نماذج الذرات ورموزها
نماذج الذرات ورموزها
كانت هناك مجموعة متنوعة من النماذج الذرية عبر تاريخ الفيزياء الذرية، والتي تشير بشكل أساسي إلى فترة من بداية القرن التاسع عشر إلى النصف الأول من القرن العشرين، عندما تم استخدام نموذج نهائي للذرة في الوقت الحاضر، ولذلك سنقدم لكم في هذه الفقرة خمسة نماذج ذرية أساسية، ساهم كل منها بطريقة ما في كيفية إدراكنا لبنية الذرة نفسها؛ وتتمثل هذه النماذج في التالي:
نموذج دالتون
كان مخترع الذرة جون دالتون عالمًا إنجليزيًا، توصل إلى نموذج دالتون للذرة فكرة أن كل المادة تتكون من كرات صلبة صغيرة جدًا، وكانت أول محاولة كاملة لوصف كل المادة من حيث الجسيمات، وأطلق على هذه الجسيمات لفظ “ذرات” وأكتشف النظرية الذرية، في هذه النظرية يدعي أن:
- كل المواد مصنوعة من الذرات.
- الذرات غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتدمير.
- جميع ذرات عنصر معين متطابقة في الكتلة والخصائص.
- تتكون المركبات من مزيج من نوعين مختلفين أو أكثر من الذرات.
- التفاعل الكيميائي هو إعادة ترتيب الذرات.
ولكن كان لابد من تعديل أجزاء من نظريته بناءً على اكتشاف الجسيمات دون الذرية، ولذلك تم اكتشاف نماذج أخرى بعد نموذج دالتون.
نموذج طومسون
تم اقتراح النموذج الذري لطومسون بواسطة العالم ويليام طومسون في عام 1900، موضحًا هذا النموذج ووصفًا نظريًا للتركيب الداخلي للذرة، اكتشف طومسون جسيمًا سالب الشحنة يسمى “إلكترون” أثناء تجربة أنبوب أشعة الكاثود في عام 1897، وأنبوب أشعة الكاثود عبارة عن أنبوب مفرغ، كما افترض طومسون أن وزن الإلكترون الذي اكتشفه أخف بمقدار 2000 مرة من وزن البروتون، كما افترض أن الذرة تتكون من أكثر من آلاف الإلكترونات، وفي هذا النموذج الذري، اعتبر طومسون أن الذرات محاطة بسحابة لها شحنة موجبة وسحابة لها شحنة سالبة.
نموذج رذرفورد
كان رذرفورد أول من اقترح أن نموذج طومسون كان غير صحيح، ولذلك قدم نموذجه الجديد “نموذج رذرفورد”، والذي ينص على:
- النواة تحتوي على شحنة مركزية عالية نسبيًا مركزة في حجم صغير جدًا.
- ويحتوي هذا الحجم الصغير أيضًا على الجزء الأكبر من الكتلة الذرية للذرة.
- النواة محاطة بإلكترونات سالبة الشحنة وأخف وزنًا.
- ويُعرف نموذجه أحيانًا ب”النموذج الكوكبي للذرة”.
ولكن للنموذج بعض العيوب؛ على سبيل المثال، لم يستطع رذرفورد تفسير سبب إصدار الذرات للضوء عند ترددات معينة فقط، ولكن تم حل هذه المشكلة لاحقًا بواسطة العالم الفيزيائي بور وأصدر نموذجه الخاص.
نموذج بور
يصف نموذج بور الذرة بأنها نواة موجبة الشحنة محاطة بالإلكترونات السالبة، وتنتقل الإلكترونات في مدارات دائرية، ويتم توفير الجذب بواسطة القوى الكهروستاتيكية، وعادة ما يسمى مستوى الطاقة المشغولة للإلكترون بالحالة الأرضية، كما يمكن أن ينتقل الإلكترون إلى المستوى الأقل استقرارًا عن طريق امتصاص الطاقة، وهذا المستوى الأعلى من الطاقة يسمى الحالة المثارة، ويمكن للإلكترون العودة إلى مستواه الأصلي عن طريق إطلاق الطاقة، وعندما يقفز الإلكترون بين المدارات، يكون مصحوبًا بكمية منبعثة أو ممتصة من الطاقة (hv).[1]
نموذج شرودنجر (النموذج الميكانيكي الكمي للذرة)
تعتمد على معادلة شرودنجر الموجية وحلها، ويأتي حل معادلة الموجة بفكرة الأصداف والأغلفة الفرعية والمدارات؛ حيث يتناسب احتمال العثور على إلكترون عند نقطة داخل الذرة مع |ψ|2 عند تلك النقطة، حيث تمثل الدالة الموجية لذلك الإلكترون، وقد أدى تطبيق معادلة شرودنجر الموجية في تحديد بنية الذرة إلى تكوين النموذج الميكانيكي الكمي للذرة.
كما أن تطبيق معادلة شرودنجر على ذرات متعددة الإلكترونات يمثل بعض الصعوبة: لا يمكن حل معادلة شرودنجر الموجية بالضبط لذرة متعددة الإلكترونات.
نموذج السحابة الإلكترونية
يتم تدريس نموذج ميكانيكا الكم للذرة في الوقت الحاضر باعتباره النموذج الذري الأكثر “واقعية” الذي يصف الآليات الذرية وكيف يفترض أنها تعمل، ونص النموذج على أنه يمكن رؤية جميع الجسيمات على شكل موجات ذات طول موجي، كما تم اقتراح النموذج الذري الذي يتعامل مع الإلكترونات على أنها موجات، ويوجد أكثر من مستوى طاقة للإلكترون في الذرة، حيث يتم تخصيص مدارات ذرية معينة للإلكترونات والتي يمكن أن تختلف عن بعضها البعض في الطاقة.
تعريف الذرة
ردًا على سؤال كيف تختلف الذرات؛ تتكون كل مادة من أجسام صغيرة تسمى “الذرات”، والتي ترتبط ببعضها البعض لتشكيل جزيئات المادة، والتي تتضمن نوعًا واحدًا من الذرات، حيث تكوّن ذرات العنصر الواحد الجزيئات والمركبات وبالتالي المادة ككل، كما أن الذرة هي أصغر جسيم في العنصر وتحتفظ بجميع خواصها الكيميائية والفيزيائية.
وتعتبر النواة متعادلة الشحنة؛ حيث أنها تتكون الذرات من نواة موجبة الشحنة تتكون من بروتونات ونيوترونات محاطة بالإلكترونات سالبة الشحنة، والنواة صغيرة وكثيفة إذا ما قورنت بالإلكترونات الأخف وزنًا، والإلكترونات متصلة بالنواة من خلال القوى الكهربية والاستاتيكية.
الذرات هي أيضًا أساس للكيمياء، وهي أصغر مكونات المادة التي يمكن أن تظهر خواصًا كيميائية؛ حيث أن كل عنصر في الجدول الدوري له هيكله الذري الفريد والمختلف عن العناصر الأخرى، وكل عنصر له خصائصه الفيزيائية الفريدة اعتمادًا على كتلته الذرية، وقد مرت الذرات بمراحل عديدة من البحث حتى وصل العلماء إلى ما نعرفه اليوم.
مكونات الذرة
تتكون الذرات من عدد كبير من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، ويختلف هذا العدد حسب العنصر نفسه، وكل واحدة من هذه الجسيمات الفرعية الذرية منفصلة لها خصائصها الفريدة، وتتلخص مكونات الذرة في التالي:
- النواة
وهي أثقل جزء في الذرة؛ حيث تحتوي على معظم الكتلة الذرية وتتكون من البروتونات والنيوترونات، والتي تسمى سويًا باسم “النيوكليونات”، وتدور الإلكترونات الخفيفة حول تلك النواة، كما يحدد عدد البروتونات والنيوترونات التي تشكل نواة الذرة عدد كتلة الذرة، والذي يسمى إليه باسم “عدد النوكليون”.
- البروتونات
والبروتونات هي عبارة عن جسيمات ذات شحنة موجبة توجد داخل نواة الذرة؛ حيث تشكل البروتونات والنيوترونات الغالبية الكبرى من كتلة الذرة، ويدل العدد الإجمالي للبروتونات في الذرة الواحدة “العدد الذري” الثابت للذرة، على سبيل المثال: الكربون 12، يزن البروتون الواحد 1.0073، وهو مقياس للكتلة النسبية للذرات.
- النيوترونات
وهي عبارة عن جسيمات تحمل شحنة متعادلة تشترك مع البروتونات في نواة الذرة، وتتشابه النيوترونات في الوزن مع البروتونات بحيث يكون للجسيمين نفس الوزن الإجمالي في المثال السابق للكربون 12، ويمكن أن يختلف عدد النيوترونات إذا كان عدد البروتونات في كل عنصر ثابتًا. لذلك، يمكن أن يختلف العدد الكتلي لعنصر ما من ذرة إلى ذرة.
- الإلكترونات
وهي جسيمات ذات شحنة سالبة تدور حول النواة في مدارات ثابته –حسب النموذج-، وهذه الجسيمات تزن وزنًا أخف من البروتونات والنيوترونات، وكتلتها النسبية تصل إلى 1/1836 من كتلة البروتون، وتدور الإلكترونات حول النواة في سلسلة من مستويات توجد حول النواة تسمى عادةً “مستويات الطاقة”، يمكن أن يحتوي كل مستوى من مستويات الطاقة هذه على عدد محدد من الإلكترونات؛ حيث يكون الأول هو الأقرب للنواة والمستويات التي تليه أبعد وأبعد، ويتحدد عدد المستويات الإجمالي حسب العدد الإجمالي للإلكترونات في الذرة، وذلك حسب كل عنصر على حدى.
رد مع اقتباس