الشارح للدرس: 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.

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.

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

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

مثال ٢: تحديد النظير الأثقل

أيُّ النظائر الآتية أثقل؟

1.  
2.  
3.  
4.  
5.  

الحل

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

الحرف هو العدد الذري ويوضِّح عدد البروتونات في النواة. أما الحرف 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.

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.

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:

أما السطر الثاني، فيحتوي على قيم عددية بدلًا من المتغيرين ، :

يوضِّح السطر الأخير ناتج طرح العدد 6 من العدد 12:

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.

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.

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.

كتلة البروتون تساوي كتلة النيوترون ( 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.

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 ؛ لأن يساوي 14 و يساوي 7. يمكننا الآن كتابة معادلة لإيجاد كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14:

الرمز هو كتلة بروتون واحد. والرمزان ، يمثِّلان كتلتَي نيوترون واحد وإلكترون واحد على الترتيب. يمكننا استبعاد الكتلة المهمَلة لكل الإلكترونات وتبسيط المعادلة كما يأتي:

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

ستلاحظ أن كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14 تساوي كتلة سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات:

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:

السطر الآتي يحتوي على قيم عددية بدلًا من الرمز أو . تُمكننا هذه العملية الحسابية من الحصول على كتلة ذرة واحدة من النيتروجين-14:

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

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

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.

هيا نلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.