فيديو الدرس: النظائر الفيزياء

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

١٧:٠٥

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتحدث عن النظائر الذرية. وسنتعلم ما يعنيه هذا المصطلح. وسنرى أيضًا كيف يساعدنا الجدول الدوري للعناصر في فهم النظائر. ففي الحقيقة، من خلال النظر إلى الجدول الدوري نفسه يمكننا التعرف على النظائر.

إذا نظرت إلى الجدول الدوري، فستجد العديد والعديد من العناصر والكثير من المعلومات الموضحة أمامك. لذا دعونا نركز على عنصر واحد فقط من بين عناصر هذا الجدول. لنفترض أننا اخترنا هذا العنصر هنا. إذا نظرنا عن قرب إلى هذا العنصر تحديدًا، فسنبدأ في ملاحظة بعض المعلومات الإضافية عنه. واعتمادًا على الجدول الدوري الذي نستخدمه، ربما تتوفر لدينا معلومات أكثر أو أقل عن هذا العنصر المحدد، داخل هذا المربع الصغير.

ولكن إجمالًا، نرى أمامنا أربع معلومات مختلفة. في هذه الحالة، نرى عددًا صحيحًا، وهو العدد سبعة، والرمز الذي يمثل هذا العنصر، وهو حرف ‪N‬‏ كبير، واسم العنصر، ثم هناك عدد أسفل هذا الاسم. نلاحظ أن العنصر الذي اخترناه هو عنصر النيتروجين. ويرمز له بحرف ‪N‬‏ كبير. بالإضافة إلى ذلك، يخبرنا كل عدد من الأعداد الموجودة داخل هذا المربع الصغير شيئًا عن هذا العنصر.

يشير العدد الصحيح الموجود بالأعلى، وهو في هذه الحالة العدد سبعة، إلى ما يسمى بالعدد الذري لهذا العنصر. ويخبرنا العدد الذري بعدد البروتونات الموجودة في نواة ذرة النيتروجين. وهذا العدد بالغ الأهمية. فهو يحدد هوية العنصر. وفي الواقع، بالنظر إلى الجدول الدوري بأكمله، نرى أن العدد الذري هو المستخدم في ترتيب الجدول. ففي أعلى اليسار نبدأ بالعدد واحد. وبعده العدد اثنان، في أعلى اليمين. ثم ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية، تسعة، عشرة، وهكذا.

كل هذا يعني أننا إذا علمنا العدد الذري للعنصر، فيمكننا العثور عليه بسهولة داخل الجدول. فتلك هي الطريقة التي أعد الجدول وفقًا لها. الآن نرى أن من المنطقي أن يكون العدد الذري عددًا كليًّا، أي عددًا صحيحًا. ففي أي نواة ذرية، لا يوجد إلا عدد صحيح من البروتونات. ولكن، ماذا عن هذا العدد هنا، في الجزء السفلي من هذا المربع، وهو 14.01، في حالة النيتروجين. يسمى هذا العدد متوسط الكتلة الذرية للعنصر.

هناك بعض الأمور الجديرة بالملاحظة بشأن هذا العدد. أولًا: لاحظ أنه قيمة تمثل الكتلة. ولكن هذا يثير التساؤل الآتي: ما هي وحدة قيمة الكتلة هذه؟ ‏14.01 ماذا؛ كيلوجرامًا أم وحدة أخرى؟ بالنظر إلى صغر حجم الذرات المنفردة وخفة وزنها، إذا كتبنا كتلة تلك الذرات باستخدام وحدات الكيلوجرام، فسيكون هذا العدد ضئيلًا جدًّا. ففي النهاية، كتلة البروتون تساوي 1.67 في 10 أس سالب 27 كيلوجرامًا.

ولكي نتمكن من كتابة الكتل الذرية دون استخدام أعداد متناهية الصغر، وضعت وحدة قياس تسمى ‪amu‬‏. وتعني وحدة الكتل الذرية. في هذا النظام من الوحدات، تساوي كتلة البروتون الواحد وحدة كتل ذرية واحدة، وفي الواقع، ينطبق الأمر ذاته على النيوترون، وهو المكون الآخر الذي تتألف منه النوى الذرية.

والآن، إن كنت تتساءل بشأن المكون الآخر للذرات، أي الإلكترونات؛ فإن كتلة الإلكترون بهذه الوحدة تساوي واحدًا على ألفين من وحدة الكتل الذرية. ونظرًا لأن هذه الكتلة صغيرة جدًّا مقارنة بكتلة البروتون والنيوترون، فإننا غالبًا ما نتجاهل كتلة الإلكترونات عندما نحسب الكتلة الإجمالية لإحدى الذرات. لذا يمكننا القول عمليًّا إن هذا العدد، أي متوسط الكتلة الذرية، يحسب فقط من عدد البروتونات والنيوترونات داخل الذرة.

لكن لاحظ هذه الكلمة المثيرة للاهتمام، إنها متوسط الكتلة. ونرى أيضًا أن هذا العدد ليس عددًا صحيحًا، فهو 14.01 وليس 14 بالضبط. هذه دلالات من الجدول الدوري، تخبرنا أن من الممكن لذرة نيتروجين، وهي ذرة بها سبعة بروتونات داخل نواتها، أن يكون بها عدد مختلف من النيوترونات في تلك النواة. إليك ما يمكن أن يبدو عليه هذا الأمر بالنسبة إلى النيتروجين.

موضح هنا نواة ذرة نيتروجين. كيف نعرف أنها ذرة نيتروجين؟ حسنًا، إذا أحصينا عدد البروتونات، الذي يمثله النقاط الزرقاء في هذه النواة، فسنجد أنها تساوي واحدًا، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، ثم سبعة، وهو ذلك البروتون شبه المختفي هناك. ونظرًا لأن عدد البروتونات في النواة هو الذي يحدد العنصر الذري، فإننا عندما نعد سبعة، ونبحث عن ذلك في الجدول الدوري، سنرى أنه يتوافق مع عنصر النيتروجين.

وبعد ذلك، إذا أحصينا عدد النيوترونات، وهي النقاط الخضراء، فسنجد أنها تساوي واحدًا، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، ومرة أخرى، لدينا سبعة منها. وبهذا، تحتوي ذرة النيتروجين هذه تحديدًا على سبعة بروتونات، وهذا حتمي، لأنها ذرة نيتروجين، بالإضافة إلى سبعة نيوترونات. وإذا جمعنا كل هذا، فسنجد أن الكتلة الكلية لهذه النواة تساوي تقريبًا 14 وحدة كتل ذرية. وحدة كتل ذرية واحدة لكل بروتون، ووحدة كتل ذرية لكل نيوترون.

الآن، إذا كان ذلك ينطبق تمامًا على كل ذرة نيتروجين في العالم، أي أنها تحتوي على سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات، فعندئذ نتوقع أن يكون متوسط الكتلة الذرية هنا 14. إلا أن ذلك ليس صحيحًا. لاحظ أن العدد أكبر قليلًا من 14. والسبب في ذلك هو أن من الممكن أيضًا أن يكون لديك ذرة نيتروجين، أي ذرة توجد في نواتها سبعة بروتونات، ولكن عندما يتعلق الأمر بالنيوترونات الموجودة داخل النواة، فإنها تحتوي على واحد، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية نيوترونات.

إذن، هذه الذرة، وهي ذرة نيتروجين أيضًا لأنها تحتوي على سبعة بروتونات، تحتوي على ثمانية نيوترونات. وهذا يعني أننا إذا جمعنا كتل هذه الجسيمات، فسنحصل على نتيجة تساوي حوالي 15 وحدة كتلة ذرية. إذن، هاتان ذرتان مختلفتان من النيتروجين. إنهما مختلفتان لأنهما تحتويان على عددين مختلفين من النيوترونات. لكن كليهما ذرتا نيتروجين نظرًا لاحتواء كل منهما على سبعة بروتونات. عندما نلاحظ حدوث ذلك مع أي عنصر، أي عندما تحتوي النواة على نفس عدد البروتونات ولكن على عدد مختلف من النيوترونات، فإننا نقول إن هذه العناصر نظائر لبعضها. في هذه الحالة، نشير إليها ببساطة بأنها نظائر النيتروجين.

والحقيقة أن كلمة نظائر أو ‪isotopes‬‏ بالإنجليزية تعيدنا مرة أخرى إلى الجدول الدوري. فالبادئة ‪iso‬‏ باليونانية تعني نفس. والمقطع ‪topes‬‏ يعني المكان. أي أن هاتين الذرتين المختلفتين من النيتروجين موجودتان في نفس المكان في الجدول الدوري، وهو العنصر رقم سبعة.

يساعدنا مفهوم النظائر هذا في البدء في فهم فكرة متوسط الكتلة الذرية. وسبب كونها متوسطًا هو أن كتلة النيتروجين في بعض الأحيان تساوي حوالي 15 وحدة كتل ذرية، في حين تساوي كتلته في بعض الأحيان حوالي 14 وحدة كتل ذرية. بالمناسبة، يشير اقتراب هذا العدد من 14 إلى الوفرة النسبية لهذا النوع من ذرات النيتروجين مقارنة بالنوع الآخر. بعبارة أخرى، ذرات النيتروجين التي تحتوي على سبعة نيوترونات أكثر شيوعًا بكثير من ذرات النيتروجين التي تحتوي على ثمانية نيوترونات.

بعيدًا عن الجدول الدوري، عندما نكتب أحد النظائر، على سبيل المثال باعتباره جزءًا من تفاعل نووي، فإننا نحرص غالبًا على تضمين ثلاث معلومات. نكتب رمز النظير، وفي هذه الحالة يكون رمز النيتروجين هو حرف ‪N‬‏ كبير. ونكتب أيضًا العدد الذري لهذا العنصر في أسفل اليسار. ويساوي سبعة في حالة النيتروجين، وهو عدد البروتونات داخل نواته. وبعد ذلك، في أعلى يسار هذا الرمز، نكتب ما يسمى بالعدد الكتلي. وهو عدد البروتونات زائد عدد النيوترونات الموجودة داخل تلك النواة.

إذن، بالنسبة لنظير النيتروجين الذي يحتوي على سبعة نيوترونات، سيكون هذا العدد 14. ويمكننا كتابة ذلك هنا بالنسبة لهذه الذرة المحددة. ولكن بالنسبة لذرة النيتروجين التي تحتوي على ثمانية نيوترونات داخل نواتها، فإن العدد الكتلي ليس 14، وإنما 15. والطريقة التي نشير بها إلى هذه النظائر المختلفة هي بقولنا إن النظير الذي يحتوي على ثمانية نيوترونات يسمى نيتروجين-15، في حين أن النيتروجين الذي يحتوي على سبعة نيوترونات نسميه نيتروجين -14.

أحد أسباب أهمية مفهوم النظائر هو أن نظائر العنصر من الممكن أن يكون لها خواص فيزيائية وكيميائية مختلفة عنه. لنأخذ عنصر الكربون مثالًا. الكربون عنصر له ثلاثة نظائر شائعة، هي كربون-12، و كربون-13، و كربون-14.إذا رسمنا نوى هذه النظائر الثلاثة، فسنجد أن جميعها يحتوي على ستة بروتونات. وهذا ما يجعلها ذرات كربون. ولكن كربون-12 يحتوي على ستة نيوترونات. و كربون-13 يحتوي على سبعة. و كربون-14 يحتوي على ثمانية. وهذا هو ما يعطينا الأعداد الكتلية 12 و 13 و 14 على التوالي.

اثنان من نظائر الكربون هذه، وهما كربون-12، و كربون-13، مستقران، في حين أن واحدًا منها، وهو كربون-14، غير مستقر. فهو مشع نسبيًّا. إذن، هناك شيء ما متعلق بإضافة هذا النيوترون الإضافي إلى النيوترونات الموجودة في كربون-13 يجعل كربون-14 غير مستقر. الآن بعد أن علمنا ما هي النظائر، لنتدرب على هذه المعلومات من خلال مثال.

الرمز الكيميائي لذرة البلاتين Pt-159. ما عدد البروتونات في ذرة البلاتين؟ ما عدد النيوترونات في ذرة البلاتين؟

بالنظر إلى هذا الرمز الكيميائي، نرى أن الرمز ‪Pt‬‏ البادئ بحرف كبير، هو اختصار للبلاتين. للإجابة عن هذين السؤالين حول عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في ذرة البلاتين، سنحتاج إلى فهم هذين العددين الموجودين على يسار هذا الاختصار.

نرى العدد 78 في أسفل اليسار. يعرف هذا بالعدد الذري للعنصر. ويخبرنا بعدد البروتونات في النواة. وهذا العدد هو الذي يمنح العنصر هويته ويساعدنا في العثور عليه في الجدول الدوري. وبما أن العدد الذري هو عدد البروتونات في النواة، فبهذا نحصل على إجابة السؤال الأول. فالإجابة هي 78.

للإجابة عن السؤال الثاني بشأن عدد النيوترونات في هذه الذرة، سنحتاج إلى إلقاء نظرة على العدد الموجود أعلى اليسار. بشكل عام، يشار إلى هذا العدد بأنه العدد الكتلي للنظير. مثلما كان العدد الذري مساويًا لشيء آخر؛ إذ يساوي عدد البروتونات في النواة، فإن العدد الكتلي يمثل شيئًا آخر أيضًا. إنه يساوي عدد البروتونات زائد عدد النيوترونات الموجودة داخل النواة.

لإيجاد عدد النيوترونات في ذرة البلاتين، يمكننا إجراء عملية طرح. إذا أخذنا العدد الكتلي لهذه الذرة وطرحنا منه العدد الذري، فسنحصل على عدد البروتونات زائد عدد النيوترونات، مطروحًا منه عدد البروتونات. إجمالًا، سنحصل على عدد النيوترونات، وهي إجابة الجزء الثاني من السؤال.

نرى أن العدد الكتلي لهذه الذرة هو 195. ثم العدد الذري، وهو عدد البروتونات، يساوي 78. ‏195 ناقص 78 يساوي 117. إذن، هذا هو عدد النيوترونات في ذرة البلاتين هذه.

لنستعرض الآن مثالًا آخر.

أي الاختيارات الآتية يعد اسمًا آخر «للعدد الذري»؟ (أ) عدد النيوكليونات. (ب) العدد الكتلي. (ج) عدد الإلكترونات. (د) عدد البروتونات. (هـ) عدد النيوترونات.

ربما يذكرك مصطلح العدد الذري بشيء؛ لأنه عندما نكتب رمز النظير الذري، فإننا نقوم بتضمين هذا العدد. لنفترض أن لدينا ذرة عنصر وهمي سنسميه بالعنصر ‪A‬‏. عندما نكتب نظيرًا محددًا لهذا العنصر في صورة رمز، فمن الطبيعي أن نضع العدد الذري أسفل يسار الرمز ونكتب العدد الكتلي أعلى يسار رمز هذا العنصر. يمكننا تذكر أن هذين المصطلحين يعبران عن شيء يخص هذا النظير. يخبرنا العدد الذري بعدد البروتونات في النواة. ويخبرنا العدد الكتلي بعدد البروتونات زائد عدد النيوترونات.

بالمناسبة، نظرًا لأن البروتونات والنيوترونات كلاهما من عناصر النواة، يطلق عليهما أحيانًا اسم نيوكليونات. بمعرفة كل هذا، لنلق نظرة على خيارات الإجابة مرة أخرى. نظرًا لأن النيوكليون إما أن يكون بروتونًا أو نيوترونًا، فهذا يعني أن عدد النيوكليونات سيكون مماثلًا للعدد الكتلي، أي عدد البروتونات وعدد النيوترونات في النواة. رأينا أن العدد الكتلي والعدد الذري يشيران إلى شيئين مختلفين. وهذا يعني أن الخيار (أ)، وكذلك الخيار (ب)، لا يعبران عن العدد الذري.

يتحدث الخيار (ج) عن عدد الإلكترونات. وهي أجزاء من الذرة لا توجد داخل النواة. ولا يشير العدد الذري إلى الإلكترونات؛ لذلك سنستبعد هذا الخيار أيضًا. وبعدها نصل إلى الخيار (د) عدد البروتونات. رأينا أن العدد الذري يشير إلى هذا العدد. وبعد ذلك، بالنظر إلى الخيار (هـ) عدد النيوترونات، نجد أنه متضمن في العدد الكتلي، لكن لا يشار إليه بالعدد الذري. الخيار (هـ) إذن غير صحيح. وبهذا نجد أن الخيار الصحيح هو (د) عدد البروتونات، وهو اسم آخر للعدد الذري.

لنأخذ لحظات لتلخيص ما تعلمناه عن النظائر في هذا الدرس. تعلمنا أن النظائر هي ذرات لها نفس عدد البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات. على سبيل المثال، رأينا أن لعنصر النيتروجين نظيرين مختلفين. يحتوي أحد النظيرين على سبعة نيوترونات داخل نواته ويحتوي الآخر على ثمانية.

وتعلمنا أيضًا أن نظائر أي عنصر تشغل نفس المكان في الجدول الدوري للعناصر. إذا بحثنا عن نظيري النيتروجين، فسنبحث عن العنصر رقم سبعة، وهو النيتروجين، ونجد أن كلا النظيرين ممثلان في نفس المربع. وأخيرًا، ربما يكون لنظائر أحد العناصر خواص فيزيائية وخواص كيميائية مختلفة. على سبيل المثال، من بين النظائر الثلاثة للكربون التي رأيناها، كان نظيران منها مستقرين، في حين كان واحد منها غير مستقر ومشعًّا.

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