يفتتح برنامج الفيزياء في السنة الرابعة متوسط بميدان الظواهر الكهربائية، وأول ما فيه تفسير الكهرباء الساكنة على ضوء بنية المادة. ومن يفهم النموذج المبسط للذرة يفهم ما بعده بسهولة: التكهرب، والشوارد، ثم ميدان المادة وتحولاتها كله، وسيحتاج إليه أيضًا في السنة الأولى ثانوي. تعرض هذه الصفحة تذكيرًا بحالات المادة، ثم بنية الذرة، ثم تعادلها، ثم الشحنة الأولية، ثم تفسير التكهرب، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين محلولة.
تذكير: المادة في الطبيعة
توجد المادة في الطبيعة على ثلاث حالات فيزيائية: الصلبة والسائلة والغازية. وتتكون كلها، على اختلاف حالاتها، من جسيمات صغيرة جدًا هي الذرات التي تتجمع في جزيئات أو شوارد. والذرة أصغر مكونات المادة التي تحتفظ بخصائص العنصر.
النموذج المبسط (الكوكبي) للذرة
في هذا النموذج تتكون الذرة من:
- نواة في المركز، وهي موجبة الشحنة، تتكون من بروتونات موجبة ونيوترونات عديمة الشحنة. وهي صغيرة جدًا بالنسبة إلى حجم الذرة وتتركز فيها كتلة الذرة تقريبًا كلها.
- إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول النواة، كما تدور الكواكب حول الشمس، ولذلك سمي النموذج «كوكبيًا».
ويسمى عدد البروتونات في النواة العدد الذري Z، وهو يحدد نوع العنصر: Z = 1 للهيدروجين و Z = 6 للكربون و Z = 8 للأكسجين و Z = 11 للصوديوم.
وأبعاد الذرة نحو 10⁻¹⁰ m، وأبعاد النواة نحو 10⁻¹⁵ m، أي أن النواة أصغر من الذرة بنحو مئة ألف مرة، فالذرة في معظمها فراغ تتحرك فيه الإلكترونات.
الذرة متعادلة كهربائيًا
عدد الشحنات الموجبة (البروتونات) في الذرة يساوي عدد الشحنات السالبة (الإلكترونات)، فالمجموع الجبري لشحناتها معدوم. أي أن:
عدد الإلكترونات = عدد البروتونات = Z
فذرة الكربون فيها 6 بروتونات و 6 إلكترونات، وذرة الأكسجين فيها 8 و 8، وذرة الصوديوم فيها 11 و 11.
الشحنة الكهربائية
الشحنة الكهربائية مقدار فيزيائي يرمز له بـ q أو Q ويقاس بالكولوم. وأصغر شحنة توجد حرة في الطبيعة هي الشحنة الأولية e:
e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
شحنة البروتون +e وشحنة الإلكترون −e. وشحنة أي جسم هي دائمًا عدد صحيح من مضاعفات الشحنة الأولية: q = ±n × e.
تفسير التكهرب
التكهرب هو اكتساب جسم لشحنة بعد دلكه (احتكاكه) بجسم آخر. ويفسره النموذج بأنه انتقال إلكترونات من جسم إلى آخر، أما البروتونات فلا تتحرك لأنها مثبتة في النوى:
- الجسم الذي يكتسب إلكترونات تصير شحنته سالبة، كقضيب الإيبونيت الذي يُدلك بالصوف.
- الجسم الذي يفقد إلكترونات تصير شحنته موجبة، كقضيب الزجاج الذي يُدلك بالحرير.
وكل جسم متعادل يحوي عددًا من الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة، فإذا اختل هذا التعادل اكتسب الجسم شحنة.
أمثلة محلولة
مثال 1. ذرة نيتروجين Z = 7. فيها 7 بروتونات و 7 إلكترونات. المجموع الجبري لشحنتها 7e − 7e = 0.
مثال 2. جسم اكتسب 10¹² إلكترونًا. شحنته q = −10¹² × 1.6 × 10⁻¹⁹ = −1.6 × 10⁻⁷ C.
مثال 3. قضيب زجاج فقد 5 × 10¹⁰ إلكترونًا عند دلكه. شحنته q = +5 × 10¹⁰ × 1.6 × 10⁻¹⁹ = +8 × 10⁻⁹ C.
أخطاء شائعة
- القول إن النواة سالبة الشحنة. النواة موجبة لأن فيها البروتونات.
- القول إن عدد الإلكترونات يخالف عدد البروتونات في الذرة المتعادلة. هما متساويان.
- تفسير التكهرب بانتقال البروتونات. الذي ينتقل هو الإلكترونات.
- الخلط بين العدد الذري (عدد البروتونات) وعدد الإلكترونات في الجسم المشحون، فهما متساويان في الذرة المتعادلة فقط.
- نسيان إشارة الشحنة في الحساب، أو الخطأ في أسس العشرة.
- الخلط بين الجسم الذي يكتسب إلكترونات (سالب) والذي يفقدها (موجب).
تمارين للتدرب
- كم بروتونًا وكم إلكترونًا في ذرة الأكسجين
Z = 8؟ - جسم فقد
2 × 10¹¹إلكترون. احسب شحنته. - لماذا تكون الذرة متعادلة كهربائيًا؟
- دلكنا قضيب إيبونيت بالصوف فصار سالب الشحنة. ماذا حدث للإلكترونات؟
- بكم مرة تقريبًا تصغر النواة عن الذرة؟
الحلول:
- 8 بروتونات و 8 إلكترونات.
q = +2 × 10¹¹ × 1.6 × 10⁻¹⁹ = +3.2 × 10⁻⁸ C.- لأن عدد شحناتها الموجبة (البروتونات) يساوي عدد شحناتها السالبة (الإلكترونات).
- انتقلت إلكترونات من الصوف إلى الإيبونيت، فاكتسبها وصار سالبًا وفقدها الصوف وصار موجبًا.
10⁻¹⁰ / 10⁻¹⁵ = 10⁵، أي نحو مئة ألف مرة.
الشرح المصوّر وملفات التمارين
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يشرح الأستاذ حمياني في فيديو «الدرس الأول في الفيزياء للرابعة متوسط: النموذج المبسط للذرة والشحنة الكهربائية» الدرس في نحو ثلاثين دقيقة، مبتدئًا بتذكير بحالات المادة من السنة الأولى متوسط، وينبّه إلى أن النموذج المبسط للذرة ضروري لفهم بقية الدروس والمادة وتحولاتها والسنة الأولى ثانوي.
وللتدرب على تمارين حقيقية، اطلع على هذه الملفات في الموقع: