كيف عرف الإنسان تركيب الذرة وهو لا يراها؟ وما الذي تتكون منه الذرة بالتحديد؟ هذه أسئلة الوحدة الأولى من السنة الأولى ثانوي: بنية وهندسة الأنواع الكيميائية. وقبل أن ندرس كيف ترتبط الذرات لتكوّن الجزيئات والشوارد لا بد من العودة إلى المصدر: الذرة نفسها. تعرض هذه الصفحة تطور فكرة الذرة عبر التاريخ، ثم تركيبها الحالي، ثم الرمز الذي نكتب به النواة، ثم كيف نحسب شحنة النواة وكتلتها وشحنة الذرة، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين محلولة.
تأسيس تاريخي: فكرة الذرة
بدأ السؤال في الحضارة اليونانية: إذا قسمنا ورقة إلى نصفين، ثم قسمنا النصفين، وهكذا، فهل نصل إلى جزء لا يمكن تجزئته أم تستمر القسمة إلى ما لا نهاية؟
- أرسطو رأى أن المادة قابلة للتجزئة إلى ما لا نهاية.
- ديموقريطس رأى أن المادة مكونة من جسيمات صغيرة جدًا لا تتجزأ سماها أتوموس، ومنها جاءت كلمة ذرة (atom) ومعناها الذي لا يُقطع.
وتتابعت النماذج بعد ذلك:
- دالتون (القرن التاسع عشر): الذرة كرة صلبة لا تتجزأ.
- طومسون (1897): اكتشف الإلكترون وتصور الذرة كتلة موجبة تتناثر فيها إلكترونات سالبة.
- رذرفورد (1911): أجرى تجربة قصف صفيحة ذهب رقيقة بجسيمات موجبة.
- بور (1913): حدد مدارات الإلكترونات.
تجربة رذرفورد
قصف رذرفورد صفيحة رقيقة جدًا من الذهب بجسيمات موجبة الشحنة، فلاحظ ما يلي:
- معظم الجسيمات مرت من الصفيحة دون انحراف. التفسير: الذرة مكونة أساسًا من الفراغ.
- بعض الجسيمات انحرفت عن مسارها. التفسير: اصطدمت بجسيم صغير موجب الشحنة يتركز فيه جزء كبير من الكتلة.
واقترح نموذجًا جديدًا: ذرة مكونة أساسًا من فراغ، في وسطها نواة موجبة، وحولها إلكترونات سالبة تدور. وشبّه ذلك بـ المجموعة الشمسية: النواة هي الشمس والإلكترونات هي الكواكب.
نموذج بور (1913)
أضاف بور أن الإلكترونات لا تدور بشكل عشوائي، بل في مدارات (طبقات) محددة، لكل منها طاقة معينة وعدد محدد من الإلكترونات. وعدد هذه المدارات سبعة.
تركيب الذرة اليوم
تتكون الذرة من:
- نواة في المركز: فيها بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات معدومة الشحنة. والنيوترونات تضمن تماسك النواة، لأن البروتونات الموجبة تتنافر فيما بينها.
- سحابة إلكترونية حول النواة: إلكترونات سالبة الشحنة.
والذرة متعادلة كهربائيًا: عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات.
الشحنة العنصرية والكتل
- الشحنة العنصرية
e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C، وبوحدة الكولوم. شحنة البروتون+eوشحنة الإلكترون−e. - كتلة الإلكترون
m_e = 9.1 × 10⁻³¹ kg. - كتلة البروتون وكتلة النيوترون متقاربتان جدًا:
1.67 × 10⁻²⁷ kg.
وبما أن كتلة البروتون أكبر من كتلة الإلكترون بنحو 1800 مرة، فإن كتلة الذرة متمركزة في نواتها، ونهمل كتلة الإلكترونات أمامها.
وهذه الأرقام تعطى عادة في معطيات التمرين، فلا حاجة لحفظها.
الرمز الذي نكتب به النواة
نرمز للنواة بـ X ذات العدد الذري Z والعدد الكتلي A، ونكتب A فوق الرمز على اليسار وZ تحته، كما في الأمثلة التالية.
- العدد الذري
Z: عدد البروتونات، ويسمى أيضًا العدد الشحني. وهو مميز للعنصر: لا يوجد عنصران لهماZنفسه، ومعرفته تدل على نوع الذرة. - العدد الكتلي
A: عدد النويات، أي مجموع البروتونات والنيوترونات:A = Z + N.
مثال: نواة الكربون ¹²₆C: فيها 6 بروتونات و12 − 6 = 6 نيوترونات. ونواة الكلور ³⁵₁₇Cl: فيها 17 بروتونًا و18 نيوترونًا.
كيف نحسب؟
- شحنة النواة:
q = Z × e(موجبة). - كتلة النواة:
m = A × m_pحيثm_pكتلة البروتون، لأن كتلة النيوترون مساوية لها. - شحنة السحابة الإلكترونية:
−Z × e(سالبة)، أي مساوية في القيمة المطلقة لشحنة النواة. - كتلة الذرة: تساوي تقريبًا كتلة النواة، لأن كتلة الإلكترونات مهملة.
مثال: احسب شحنة نواة الكلور ³⁵₁₇Cl. الجواب: q = 17 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 2.72 × 10⁻¹⁸ C. وكتلتها 35 × 1.67 × 10⁻²⁷ = 5.85 × 10⁻²⁶ kg تقريبًا.
أخطاء شائعة
- الخلط بين العدد الذري
Z(البروتونات) والعدد الكتليA(البروتونات والنيوترونات). - القول إن شحنة النواة تتأثر بالنيوترونات، وهي معدومة الشحنة.
- إهمال كتلة النواة وحساب كتلة الذرة بالإلكترونات.
- القول إن الذرة مكونة من مادة صلبة ممتلئة، وهي مكونة أساسًا من فراغ.
- نسيان أن الذرة متعادلة، ولذلك يتساوى عدد البروتونات والإلكترونات.
تمارين للتدرب
- ما عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في ذرة
¹⁶₈O؟ - احسب شحنة نواة
¹²₆C. - احسب كتلة نواة
¹²₆C. - ماذا استنتج رذرفورد من أن معظم الجسيمات مرت دون انحراف؟
- لماذا تعد الذرة متعادلة؟
الحلول:
8بروتونات، و16 − 8 = 8نيوترونات، و8إلكترونات.q = 6 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 9.6 × 10⁻¹⁹ C.m = 12 × 1.67 × 10⁻²⁷ = 2.0 × 10⁻²⁶ kgتقريبًا.- أن الذرة مكونة أساسًا من الفراغ.
- لأن عدد الإلكترونات السالبة يساوي عدد البروتونات الموجبة.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يشرح الأستاذ عبد اللطيف في فيديو «بنية الذرة، أولى ثانوي» هذا الدرس في نحو سبع عشرة دقيقة، مبتدئًا بالتأسيس التاريخي لفكرة الذرة عند اليونانيين وصولًا إلى النموذج الحالي، ثم يلخص المعلومات التي يطلبها التمرين عن النواة والسحابة الإلكترونية والشحنة والكتلة.
وللتوسع، اطلع على هذا الملف في الموقع: