شارح الدرس: بنية الذرة الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف بنية الذرة وممَّا تتكوَّن الذرات، ونربط حجمها بالأشياء المستخدَمة في حياتنا اليومية.

يتساءل البشر عمَّا يتكوَّن منه عالمنا لآلاف من السنين. افترَض ديموقريطوس، وهو فيلسوف يوناني قديم، أن العالم تكوَّن من ذرات غير قابلة للتجزئة منذ ألفين و سنة تقريبًا. بدأ العلماء في تنقيح هذه الفكرة تدريجيًّا، وأصبح لديهم الآن فهمٌ أوضح لما تعنيه الذرة، وكيف يجب وصفها.

يمكن اعتبار الذرات وحدات أساسية للمادة الكيميائية؛ لأن جميع العناصر الكيميائية تتكوَّن منها. تبلغ الذرات نحو واحد من عشرة آلاف من المليون من المتر. ويمكن أن تُعاد صياغة هذه العبارة بحيث توضِّح أن متوسط عرض الذرة يساوي تقريبًا 0.0000000001 m أو m. الذرة أصغر من حبة الرمال بمقدار 10‎ ‎000‎ ‎000 مرة تقريبًا، وأصغر من برتقالة متوسطة الحجم بمقدار 1‎ ‎000‎ ‎000‎ ‎000 مرة تقريبًا.

توضِّح الصورة الآتية السبب وراء الحاجة إلى تكبير الأجسام التي في حجم البرتقالة 100 مليون مرة قبل أن نتمكَّن من رؤية أي ذرات. توضِّح الصورة التي تظهر على اليمين برتقالة يبلغ عرضها تقريبًا 100 mm أو 10 cm. توضِّح الصور المعروضة آتيًا تأثير تكبير الحجرين المجاورين للبرتقالة والصرصور الذي يزحف عبرهما، ومتابعة التكبير مرةً تلو الأخرى، حتى نتمكَّن من رؤية ذرات مُفردة.

وعندما نصل إلى قياس قرن استشعار الصرصور، سيتعيَّن علينا استخدام وحدة الميكرومتر الممثَّلة بالرمز μm. 1 μm يكافئ m؛ ومن ثَمَّ، نجد أن الميكرومتر الواحد يساوي واحدًا على مليون من المتر. عند قياس الذرات والجزيئات، علينا استخدام وحدة النانومتر الممثَّلة بالرمز nm. النانومتر الواحد يساوي واحدًا على مليار من المتر، وهذا يساوي m. وهذا صغير للغاية حقًّا.

الذرات التي تتكوَّن منها حبوب اللقاح الموجودة على قرون استشعار الصرصور قد تكون معقَّدة للغاية، ومن الأفضل التركيز على ذرات أبسط، مثل ذرة الهيدروجين وذرة الهليوم، إذا أردنا فهم الخواص الأساسية للذرات المنفردة ومكوِّناتها. توضِّح الصورة الآتية بنية ذرتَي الهيدروجين والهليوم. تحتوي كلتا الذرتين على نواة موجبة الشحنة. تتكوَّن النواة من مجموعة من النيوترونات والبروتونات. تحتوي الذرات أيضًا على إلكترونات توجد في الفراغ الذي يقع خارج النواة الموجبة الشحنة.

كل إلكترون له شحنة كهروستاتيكية سالبة تُعادِل بالضبط الشحنة الكهروستاتيكية الموجبة لبروتون واحد. يمكن إعادة كتابة هذه العبارة بحيث توضِّح أن للبروتونات شحنة كهروستاتيكية نسبية بمقدار ، وللإلكترونات شحنة كهروستاتيكية نسبية بمقدار . النيوترونات جسيمات متعادلة الشحنة، ودائمًا ما تكون قيمة شحنتها الكهروستاتيكية 0. تحتوي دائمًا ذرات أي عنصر على العدد نفسه من البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات السالبة الشحنة. ونظرًا لأن الذرات المنفردة تحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات السالبة الشحنة، فإنها متعادلة كهربيًّا.

للبروتونات والنيوترونات الكتلة نفسها في الأساس، وكلٌّ منهما أثقل بكثير من الإلكترون بمفرده. وللبروتونات والنيوترونات كتلة نسبية تساوي 1، وللإلكترونات كتلة نسبية تساوي . يلخِّص الجدول الآتي البيانات المتعلِّقة بالجسيمات دون الذرية التي تتكوَّن منها الذرات.

توزَّع الكتلة على نحو غير متساوٍ للغاية في الذرات. النواة الذرية ليست سوى جزء صغير من الذرة، لكنها تحتوي على جميع البروتونات والنيوترونات دون الذرية الثقيلة. تتكوَّن بقية الذرة من إلكترونات خفيفة للغاية.

يوفِّر العديد من الرسوم التوضيحية لبنية الذرة معلومات غير دقيقة حول حجم النواة. وتُعطي هذه الرسوم انطباعًا خاطئًا بأن النواة أصغر بضع مرات من الذرة. صُمِّمت هذه الرسوم التوضيحية لعرض تركيب الذرة. وهي تُستخدم لتوضيح ما تحتويه الذرة ونواتها بدلًا من أن تمثِّل بدقة حجم النواة وما تحتويه من جسيمات دون ذرية. يوضِّح الشكل الآتي تمثيلًا دقيقًا معقولًا للذرة. ويَستخدم هذا الشكل مجموعة من الأسهم والأرقام للمقارنة بين عرض النواة وعرض الذرة الكاملة والنيوكليونات الفردية التي تحتوي عليها. كما يُقارِن الشكل أيضًا بين عرض الإلكترون وعرض الذرة.

يوضِّح الشكل أن النواة أصغر من الذرة بعشرة آلاف مرة تقريبًا. ويوضِّح أيضًا أن البروتونات أصغر من النواة بعشر مرات تقريبًا، أو أصغر بمائة ألف مرة من الذرة كاملة. يتضح أن الإلكترونات أصغر بألف مرة تقريبًا من البروتون الواحد، لكن ذلك لا يُمثِّل سوى قِيَم تقديرية. من الممكن أن تكون الإلكترونات أصغر من جزء من المليار من المليار من المتر.

هيا نتناول ذرة كربون ونواتها. ستساعدنا المقارنة في تقدير مدى صغر حجم النواة الذرية وما تحتويه من نيوكليونات. كما تساعدنا على تأكيد الفرضية بأن النواة أصغر من الذرة بالعديد من المرات. نصف قطر ذرة الكربون يساوي 70 pm، ونصف قطر نواتها يساوي 3 fm. وهذه مقاييس صغيرة للغاية. إن البيكومتر (pm) يكافئ m. بعبارةٍ أخرى، البيكومتر الواحد أصغر بمقدار ألف مليار مرة من المتر الواحد. والفمتومتر (fm) أصغر أيضًا. الفمتومتر الواحد يكافئ m؛ وهذا أصغر بمليون مليار مرة من المتر الواحد. لتوضيح ذلك ممثَّلًا بقيمة، نجد أن الفمتومتر الواحد يساوي 0.000000000000001 m. يمكن المقارنة بين هذه القيم لتوضيح أن نصف قطر نواة ذرة الكربون أصغر من نصف قطر ذرة الكربون بأكملها بعشرات الآلاف من المرات. إن مقارنة هذه القيم ستُظهر بوضوح أن النوى بالفعل أصغر من الذرات الكاملة بعشرات الآلاف من المرات. النواة الذرية متناهية الصغر بشكلٍ لا يصدق، بل المدهش أنها تتكوَّن من نيوكليونات دون ذرية أصغر حجمًا. نصف قطر نواة ذرة الكربون يساوي 3 fm، ونصف قطر البروتونات أصغر من الفمتومتر الواحد (1 fm) بكثير.