي غير مشحونه.

 

و تحتوى الذرة في اغلب الاحوال على 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 كل منها كوارك.

 

و يتكون كل بروتون و كل نيوترون من ثلاثة من جسيمات الكوارك.

 

و يستطيع العلماء في المختبر جعل جسيمات الكوارك تتجمع و تكون انواعا اخرى من الجسيمات تحت الذرية بجانب البروتونات و النيوترونات.

 

و لكن كل هذه الجسيمات الاخرى تتفكك و تتحول الى جسيمات عادية في غضون ثانية واحده.

 

و لهذا فلا يوجد اي منها في الذرات العاديه.

 

و قد عرف العلماء ان البروتونات و النيوترونات تتكون من جسيمات الكوارك من خلال دراستهم للجسيمات تحت الذريه.

 

و للحصول على معلومات عن الجسيمات تحت الذرية الاخرى.

الالكترونات.

 

على عكس البروتونات و النيوترونات فان الالكترونات لا تحتوى على جسيمات اصغر.

 

و كتلة الالكترون بالغة الصغر.

 

و تكتب قيمة هذه الكتلة بالجرامات،

 

بوضع علامة عشرية يتبعها 27 صفرا ثم رقم 9.

ونظرا لان الشحنات المتضادة تتجاذب،

 

فان النواة الموجبة الشحنة تعمل بقوة جذب على الالكترونات السالبة الشحنه،

 

مما يودى الى بقاء هذه الالكترونات داخل الذره.

 

لكن لكل الكترون طاقة تمكنة من مقاومة جذب النواه.

 

و كلما ازدادت طاقة الالكترون ازداد بعدة عن النواه.

 

و هكذا تنتظم الالكترونات في مدارات على مسافات مختلفة من النواة حسب مقدار طاقة كل منها.

 

فتوجد الالكترونات الاقل طاقة في المدارات الداخليه،

 

بينما توجد الالكترونات الاكثر طاقة في المدارات الخارجيه.

ويعطى العلماء لكل مدار الكترونى رقما خاصا به.

 

فالمدار الاقرب الى النواة يسمي بالمدار رقم 1.

 

و ترقم المدارات الاخرى 2 ،

 

 

3 ،

 

 

4 ،

 

 

5 ،

 

 

6 ،

 

 

7 حسب الترتيب التصاعدى لبعدها عن النواه.

 

و يشار الى المدارات في بعض الاحيان بالحروف الهجائيه.

 

و يوجد على كل 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 هذه المدارات الخارجية لا يكتمل بها عدد الالكترونات مطلقا.

خواص الذرات
العدد الذري.

 

و هو يبين لنا عدد البروتونات التي تحتوى عليها الذره.

 

فعلى سبيل المثال،

 

تحتوى كل ذرة هيدروجين على بروتون واحد،

 

و لهذا،

 

فان العدد الذرى للهيدروجين 1.

 

و يتدرج العدد الذرى للعناصر الطبيعية الاخرى تصاعديا حتى يصل الى 92 لليورانيوم،

 

الذى يحتوى على 92 بروتونا في كل ذرة من ذراته.

 

و تتكون كذلك كميات ضئيلة من البلوتونيوم،

 

الذى يبلغ عددة الذرى 94،

 

بصورة طبيعيه.

 

و يمكن ايجاد العناصر التي يزيد عددها الذرى على 92 في المختبر.

يحدد العدد الذرى ترتيب العنصر في الجدول الدوري.

 

و ينظم هذا الجدول العناصر المختلفة في مجموعات تتشابة في خواصها الكيميائيه.

 

للاطلاع على هذا الجدول.

العدد الكتلي.

 

هو حاصل جمع عدد البروتونات و عدد النيوترونات في ذره.

 

و بالرغم من ان كل الذرات في عنصر ما لها نفس عدد البروتونات،

 

الا انها قد تختلف في عدد النيوترونات.

 

و يطلق على الذرات التي لها نفس عدد البروتونات و تختلف في عدد النيوترونات اسم النظائر.

واغلب العناصر الموجودة في الطبيعة لها اكثر من نظير فالهيدروجين،

 

على سبيل المثال،

 

لة ثلاثة نظائر.

 

و تتكون النواة في اكثر نظائر الهيدروجين شيوعا من بروتون واحد فقط.

 

بينما تتكون النواة في النظيرين الاخرين من نيوترون واحد او نيوترونين بالاضافة الى البروتون.

 

و يستخدم 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 كل ذرة على عدد متساو من البروتونات و النيوترونات.

 

بينما تحتوى نوي العناصر الاثقل على 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 في كل ذره.

الوزن الذري.
هو وزن الذرة معبرا عنه بوحدات الكتلة الذريه.

 

و تعادل و حدة الكتلة الذرية التي تسمي احيانا دالتون 1/12 من وزن ذرة الكربون 12.

 

و يكون الوزن الذرى لاغلب الذرات معبرا عنه بالدالتون قريبا جدا من العدد الكتلي.

 

و وحدات الكتلة الذرية بالغة الصغر فهناك 602 بليون ترليون دالتون في كل جرام.

ويعين العلماء الوزن الذرى لعنصر متعدد النظائر بايجاد متوسط الاوزان الذرية لهذه النظائر بنسب و جودها في الطبيعه.

 

فيبلغ الوزن الذرى لغاز الكلور،

 

على سبيل المثال،

 

35,453 دالتون.

 

و هذه القيمة هي متوسط الوزن الذرى للنظيرين كلور 35 وزنة الذرى 34,96885 و كلور 37 وزنة الذرى 36,96590 حسب نسبة كل منهما في الطبيعه.

الشحنة الكهربائيه.

 

رغم ان الذرة تكون عادة متعادلة كهربائيا،

 

الا انها قد تفقد او تكتسب قليلا من الالكترونات في بعض التفاعلات الكيميائية او عند اصطدامها بالكترون او بذرة اخرى.

 

و ينتج عن هذا 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 هذه التاين.

السلوك الكيميائي.
يتحدد السلوك الكيميائى لذرة ما الى حد بعيد بعدد الالكترونات الموجودة في مدارها الخارجي.

 

و عندما تتجمع الذرات لتكون جزيئات،

 

فان الالكترونات في المدارات الخارجية اما ان تنتقل من ذرة الى اخرى او تشارك فيها الذرات المختلفه.

 

و يعبر عن عدد الالكترونات الداخلة في هذه العملية بالتكافو.

 

و لذرات بعض العناصر اكثر من تكافو.

 

و يعتمد ذلك على عدد و نوع الذرات التي سيتم التفاعل معها.

ويكون تكافو الذرة موجبا اذا كانت تميل لفقد الكترونات لذرات اخرى.

 

بينما يكون التكافو سالبا اذا ما لت الذرة الى اكتساب الكترونات من ذرات اخرى.

 

فالصوديوم،

 

على سبيل المثال،

 

يميل لفقد الكترون واحد و هكذا يصبح تكافوة 1.

 

اما الكلور،

 

فيميل لاكتساب الكترون واحد و بهذا يصبح تكافوة – 1.

ويتكون جزيء ملح المائدة العادي من ذرة صوديوم واحدة مرتبطة بذرة كلور واحده.

 

و تعطى ذرة الصوديوم الالكترون الذى تكتسبة ذرة الكلور.

النشاط الاشعاعي.
تستطيع النواة في بعض الذرات ان تتغير بصورة طبيعيه.

 

و تسمي مثل هذه الذرات نشطة اشعاعيا.

 

و قد يكون التغير في النواة قاصرا فقط على تغير في ترتيب البروتونات و النيوترونات.

 

و في حالات اخرى،

 

يتغير العدد الفعلى للبروتونات و النيوترونات.

 

و عندما تتغير نواة فانها تعطى اشعاعا.

 

و يتكون هذا الاشعاع من جسيمات الفا او جسيمات بيتا او اشعة جاما.

 

و ذرات اليورانيوم و الراديوم و كل العناصر الاخرى الاثقل من البزموت نشطة اشعاعيا.

 

كذلك،

 

لبعض نظائر العناصر الاخف كالكربون نشاط اشعاعي.

 

و بالاضافة الى ذلك،

 

يستطيع علماء الطبيعة تكوين نظائر مشعة لكل العناصر تقريبا في المختبر و ذلك باطلاق بروتونات او نيوترونات او جسيمات تحت ذرية على ذرات هذه العناصر .

 

ويعتمد نوع الاشعاع المنبعث من نواة نشيطة اشعاعيا على طريقة تغير النواه.

 

فتنبعث اشعة جاما عندما يتغير فقط ترتيب البروتونات و النيوترونات في النواه.

 

بينما تنبعث اشعة الفا و بيتا عندما يتغير عدد البروتونات و النيوترونات في النواه،

 

و تصبح الذرة حينئذ ذرة عنصر مغاير.

 

تسمي هذه 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 قد افتتحت الدراسة في هذا الفرع من فروع الفيزياء في عام 1913م عندما استخدم عالم الفيزياء الدنماركى نيلز بور نظرية الكم لشرح حركة الالكترونات داخل الذرات.

 

و قام علماء فيزياء اخرون بتطوير ميكانيكا الكم،

 

و طبقوا مبادئها على 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 كل منها مرتبط بقيمة محددة من الطاقه.

 

تسمي هذه الحركات بالحالات الكمية او مستويات الطاقه.

 

فعندما يكون الكترون في حالة كمية معينه،

 

فانة لا يمتص و لا يعطى طاقه.

 

و لهذا السبب،

 

فان الذرة تستطيع ان تكتسب او تفقد طاقة فقط عندما يغير واحد 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 يمكن ان تشغل الا بالكترون واحد فقط.

 

فعندما تمتلئ الحالات الكمية الاكثر انخفاضا،

 

فان باقى الالكترونات تجبر على الانتقال لتشغل حالات كمية اعلى.

 

فاذا كانت كل الالكترونات في اقل الحالات انخفاضا فيقال حينئذ: ان الذرة في الحالة الارضيه.

 

و هذه الحالة طبيعية للذرات عند درجة الحرارة العاديه.

اذا سخنت المادة الى درجات حرارة اعلى من بضع مئات من الدرجات،

 

تتوفر طاقة كافية لرفع الكترون او اكثر الى مستوي طاقة اعلى.

 

و تصبح الذرة حينئذ في حالة اثاره.

 

و مع ذلك،

 

فنادرا ما تبقي هذه الذرة في حالة الاثارة لاكثر من جزء من الثانيه.

 

يسقط الالكترون المثار فورا الى حالة اكثر انخفاضا و يستمر في السقوط حتى تعود الذرة الى الحالة الارضيه.

 

و عند كل سقوط،

 

يعطى الالكترون قدرا محددا من الطاقة الاشعاعية المركزة يسمي بالفوتون.

 

و تساوى طاقة الفوتون الفرق بين مستويين للطاقه.

 

و يمكن كشف الفوتونات التي تعطيها الالكترونات كضوء مرئى و كصور اخرى للاشعاع الكهرومغنطيسي.

وقد شبة بور،

 

فى بادئ الامر،

 

الحالات الكمية للالكترونات بمدارات الكواكب حول الشمس.

 

لكن علماء الطبيعة اليوم يعلمون ان هذا التشبية غير صحيح؛

 

لان الالكترون ليس مجرد جسم بسيط.

 

فللالكترون ايضا بعض خواص الموجات.

 

و انه حقا لمن الصعب ان نتخيل كيف يكون شيء ما جسيما و موجة في الوقت نفسه.

 

و تمثل هذه الصعوبة احدي المشاكل التي و اجهت العلماء و هم يحاولون وصف الذرة لغير العلماء.

 

فللقيام بذلك،

 

ينبغى ان يستخدم العلماء افكارا ما لوفة مبنية على معرفتنا بالعالم الذى نلاحظه.

 

لكن الظروف داخل الذرة الدقيقة تختلف كثيرا جدا عن الظروف التي نقابلها في عالم كل يوم.

 

و لهذا السبب،

 

يستطيع علماء الفيزياء وصف حركات الالكترونات تماما و بدقة فقط باستخدام الرياضيات.

القوي داخل النواه.
تنطبق القواعد الكمية التي تحكم حركة الالكترونات ايضا على حركة البروتونات و النيوترونات داخل النواه.

 

لكن القوة التي تحافظ على جسيمات النواة معا تختلف كثيرا عن قوة الجذب التي تمسك بالالكترونات داخل الذره.فكل جسيم نووى ينجذب الى اقرب جار له بما يسمي بالقوة النووية او ما يسمي في بعض الاحيان بالتفاعل القوي.

 

و من المعروف ان الشحنات المتماثلة تتنافر،

 

لكن القوي النووية العظيمة تتغلب على التنافر المتبادل بين البروتونات موجبة الشحنه،

 

و هكذا تحافظ على النواة من التفكك.

 

و تتلاشي هذه 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 الى وصف رياضى دقيق لها.

 

و هناك نظرية تعرف بالنموذج المدارى النووى تعطى تقديرات سليمة لمستويات الطاقة في النواه.

ويستطيع بروتون واحد و نيوترون واحد ان يشغلا كل حالة كمية في النواه.

 

و لهذا السبب فان النواة الحقيقية يكون بها عدد متساو تقريبا من البروتونات و النيوترونات.

 

لكن البروتون و النيوترون الموجودان في نفس الحالة الكمية لا تتساوي كمية الطاقة الخاصة بكل منهما بالضروره.

 

و يطرد كل بروتون كهربائيا بوساطة باقى البروتونات في النواة مما يزيد من طاقته.

ويكون الاختلاف في مستويات الطاقة بين البروتونات محسوسا في النواة متعددة البروتونات،

 

كما تتوافر بها حالات طاقة منخفضة للنيوترونات اكثر مما تتوافر فيها للبروتونات.

 

و تفسر هذه الحقيقة لماذا تحتوى النواة الثقيلة على عدد من النيوترونات يفوق عدد البروتونات.

تطور النموذج الذري

معلومات عن تطور النموذج الذري

اعمل نموذجا حاسوبيا تقارن فيه بين النماذج الذرية المختلفه

تطور نموذج الذرة

تغير في الذرة

صور لبعض العناصر بها العدد الذرى و الكتلى

وزن الذرة

وصف النموذج الذري اليوم

961 views

تطور النموذج الذري