تعريف الذرة

3-2 تعريف الذرة

Defining the Atom

الفكرة الرئيسة

تتكون الذرة من نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات، والإلكترونات تتحرك حول النواة.

الأهداف

• تعرف الذرة.
• تميز بين الجسيمات المكونة للذرة من حيث الشحنة والكتلة.
• تصف تركيب الذرة متضمنًا مواقع الجسيمات المكونة للذرة.

مراجعة المفردات

النموذج: تفسير بصري أو شفوي أو رياضي للبيانات التي جُمعت من تجارب عديدة.

المفردات الجديدة

• الذرة
• أشعة المهبط
• الإلكترون
• النواة
• البروتون
• النيوترون

الربط مع الحياة

إذا قضمت حبة خوخ فتدرك أن أسنانك تقطع لب الثمرة بسهولة، لكنها لا تستطيع المرور في النواة الصلبة. وبشكل مشابه تجد أن بعض الجسيمات يمكنها أن تمر عبر الأجزاء الخارجية للذرة، ولكنها تنحرف عن مركزها، النواة.

الذرة

The Atom

الكثير من التجارب منذ أيام دالتون أثبتت وجود الذرات. لكن ما الذرة؟ للإجابة عن هذا السؤال، تخيل أنك قررت أن تجزئ قطعة من النحاس لتتحول إلى كومة من خراطة النحاس. إن كل قطعة من خراطة النحاس ستبقى محتفظة بجميع خواص النحاس. وإذا أمكن، في وجود أدوات خاصة، أن تستمر في تجزئة فتات النحاس إلى جسيمات أصغر، فإنك ستحصل في النهاية على جسيمات لا يمكن تجزئتها أكثر بالطرائق العادية، وستظل هذه الجسيمات الصغيرة محتفظة بخواص النحاس. ويسمى أصغر جزء يحتفظ بخواص العنصر: الذرة.

يقدر عدد الذرات في قطعة صلبة من العملة النحاسية بحوالي 2.9 × 10²² ذرة، وهو ما يقدر بخمسة تريليونات مرة أكبر من عدد سكان العالم في عام 2006. ويبلغ قطر ذرة النحاس الواحدة من 10⁻¹⁰ m إلى 10⁻¹² m. فإذا وضع 6.5 × 10⁹ ذرة من النحاس جنبًا إلى جنب في صف يتكون خط من ذرات النحاس طوله أقل من متر واحد. ويوضح الشكل 3-4 طريقة أخرى لتصور حجم الذرة. ويمكنك تصور صغر الذرة عندما تتخيل أنك كبرت الذرة بحيث تصبح في مثل حجم البرتقالة، فإذا صنعت ذلك فكأنك جعلت البرتقالة في مثل حجم الكرة الأرضية، مع المحافظة على نسبة التكبير نفسها.

الشكل 3-4

تخيل أنك تستطيع زيادة حجم الذرة ليكون مثل حجم البرتقالة. بنفس مقدار هذا التكبير تكون كأنك كبرت حجم البرتقالة إلى حجم الكرة الأرضية.

---

#

الربط مع علم الأحياء: انظر إلى الذرات

قد تظن أنه لا توجد طريقة لرؤية الذرات؛ لأنها صغيرة جدًا. إلا أن هناك جهازًا خاصًا يسمى المجهر الأنبوبي الماسح Scanning Tunnelling Microscope (STM) يسمح لنا برؤيتها. فكما تحتاج إلى المجهر لدراسة الخلايا في الأحياء، فإن جهاز STM يسمح لك بدراسة الذرات. والشكل 3-5 يوضح كيف تبدو الذرات عند رؤيتها بجهاز STM. والعلماء حاليًا قادرون على جعل ذرات منفردة تتحرك لتكون أشكالًا وأنماطًا، وآلات بسيطة أيضًا، وهو ما يعرف بتقنية النانو، والتي تعد صناعة على المستوى الجزيئي، وبناء آلات بحجم صغير جدًا، حجم الجزيء. وسوف تعرف لاحقًا أن الجزيئات مجموعة من الذرات مرتبطة معًا، وتعمل كوحدة واحدة.

الشكل 3-5

هذه الصورة أخذت بجهاز STM، وهي تبين ذرات منفردة في حمض دهني على سطح من الجرافيت. وقد تم إضافة بعض الألوان للصورة لتوضيح صورة الذرات.

الإلكترون

The Electron

كيف تبدو الذرة؟ هل تركيب الذرة متجانس، أم أنها مكونة من جسيمات أصغر؟ رغم أن كثيرًا من العلماء درسوا الذرات في القرن التاسع عشر إلا أن بعض هذه الأسئلة لم يُجب عنها حتى عام 1900م.

أنبوب أشعة المهبط، الكاثود

عندما حاول العلماء تعرف مكونات الذرة بدأوا يربطون بين كتلة المادة والشحنات الكهربائية. ولاستكشاف هذه العلاقة تساءل بعضهم: كيف تسلك الكهرباء في غياب المادة؟ فقاموا - بمساعدة مفرغات الهواء - بتمرير الكهرباء في أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء. تسمى مثل هذه الأنابيب أنابيب أشعة المهبط. ويبين الشكل 3-6 أنبوب أشعة المهبط الذي استعمله باحثون لدراسة العلاقة بين الكتلة والشحنة. لاحظ أن هناك أقطابًا معدنية موجودة على طرفي الأنبوب. ويسمى القطب الموصول بالطرف السالب للبطارية المهبط، الكاثود، في حين يسمى القطب الموصول بالطرف الموجب المصعد، الأنود.

الشكل 3-6

أنبوب أشعة المهبط له قطبان، هما المهبط والمصعد. عندما تمرر تيارًا كهربائيًا تحت تأثير قوة كهربائية - فرق جهد - مناسبة، تنتقل الكهرباء من المهبط إلى المصعد.

---

#

الشكل 3-7

عند القيام بعمل ثقب صغير في مركز المصعد ينتج شعاع رفيع من الإلكترونات يمكن الكشف عنه بطلاء الطرف الآخر للأنبوب بالفوسفور الذي يتوهج عندما تصطدم الإلكترونات به.

a. لأن أشعة المهبط تنحرف عند مرورها في المجال المغناطيسي فإن جسيماتها لا بد أن تكون مشحونة.

b. لأن أشعة المهبط تنحرف نحو الصفيحة الموجبة الشحنة في المجال الكهربائي فإن جسيماتها لا بد أن تكون مشحونة بشحنة سالبة.

عندما كان العالم الفيزيائي السير ويليام كروكس يعمل في مختبر معتم لاحظ ومضات ضوئية في أحد أنابيب أشعة المهبط، وكانت عبارة عن بريق أخضر نتج عندما اصطدمت بعض الأشعة بكبريتات الخارصين التي تغلف إحدى نهايتي الأنبوب. وبمزيد من البحث تبين أن هناك أشعة تمر في الأنبوب. وقد سمي هذا الشعاع الذي خرج من المهبط إلى المصعد أشعة المهبط، وقد أدى اكتشافها إلى اختراع التلفاز.

تابع العلماء أبحاثهم مستعملين أنابيب أشعة المهبط. ومع نهاية القرن التاسع عشر أصبحوا مقتنعين بما يأتي:

• أشعة المهبط عبارة عن سيل من الجسيمات المشحونة.
• تحمل الجسيمات شحنات سالبة، والقيمة الحقيقية للشحنة السالبة لم تكن معروفة.

ولأن تغير المعدن المكون للأقطاب أو تغير الغاز في الأنبوب لا يؤثر في أشعة المهبط الناتجة، فقد استنتج العلماء أن الجسيمات السالبة الشحنة لأشعة المهبط موجودة في جميع أشكال المادة، وقد عرفت بالإلكترونات، ويرمز لها بالرمز e⁻. ويبين الشكل 3-7 بعض التجارب التي استعملت لتحديد خواص أشعة المهبط.

الكيمياء في واقع الحياة: أشعة المهبط

التلفزيون: تم اختراع التلفاز عام 1920م. تتكون الصور التلفازية عمومًا عندما تصطدم أشعة المهبط بمواد كيميائية تغلف الشاشة من الخلف منتجة الضوء.

المطويات

ضمن مطويتك معلومات من هذا القسم.

ماذا قرأت؟

اشرح كيف تم اكتشاف أشعة المهبط؟

كتلة الإلكترون وشحنته

رغم النجاح الذي تحقق من تجارب أشعة المهبط، إلا أن أحدًا لم يستطع تحديد كتلة جسيم واحد من جسيمات أشعة المهبط. لذا فقد بدأ العالم طومسون (1856-1940م) سلسلة من التجارب على أشعة المهبط في جامعة كمبردج في أواخر القرن التاسع عشر؛ لتحديد نسبة شحنتها إلى كتلتها.

نسبة الشحنة إلى الكتلة: استطاع طومسون Thomson تحديد نسبة شحنة جسيمات أشعة المهبط إلى كتلتها، عندما قاس تأثير كل من المجال المغناطيسي والكهربائي في هذه الأشعة، ثم قارن هذه النسبة بنسب أخرى معروفة.

---

استنتج طومسون أن كتلة الجسم المشحون أقل كثيرًا من كتلة ذرة الهيدروجين، وهي أصغر ذرة معروفة. وهذا الاستنتاج كان مفاجئًا؛ لأنه يعني أن هذه الجسيمات أصغر من الذرة، لذا فإن جون دالتون كان مخطئًا؛ إذ يمكن تجزئة الذرات إلى جسيمات أصغر. ورغم أن نظرية دالتون الذرية كانت مقبولة بشكل واسع إلا أن استنتاجات طومسون كانت حاسمة، وإن وجد كثير من العلماء صعوبة في قبولها. لكن طومسون كان على صواب؛ فقد استطاع اكتشاف أول جسيم من الجسيمات المكونة للذرة، وهو الإلكترون. وقد حصل طومسون على جائزة نوبل عام 1906م عن هذا الاكتشاف.

ماذا قرأت؟

لخص كيف اكتشف طومسون الإلكترون؟

تجربة قطرة الزيت وشحنة الإلكترون

إن التطور المهم التالي جاء عام 1910م، عندما قام العالم الفيزيائي روبرت ميليكان Robert Milliken بتحديد شحنة الإلكترون مستعملًا جهاز قطرة الزيت المبين في الشكل 3-8. في هذا الجهاز تم رش الزيت باستعمال بخاخ فوق صفيحتين متوازيتين ومشحونتين، تحتوي الصفيحة العليا على ثقب صغير يستطيع الزيت المرور من خلاله. وتصطدم أشعة X بالإلكترونات الموجودة في الجسيمات بين الصفيحتين، وعندها تلتصق الإلكترونات بقطرات الزيت، وتشحنها بشحنة سالبة. وبتغيير شدة المجال الكهربائي استطاع ميليكان ضبط سرعة سقوط قطرات الزيت، وحدد أن قيمة الشحنة الموجودة على كل قطرة ازدادت بكميات محددة، ووجد أن أبسط مقام مشترك يعادل 1.602 × 10⁻¹⁹ كولوم، وعرف هذا الرقم بشحنة الإلكترون؛ حيث يعادل شحنة إلكترون واحد.

وهكذا فإن الإلكترون الواحد يحمل شحنة مقدارها -1. لقد كانت تجربة ميليكان محكمة جدًا، لدرجة أن الشحنة التي قاسها منذ مئة عام لا تختلف أكثر من 1% تقريبًا عن القيمة المقبولة حاليًا.

كتلة الإلكترون: من خلال معرفة ميليكان بشحنة الإلكترون واستعماله نسبة الشحنة إلى الكتلة المعروفة مسبقًا، تمكن من حساب كتلة الإلكترون:

كتلة الإلكترون = 9.1 × 10⁻²⁸ g = 1 / 1840 من كتلة ذرة الهيدروجين.

الشكل 3-8

تعتمد حركة قطرات الزيت داخل جهاز ميليكان على شحنة القطرات، وعلى المجال الكهربائي. استعمل ميليكان التلسكوب لمراقبة القطرات، واستطاع التحكم في سرعة سقوطها من خلال تغيير شدة المجال الكهربائي. ومن خلال ملاحظاته تمكن من حساب مقدار الشحنة على كل قطرة.

---

#

الشكل 3-9

نموذج طومسون يبين أن الذرة متعادلة، كرة موجبة الشحنة تحتوي على الإلكترونات.

نموذج طومسون

لقد أثار وجود الإلكترون ومعرفة بعض خواصه بعض الأسئلة المثيرة للاهتمام حول طبيعة الذرات. فمن المعروف أن المادة متعادلة، وليس لها شحنة كهربائية. وأنت لا تصعق عند لمسك الأشياء. فإذا وجدت الإلكترونات في جميع المواد وشحنتها سالبة، فكيف تكون المادة متعادلة؟ وكتلة الإلكترون صغيرة جدًا. فما المسؤول عن كتلة الذرة؟

في محاولة للإجابة عن هذه الأسئلة اقترح طومسون نموذجًا للذرة كما ترى في الشكل 3-9. يتكون هذا النموذج من ذرات كروية الشكل مكونة من شحنات موجبة موزعة بانتظام، مغروس فيها إلكترونات منفردة سالبة الشحنة. لكن هذا النموذج لم يستمر طويلًا. ويلخص الشكل 3-10 التدرج التاريخي لدراسة تركيب الذرة.

ماذا قرأت؟

وضح نموذج طومسون الذري.

الشكل 3-10: تطور النظرية الذرية الحديثة

إن فهمنا الحالي لخواص الذرات والجسيمات المكونة لها وسلوك هذه الذرات والجسيمات يقوم على عمل العلماء من مختلف أنحاء العالم خلال القرنين الماضيين.

• 1897م: باستعمال أنبوب أشعة المهبط اكتشف طومسون الإلكترون، وحدد نسبة كتلة الإلكترون إلى شحنته الكهربائية.
• 1911م: من خلال تجربة صفيحة الذهب تمكن رذرفورد من تحديد خواص النواة، وتشمل الشحنة، والحجم، والكثافة.
• 1913م: نشر نيزبور نظرية عن تركيب الذرة تربط التوزيع الإلكتروني للذرات بخواصها الكيميائية.
• 1932م: قام العلماء بتطوير مسرع الجسيمات لإطلاق بروتونات على أنوية الليثيوم؛ لقسمتها إلى أنوية هيليوم وتحرير الطاقة.
• 1932م: أثبت جيمس شادويك وجود النيوترونات.

---

#

الشكل 3-11

خلال تجربة رذرفورد اصطدم شعاع من جسيمات ألفا بصفيحة رقيقة من الذهب. معظم جسيمات ألفا مرت خلال الصفيحة، بينما انحرف بعضها بزاوية. وارتد عدد قليل جدًا من الجسيمات إلى الخلف.

النواة

The Nucleus

تجربة رذرفورد

في عام 1911م أجرى رذرفورد Rutherford تجربة كما في الشكل 3-11، حيث وجه شعاعًا رفيعًا من جسيمات ألفا الموجبة في اتجاه صفيحة رقيقة من الذهب، ووضع شاشة مغطاة بكبريتيد الخارصين حول صفيحة الذهب، حيث تقوم الشاشة بإظهار الضوء عند اصطدام جسيمات ألفا بها. وبملاحظة أماكن حدوث اللمعان استطاع العلماء أن يقرروا ما إذا كانت ذرات صفيحة الذهب قد حرفت جسيمات ألفا عن مسارها.

وقد لاحظ رذرفورد وزملاؤه من خلال التجربة أن نسبة قليلة من جسيمات ألفا انحرفت بزاوية كبيرة، بينما ارتد عدد قليل جدًا من الجسيمات إلى الخلف في اتجاه مصدر الأشعة.

تابع الشكل 3-10: تطور النظرية الذرية الحديثة

• 1938م: نجح ليز مايتن وأوتوهان، وفريتزشتراسمان في شطر ذرات اليورانيوم في عملية سميت الانشطار النووي.
• 1939-1945م: قام العلماء في الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا بشكل منفصل بعمل مشاريع لتطوير أول سلاح نووي.
• 1954م: تم في سيرن، وهو أكبر مركز أبحاث ذري فيزيائي موجود في سويسرا، دراسة فيزياء الجسيمات.
• 1968م: قدم العلماء أول دليل تجريبي على وجود الجسيمات المكونة للنواة، والتي عرفت بالكواركات.
• 2007م: في مركز أبحاث سيرن تمت دراسة خواص الجسيمات المكونة للذرة والمادة النووية.

---

#

الشكل 3-12

بالاعتماد على نموذج طومسون توقع رذرفورد أن جسيمات ألفا الضوئية ستمر من خلال صفيحة الذهب، وأن جزءًا قليلًا فقط سينحرف قليلًا.

من خلال معرفة رذرفورد بنموذج طومسون للذرة توقع أن مسار جسيمات ألفا السريعة ذات الكتلة الكبيرة سوف تنحرف قليلًا نتيجة اصطدامها بالإلكترونات. لأن الشحنة الموجبة موزعة بانتظام في ذرات الذهب فقد اعتقد أنها لا تحرف مسار أشعة ألفا أيضًا. ويبين الشكل 3-12 نتائج تجربة رذرفورد.

نموذج رذرفورد للذرة

استنتج رذرفورد أن نموذج طومسون لم يكن صحيحًا؛ لأنه لم يستطع أن يفسر نتائج تجربة رقاقة الذهب. واعتمادًا على خواص جسيمات ألفا والإلكترونات، وعلى تكرار الارتدادات استنتج أن الذرة تتكون غالبًا من فراغ تتحرك فيه الإلكترونات. كما استنتج أن معظم الشحنة الموجبة للذرة ومعظم كتلتها تتركز في مكان صغير وكثيف في مركز الذرة، سماه النواة. وترتبط الإلكترونات السالبة الشحنة بالذرة من خلال التجاذب مع النواة الموجبة الشحنة، ويبين الشكل 3-13 نموذج رذرفورد الذري.

ولأن نواة الذرة تحتل حيزًا صغيرًا في الذرة وتحتوي على معظم كتلة الذرة فإن النواة كثيفة جدًا. إن حجم الفراغ الذي تتحرك فيه الإلكترونات كبير جدًا مقارنة بحجم النواة. وإن قطر الذرة يعادل تقريبًا عشرة آلاف مرة قطر النواة.

ماذا قرأت؟

صف نموذج الذرة الذي وضعه رذرفورد.

تعمل قوة التنافر الناتجة بين جسيمات ألفا الموجبة والنواة الموجبة على انحراف جسيمات ألفا. ويبين الشكل 3-13 نتائج تجربة رقاقة الذهب في نموذج رذرفورد الذري. ويوضح هذا النموذج أيضًا أن الذرة متعادلة كهربائيًا؛ فالشحنة الموجبة للنواة تعادل الشحنة السالبة للإلكترونات، لكن هذا النموذج لم يستطع تفسير كتلة الذرة.

الشكل 3-13

في نموذج رذرفورد للذرة تتكون الذرة من نواة كثيفة موجبة الشحنة، محاطة بالإلكترونات السالبة الشحنة. تنحرف جسيمات ألفا التي تمر بعيدًا عن النواة قليلًا. أما جسيمات ألفا التي تمر مباشرة بالقرب من النواة فتنحرف بزوايا كبيرة.

استنتج: ما القوة المسببة لانحراف جسيمات ألفا؟

---

البروتون والنيوترون

في عام 1920م قام رذرفورد بشرح مفهوم النواة، واستنتج أن النواة تحتوي على جسيمات تسمى البروتونات. البروتون ويرمز له بالرمز (p) جسيم ذري يحمل شحنة تساوي شحنة الإلكترون، لكنها موجبة. شحنة البروتون (+1).

وفي عام 1932م بين العالم جيمس شادويك James Chadwick أن النواة تحتوي أيضًا على جسيمات متعادلة سميت النيوترونات. والنيوترون جسيم ذري كتلته قريبة من كتلة البروتون، ولكنه لا يحمل شحنة كهربائية ويرمز له بالرمز (n). وفي عام 1935م حصل شادويك على جائزة نوبل في الفيزياء؛ لإثباته وجود النيوترون.

تجربة عملية

تجربة رذرفورد
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

مختبر تحليل البيانات

تفسير الأشكال التوضيحية العلمية

ما المسافات الظاهرة بين ذرات الكربون في مادة ذات شكل بلوري ثابت؟

لرؤية الذرات منفردة استعمل العلماء المجهر الأنبوبي الماسح (STM) لفحص مادة بلورية تسمى بلورة الجرافيت العالية الترتيب، ويرمز إليها بـ (HOPG). يستعمل جهاز STM لعمل صورة سطحية على المستوى الذري.

الملاحظات والبيانات

تبين الصورة جميع ذرات الكربون في سطح مادة الجرافيت، وتتكون كل حلقة سداسية في الصورة من ثلاث بقع لامعة مفصولة بثلاث بقع معتمة، وهذه البقع اللامعة ناتجة عن تتابع ذرات الكربون في سطح الجرافيت. ويدل المقطع العرضي الموجود أسفل الصورة على الخط المرسوم في الصورة، وهو يعبر عن المسافات بين الذرات بحيث تكون الأبعاد بين الذرات لها مسافة واحدة متكررة دوريًا.

التفكير الناقد

• ماذا تمثل البقع السوداء الموجودة في الشكل؟
• ما عدد ذرات الكربون التي يمر بها الخط المرسوم في الشكل؟

---

#

الجدول 3-3: خواص الجسيمات المكونة للذرة

| الجسيمات المكونة للذرة | الرمز | الموقع | الشحنة الكهربائية النسبية | الكتلة النسبية | الكتلة الحقيقية g |
| ---------------------- | ----- | ------------------------ | ------------------------- | -------------- | ----------------- |
| الإلكترون | e⁻ | في الفراغ المحيط بالنواة | -1 | 1/1840 | 9.11 × 10⁻²⁸ |
| البروتون | p | في النواة | +1 | 1 | 1.673 × 10⁻²⁴ |
| النيوترون | n | في النواة | صفر | 1 | 1.675 × 10⁻²⁴ |

إكمال نموذج الذرة: جميع الذرات مكونة من ثلاثة جسيمات ذرية أساسية، هي: الإلكترون، والبروتون، والنيوترون. والذرة كروية الشكل، تحتوي على نواة صغيرة وكثيفة، مكونة من شحنات موجبة محاطة بإلكترون أو أكثر سالب الشحنة. ومعظم حجم الذرة فراغ يحتوي على إلكترونات سريعة الحركة، وهي تتحرك في الفراغ المحيط بالنواة. ترتبط الإلكترونات مع الذرة من خلال التجاذب مع الشحنات الموجبة في النواة. وتتكون النواة من نيوترونات متعادلة الشحنة، إلا نواة ذرة الهيدروجين التي تحتوي على بروتون واحد فقط، ولا تحتوي على نيوترونات، وبروتونات موجبة الشحنة. وتشكل النواة أكثر من 99.97% من كتلة الذرة، وتشغل حوالي 0.0001 من حجم الذرة. ولأن الذرة متعادلة كهربائيًا فإن عدد البروتونات في النواة يعادل عدد الإلكترونات المحيطة بها. ويبين الشكل 3-14 مكونات الذرة، وخواص جسيماتها الأساسية الملخصة في الجدول 3-3.

ولا تزال مكونات الذرة موضع اهتمام الكثير من علماء العصر الحديث. وفي الواقع حدد العلماء أن للبروتونات والنيوترونات تركيبًا خاصًا بها، وأنها مكونة من جسيمات تسمى كواركات. ويفسر السلوك الكيميائي من خلال إلكترونات الذرة كما ستدرس لاحقًا.

الشكل 3-14

تتكون الذرات من نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات محاطة بسحابة من الإلكترونات.

التقويم 3-2

الخلاصة

• الذرة هي أصغر جزء في العنصر له خواص العنصر.
• شحنة الإلكترون (-1)، والبروتون (+1)، أما النيوترون فليس له شحنة.
• معظم حجم الذرة فراغ يحيط بالنواة.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسة: صف تركيب الذرة، وحدد موقع كل جسيم فيها.

• قارن بين نموذج طومسون ونموذج رذرفورد.

• قوِّم التجارب التي أدت إلى استنتاج أن الإلكترونات السالبة الشحنة موجودة في جميع المواد.

• قارن الشحنة والكتلة النسبية لكل من الجسيمات المكونة للذرة.

• احسب الفرق بالـ kg بين كتلة البروتون وكتلة الإلكترون.