تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: النظائر الفيزياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحسب عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات التي تحتوي عليها ذرة أحد النظائر من خلال الرمز الكيميائي له.

تحتوي نواة الذرة على البروتونات والنيوترونات. وجميع ذرات العنصر الواحد تحتوي على عدد البروتونات نفسه في النواة. ويمثِّل العدد الذري عدد البروتونات.

تعريف: العدد الذري

العدد الذري هو عدد البروتونات في نواة الذرة.

ومن ثم، فإن جميع ذرات الأكسجين تحتوي على ثمانية بروتونات، وجميع ذرات البورون تحتوي على خمسة بروتونات. لكن ليس بالضرورة أن تحتوي كل ذرات العنصر على العدد نفسه من النيوترونات في النواة.

إذا نظرنا إلى جميع ذرات البورون الموجودة في الطبيعة، فسنجد نوعين من ذرات البورون، كما هو موضَّح بالأسفل.

للوهلة الأولى، تبدو الذرتان متماثلتين، لكن الذرة الموجودة على اليمين تحتوي على ستة نيوترونات، بينما الذرة الموجودة على اليسار تحتوي على خمسة نيوترونات. والذرات، التي تحتوي على عدد البروتونات نفسه ولكنَّ بها عددًا مختلفًا من النيوترونات، تسمى نظائر.

تعريف: النظائر

النظائر هي ذرات تحتوي على عدد البروتونات نفسه، ولكن لها عدد نيوترونات مختلفًا.

مثال ١: تعريف النظائر

أكمل العبارة الآتية: النظائر هي ذرات لها نفس عدد البروتونات، لكنها تختلف في عدد .

الحل

الذرات التي لها عدد بروتونات مختلف هي ذرات عناصر مختلفة. والذرات التي لها عدد البروتونات نفسه، ولكن لها عددًا مختلفًا من الإلكترونات تسمى أيونات. أما الذرات التي لها العدد نفسه من البروتونات، ولكن بها عددًا مختلفًا من النيوترونات تسمى النظائر. يجب أن نملأ الفراغ بكلمة «النيوترونات».

بالإضافة إلى وجود عدد مختلف من النيوترونات، سيكون لنظائر العنصر عدد كتلي مختلف.

تعريف: العدد الكتلي

العدد الكتلي هو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة.

يمكننا سريعًا تمييز النظائر من خلال تمثيل كل نظير باستخدام ترميز النيوكليد، حيث العدد الموجود أعلى اليسار هو العدد الكتلي، والعدد الموجود أسفل اليسار هو العدد الذري.

الحرف X هو الرمز الكيميائي، والحرفان 𝐴 و𝑍 هما العدد الكتلي والعدد الذري. والحرف 𝑍 يمثِّل عدد البروتونات في النواة الذرية. أما الحرف 𝐴 فيمثِّل إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات.

مثال ٢: تحديد النظير الأثقل

أيُّ النظائر الآتية أثقل؟

  1.  4018Ar
  2.  4418Ar
  3.  3919K
  4.  4020Ca
  5.  4119K

الحل

ترميز النيوكليد هو طريقة مختصَرة لتوضيح المعلومات المتعلقة بالذرات. يوضِّح الشكل الآتي ترميز النيوكليد لإحدى الذرات. الحرف X هو الرمز الكيميائي، والحرفان 𝐴، و𝑍 هما العدد الكتلي والعدد الذري.

الحرف 𝑍 هو العدد الذري ويوضِّح عدد البروتونات في النواة. أما الحرف 𝐴 هو العدد الكتلي، ويوضِّح إجمالي عدد النيوكليونات في النواة الذرية. الذرات الثقيلة لها عدد كتلي كبير، والذرات الأخف لها عدد كتلي أقل.

تتضمن خيارات السؤال ذرات لها أعداد كتلية وذرية مختلفة. الخيار (ب) هو أثقل الذرات؛ لأن له أكبر عدد كتلي. ونظير الأرجون أثقل من جميع الخيارات الأخرى المذكورة، لأنه يحتوي على 44 نيوكليونًا، في حين يحتوي الآخر على عدد أقل من النيوكليونات. الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

يَستخدم العلماء المعادلة الآتية لتحديد عدد النيوترونات الموجودة في نواة الذرة.

معادلة: عدد النيوترونات في أحد النظائر

.𝐴𝑍=(𝑁)داوت

هيا نتناول بعض الأمثلة لفهْم تركيب النظير وكيفية تحديد عدد النيوترونات. يمكننا النظر إلى نظائر الكربون الموجودة في الطبيعة. سنتناول أولًا الكربون-12 ثم الكربون-13 والكربون-14. يمثِّل ترميز النيوكليد الآتي الكربون-12. 126C

ستلاحظ أن رمز الكربون الكيميائي هو C، والكربون-12 عدده الذري 6 وعدد الكتلي 12. والعدد الذري للكربون-12 يساوي ستة؛ لأن به ستة بروتونات. يمكننا تحديد عدد النيوترونات بطرح العدد 6 من العدد 12. توضِّح المعادلة الآتية كيفية تحديد عدد النيوترونات في نظير الكربون-12.

يمثِّل السطر الأول المعادلة الرياضية: .𝐴𝑍=(𝑁)داوت

أما السطر الثاني، فيحتوي على قيم عددية بدلًا من المتغيرين 𝐴، 𝑍: .126=(𝑁)داوت

يوضِّح السطر الأخير ناتج طرح العدد 6 من العدد 12: .6=(𝑁)داوت

من الواضح أن الكربون-12 يحتوي على ستة بروتونات وستة نيوترونات. هيا نستخدم الآن الطريقة نفسها لتحديد عدد النيوكليونات في نظيرَي الكربون-13 والكربون-14. يصف الجدول الآتي عدد النيوكليونات الموجودة في هذين النظيرين لعنصر الكربون.

النظيرترميز النيوكليدعدد البروتونات (𝑍)عدد النيوترونات (𝐴𝑍)
الكربون-13136C67
الكربون-14146C68

ستلاحظ أن جميع نظائر الكربون تحتوي على ستة بروتونات لكن ليس لها العدد نفسه من النيوترونات. فأحد النظائر الموجود في الطبيعة يحتوي على ستة نيوترونات، بينما النظيران الآخران بهما سبعة أو ثمانية نيوترونات. يجب أن نلاحظ أيضًا استخدام ترميز الشرطة لوصف نظائر العنصر. وترميز الشرطة هو عبارة عن اسم العنصر والعدد الكتلي وبينهما شرطة. وطبقًا لهذا الترميز، فأحد نظائر الكربون يُكتب على الصورة كربون-12، والنظيران الآخران المتكوِّنان طبيعيًّا هما الكربون-13 والكربون-14.

مثال ٣: التعرف على نظائر الهليوم الأخرى

تحتوي نواة إحدى الذرات على بروتونين ونيوترونين. أيُّ الاختيارات الآتية يُعدُّ نظيرًا لهذه الذرة؟

  1. ذرة لا تحتوي نواتها على أيِّ بروتونات ولكنها تحتوي على نيوترونين
  2. ذرة تحتوي نواتها على بروتونين وثلاثة نيوترونات
  3. ذرة تحتوي نواتها على بروتون واحد ونيوترونين
  4. ذرة تحتوي نواتها على بروتونين ونيوترونين
  5. ذرة تحتوي نواتها على بروتون واحد وثلاثة نيوترونات

الحل

جميع ذرات العنصر بها عدد البروتونات نفسه لأن لها العدد الذري نفسه. تحتوي جميع ذرات الهليوم على بروتونين لأن عددها الذري يساوي اثنين. ومن ثم يجب أن تحتوي جميع ذرات الهليوم على بروتونين، لكن يمكن أن تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات. فقد يحتوي أحد نظائر الهليوم على نيوترونين، وقد يحتوي نظير آخر على عدد أكبر أو أقل من النيوترونات.

يصف السؤال نظير الهليوم الذي يحتوي على نيوترونين. ويجب علينا تحديد نظير الهليوم الآخر من الخيارات المذكورة. والخياران (ب) و(ج) هما نظيران للهليوم، لكن الخيار (ب) هو نظير مختلف. فالخيار (ب)، هو ذرة هليوم تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات. أما الخيار (ج)، فهو النظير نفسه الموضَّح في السؤال، ولذلك لا يمكن أن يكون الخيار الصحيح. إذن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

تتحدد كتلة الذرة من ترميز النيوكليد للنظير؛ لأن الجسيمات دون الذرية لها كتلة واحدة لا تتغير. يصف الجدول الآتي كتلة الجسيمات دون الذرية لذرة عنصرٍ ما.

الجسيم دون الذريالإلكترونالبروتونالنيوترون
الكتلة (kg)9.11×101.67×101.67×10

كتلة البروتون تساوي كتلة النيوترون (1.67×10 kg)، والإلكترون أخفُّ منهما بأكثر من 1‎ ‎000 مرة. حدَّد العلماء كتلة الذرة عن طريق جمع كتلة جميع البروتونات والنيوترونات في النواة الذرية. ويتجاهلون عادةً كتلة كل الإلكترونات لأن كتلة الإلكترون مهمَلة.

مثال ٤: تحديد النظام ذي الكتلة الأصغر

أيٌّ من الآتي كتلته أصغر؟

  1. الإلكترون
  2. البروتون
  3. النواة
  4. النيوترون
  5. الذرة

الحل

الذرة هي نواة موجبة الشحنة، وتحيط بها إلكترونات سالبة الشحنة. والكتلة غير موزعة بالتساوي في الذرة. فتحتوي النواة على جميع البروتونات والنيوترونات، ويحتوي الفراغ المحيط على الإلكترونات الضئيلة الكتلة. والبروتونات والنيوترونات متساوية في الكتلة، وهي أكبر من كتلة الإلكترون الواحد بمقدار 1‎ ‎800 مرة تقريبًا.

يمكننا استخدام هذه المعلومات الأساسية لتحديد الإجابة الصحيحة لهذا السؤال. تشير المعلومات الأساسية إلى أن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ) أو الخيار (ب) أو الخيار (د)؛ لأن هذه جسيمات دون ذرية وليست نواة أو ذرة. يمكننا أيضًا استنتاج أن الخيار (أ) هو الخيار الصحيح لأن الإلكترون أخفُّ بأكثر من 1‎ ‎000 مرة من البروتون أو النيوترون. والإلكترون هو أخفُّ جسيم دون ذري. إذن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

هيا نحدِّد كتلة ذرة واحدة من نظير النيتروجين-14. لقد عرفنا أولًا أن الذرة تحتوي على سبعة بروتونات وإلكترونات؛ لأن العدد الذري للنيتروجين هو سبعة. نحدِّد بعد ذلك أن النيتروجين-14 يحتوي على سبعة نيوترونات 𝐴𝑍=7؛ لأن 𝐴 يساوي 14 و𝑍 يساوي 7. يمكننا الآن كتابة معادلة لإيجاد كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14: 𝑚=𝑍𝑚+(𝐴𝑍)𝑚+𝑍𝑚.pne

الرمز 𝑚p هو كتلة بروتون واحد. والرمزان 𝑚n، 𝑚e يمثِّلان كتلتَي نيوترون واحد وإلكترون واحد على الترتيب. يمكننا استبعاد الكتلة المهمَلة لكل الإلكترونات وتبسيط المعادلة كما يأتي: 𝑚=𝑍𝑚+(𝐴𝑍)𝑚.pn

كتلة الذرة هي مجموع كتلة جميع البروتونات والنيوترونات في النواة الذرية. تحتوي المعادلة الآتية على قيم عددية بدلًا من الرمزين 𝐴، 𝑍.

ستلاحظ أن كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14 تساوي كتلة سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات: 𝑚=7𝑚+7𝑚.pn

ويمكن، بدلًا من ذلك، التعبير عن المعادلة على النحو الآتي لأن كتلة النيوترون تساوي كتلة البروتون. وكتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14 هي ببساطة الكتلة الكلية لأربعة عشر بروتونًا أو نيوترونًا: 𝑚=14𝑚𝑚=14𝑚.pnأو

السطر الآتي يحتوي على قيم عددية بدلًا من الرمز 𝑚n أو 𝑚p. تُمكننا هذه العملية الحسابية من الحصول على كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14: 𝑚=14×1.67×10.kg

يوضِّح السطر الآتي ناتج هذه العملية الحسابية العددية. من الواضح أن كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14 تساوي 2.34×10 kg. ويمكننا أيضًا تحديد كتلة الذرة في أيِّ نظير آخر. إننا ببساطة نضرب إجمالي عدد النيوكليونات في القيمة 1.67×10 kg: 𝑚=2.34×10.kg

كتلة الذرة دائمًا تساوي تقريبًا العدد الكتلي مضروبًا في كتلة البروتون الواحد.

معادلة: كتلة الذرة

.𝑚×𝐴=𝑚pذرةارة

مثال ٥: تحديد النظير الأثقل

أيُّ النظائر الآتية يُعَدُّ الأثقل؟

  1. الكربون-12
  2. الأكسجين-16
  3. النيتروجين-15
  4. البورون-11
  5. الفلور-15

الحل

كتلة الذرة تساوي تقريبًا عددها الكتلي مضروبًا في كتلة بروتون واحد. يمكن وصف هذه العبارة أحيانًا بالمعادلة الآتية التي تَستخدم الرمز 𝑚p لتمثيل كتلة بروتون واحد: .𝑚×𝐴=𝑚pذرةارة

يحتوي السؤال على خمسة نظائر، ويمكننا تحديد عددها الكتلي. والعدد الكتلي هو القيمة العددية التي يُفصل بينها وبين اسم العنصر بشرطة. إذن، العدد الكتلي للكربون-12 هو اثنا عشر لأن اسم العنصر متبوعٌ بالعدد «12»، والأكسجين-16 عدده الكتلي ستة عشر لأنه متبوعٌ بالعدد «16». وأثقل نظير له هو نظيره الذي يحتوي على العدد الأكبر. ويُعَدُّ الأكسجين-16 هو النظير الأثقل لأنه يحتوي على أكبر عدد كتلي. فكتلته تساوي تقريبًا 16×𝑚p. الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

لقد تناولنا نظائر البورون، ثم نظائر الكربون، ونظيرًا واحد للنيتروجين. لكن علينا أن ندرك أن هناك العديد من العناصر والنظائر الأخرى. يوضِّح الجدول الآتي اسم بعض العناصر الكيميائية. ويوضِّح أيضًا الرمز الكيميائي والعدد الذري. ستلاحظ أن الهيدروجين به بروتون واحد لأن عدده الذري يساوي واحدًا. فهو يحتوي على أقل عدد من البروتونات، وجميع نظائر الهيدروجين الموجودة في الطبيعة لها كتلة ضئيلة جدًّا.

اسم العنصرالرمز الكيميائيالعدد الذري
الهيدروجينH1
الصوديومNa11
البورونB5
النيتروجينN7
الأكسجينO8
الألومنيومAl13
الكلورCl17

هيا نلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.

النقاط الرئيسية

  • جميع ذرات العنصر بها عدد البروتونات نفسه والعدد الذري نفسه.
  • النظائر هي ذرات تحتوي على عدد البروتونات نفسه، ولكن تختلف في عدد النيوترونات.
  • يتكون ترميز النيوكليد من رمز كيميائي (X) وعدد ذري (𝑍) وعدد كتلي (𝐴) في الطرف الأيسر.
  • عدد النيوترونات في النظير يساوي العدد الكتلي ناقص العدد الذري: .𝐴𝑍=(𝑁)داوت
  • كتلة الإلكترون أخفُّ من كتلة البروتون أو النيوترون بأكثر من 1‎ ‎000 مرة.
  • كتلة البروتون تساوي كتلة النيوترون.
  • كتلة الذرة تساوي تقريبًا عددها الكتلي مضروبًا في كتلة بروتون واحد: .𝑚×𝐴=𝑚pذرةارة

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.