فيديو الدرس: النموذج الذري الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على العديد من النماذج الذرية التي استخدمت على مر التاريخ لمساعدتنا على فهم تركيب المادة. وسنتعلم كيف تطور نموذج الذرة مع مرور الزمن بظهور أدلة تجريبية جديدة. فكرة أن المادة تتكون من وحدات صغيرة تسمى الذرات ليست بجديدة. إذ طرحت النظرية الذرية الأولى في عام 400 قبل الميلاد على يد اثنين من الفلاسفة الإغريق هما ليوكيبوس وديموقريطوس. فلقد اقترحا أن كل المواد مكونة من جسيمات صغيرة غير قابلة للتقسيم أطلقا عليها الذرات، وهو ما يعني أنها غير قابلة للتجزئة. وذكرا أن الخواص المختلفة للمادة تعكس نوع الذرات التي تتكون منها.

ولكن النظرية الذرية للمادة لم تكن مقبولة في الاتجاه العلمي السائد حتى عام 1808 عندما طرح أحد علماء الأرصاد الجوية، يدعى جون دالتون، النموذج الذري الأول. كان دالتون يحاول فهم الخواص الفيزيائية للغازات من خلال استكشاف أحدث الأبحاث التي أجريت على قوانين الكتلة، والتي بدت منطبقة على جميع أشكال المادة. ونموذجه الذري، الذي يشار إليه عادة باسم نموذج الكرة المصمتة أو الصلبة للذرة، تمكن من تفسير قوانين الكتلة هذه بنجاح كبير. ولنموذجه الذري أربعة افتراضات أساسية.

الافتراض الأول هو أن كل المواد تتكون من ذرات لا تفنى ولا تستحدث من العدم. والافتراض الثاني هو أن ذرات العنصر لا يمكن تحويلها إلى ذرات عنصر آخر. في التفاعلات الكيميائية، لا تتغير الذرات من عنصر إلى آخر. وإنما تتحد فقط ذرات المادة الأصلية مجددًا لتكوين مواد جديدة. وقد ثبت خطأ هذا الافتراض بفضل أبحاث في مجال النشاط الإشعاعي بقيادة ماري سكلودوفسكا كوري؛ لأنه في العمليات التي تتضمن نشاطًا إشعاعيًّا يمكن أن تتحول ذرات عنصر إلى ذرات عنصر آخر.

ينص الافتراض الثالث على أن ذرات العنصر الواحد تكون متطابقة، وتختلف عن ذرات أي عنصر آخر. لذا فإن جميع ذرات الهيدروجين لها دائمًا الكتلة والخواص نفسها، لكن ذرات الهيدروجين وذرات الأكسجين مختلفة عن بعضها البعض. وأخيرًا، الافتراض الأخير هو أن المركبات تنتج عن اتحاد كيميائي من ذرات عناصر مختلفة بنسبة محددة. فمثلًا، يتألف مركب الماء أو ‪H2O‬‏ دائمًا من نسبة اثنين إلى واحد من الهيدروجين والأكسجين؛ لأن كل وحدة من الماء تتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة.

الافتراضات التي طرحها دالتون في نموذجه الذري ظلت دون منازع حتى عام 1897 الذي ظهرت فيه التجارب التي أجراها جاي. جاي. طومسون على أنابيب أشعة المهبط. أنبوب أشعة المهبط هو أنبوب زجاجي ذو أقطاب فلزية في طرفيه. وعند مرور تيار كهربي، ينتج شعاعًا يصطدم بنهاية الأنبوب. بينما كان جاي. جاي. طومسون يدرس أنابيب أشعة المهبط هذه، لاحظ أن الشعاع ينحرف في مجال مغناطيسي، وهو ما يشير إلى أن الشعاع يتكون من جسيمات مشحونة. ثانيًا، لاحظ أن الشعاع ينحرف نحو اللوح الموجب الشحنة في المجال الكهربي، وهو ما يشير إلى أن الشعاع يتكون من جسيمات سالبة الشحنة. وأخيرًا، لاحظ أن الشعاع متشابه في أي مهبط، لذلك لا بد أن توجد هذه الجسيمات في جميع المواد.

وقرر أن هذه الجسيمات ذات الشحنة السالبة، التي أطلق عليها الإلكترونات، أخف بكثير من الذرة. هذا يعني أن الذرة لا يمكن أن تكون أصغر وحدة للمادة؛ لذا يجب إعادة النظر في النموذج الذري. ولهذا طرح طومسون نموذجًا ذريًّا جديدًا، يضم الإلكترونات المكتشفة حديثًا في بحر من الشحنات الموجبة، مثل الفاكهة المجففة في حلوى البرقوق أو حلوى الخبز، ومن هنا جاء اسم نموذج حلوى البرقوق لنموذج طومسون.

استنادًا إلى أبحاث جاي. جاي. طومسون، طرح نموذجان آخران للذرة. ففي عام 1902، افترض جيلبرت لويس أن الإلكترونات يكون موضعها في الذرة في زوايا مكعب. وفي عام 1904، افترض هان تاو ناغاوكا أن الإلكترونات تدور حول مركز ضخم مثل الحلقات التي تدور حول كوكب زحل. ومع اكتشاف هذا الجسيم دون الذري الجديد، وهو الإلكترون، كان العلماء مهتمين بمعرفة المزيد عن خواصه.

في عام 1909، بدأ روبرت ميليكان في تحديد شحنة هذا الجسيم الجديد من خلال مشاهدة قطرات الزيت الصغيرة المشحونة تسقط في وعاء خاص. وتمكن من تحديد شحنة كل قطرة متساقطة من الزيت. ولاحظ أن جميع الشحنات كانت مضاعفات حاصل ضرب سالب 1.6 في 10 أس سالب 19 كولوم. ومن ثم، لا بد أن هذه هي شحنة الإلكترون الواحد. ومن المثير للدهشة أن شحنة الإلكترون التي تمكن ميليكان من قياسها تختلف بفارق واحد بالمائة عن القيمة المقيسة في زمننا الحالي.

على الرغم من أن نموذج حلوى البرقوق قد نجح في التعبير عن الإلكترون، فسرعان ما ثبت خطأ هذا النموذج من خلال نتائج التجارب التي أجراها كل من هانز جايجر وإرنست مارسدن تحت إشراف إرنست رذرفورد. قذف جايجر ومارسدن جسيمات ألفا على شريحة رقيقة للغاية من رقائق الذهب، وقاسا انحراف جسيمات ألفا باستخدام شاشة تحيط بالرقاقة وتصدر وميضًا عندما يصطدم بها جسيم ألفا. ونظرًا لأن الإلكترونات صغيرة للغاية وجسيمات ألفا تتحرك بسرعة كبيرة، توقع العالمان أن جميع جسيمات ألفا ستنفذ مباشرة عبر الرقاقة. ولكن بدلًا من ذلك، لاحظا أن جزءًا صغيرًا من الجسيمات انحرف للخلف في الاتجاه الذي جاءت منه.

بناء على هذه النتائج، توصل رذرفورد في عام 1911 إلى أن الذرة مكونة في معظمها من فراغ تشغله الإلكترونات، ولكن توجد نواة صغيرة وكثيفة للغاية ذات شحنة موجبة في مركز الذرة. وافترض أن نواة الذرة تتكون من جسيمات موجبة الشحنة أطلق عليها اسم البروتونات. ويسمى عادة النموذج الذري الذي اقترحه بناء على هذه الاستنتاجات بنموذج الكواكب للذرة؛ حيث تدور الإلكترونات السالبة الشحنة حول النواة الموجبة الشحنة للذرة مثل الكواكب التي تدور حول الشمس في النظام الشمسي. الإلكترونات في هذا النموذج ليست مقيدة بمستوى محدد. فيمكنها التحرك في مدارات حول النواة في ثلاثة أبعاد.

تضمن نموذج الكواكب أو النموذج النووي للذرة النواة المكتشفة حديثًا، ولكن ظهرت بعض المشكلات الملحة في هذا النموذج. المشكلة الأبرز هي أن الجسيمات الموجبة الشحنة تنجذب دائمًا إلى الجسيمات السالبة الشحنة. إذن ما الذي أبقى الإلكترونات السالبة الشحنة تدور حول النواة؟ بالإضافة إلى ذلك، يشير نموذج الكواكب إلى أن الإلكترونات الموجودة في الذرة ينبغي أن تصدر طاقة في صورة طيف مستمر، الأمر الذي قد ينتج عنه قوس قزح. ولكن عندما نظر العلماء إلى الطيف الناتج عن الذرات الغازية المثارة، لاحظوا سلسلة من الخطوط ذات الألوان المختلفة من الضوء تفصل بينها مساحات سوداء. وكانت هذه الأطياف الخطية التي أنتجتها هذه الذرات المثارة مميزة لكل عنصر.

لتوضيح ذلك، طرح نيلز بور نموذجًا جديدًا للذرة في عام 1913، وهو ما يسمى عادة نموذج الأغلفة الإلكترونية أو النموذج المداري للذرة. يتميز هذا النموذج بوجود مستويات طاقة منفصلة ينحصر وجود الإلكترونات فيها، وتقابلها مدارات ثابتة حول النواة. وعندما يتحرك إلكترون في مدار معين، لا تتغير الطاقة الكلية للذرة. وإذا اكتسبت الذرة طاقة، فسيقفز الإلكترون إلى مدار طاقة أعلى أبعد عن النواة. وإذا فقدت الطاقة بعد ذلك، فسيعود الإلكترون إلى مستوى طاقة أقل أقرب إلى النواة.

باستخدام هذا النموذج، فهمنا أن سبب الخطوط المميزة الموجودة في الطيف الخطي للهيدروجين هو الانتقالات بين مدارات الطاقة الثابتة داخل ذرة الهيدروجين. فعندما تكتسب الإلكترونات طاقة، تقفز إلى مدار طاقة أعلى. وتطلق الطاقة عندما تعود إلى مدار طاقة أقل. تقابل هذه الطاقة المنطلقة لونًا معينًا على الطيف الخطي، ولهذا نرى خطوطًا لكل انتقال محتمل بين المدارات في أثناء عودة الإلكترونات إلى مدار طاقة أقل. فمثلًا، الانتقال من مدار الطاقة الثالث في ذرة الهيدروجين إلى مدار الطاقة الثاني تنتج عنه طاقة ذات طول موجي يساوي 656 نانومترًا يقابل اللون الأحمر. والانتقال من مدار الطاقة الرابع إلى مدار الطاقة الثاني له طول موجي يساوي 486 نانومترًا يقابل اللون الأزرق الفاتح.

لكن على الرغم من نجاح هذا النموذج، كانت هناك مشكلة ملحة فيه أيضًا. وهي أنه لا يمكنه تفسير سلوك الذرات التي تحتوي على العديد من الإلكترونات. في عام 1920، وبعد فترة وجيزة من افتراض وجود البروتون، اقترح رذرفورد وجود جسيم دون ذري آخر في نواة الذرة يحمل شحنة متعادلة، وهو ما أطلق عليه النيوترون. اشتبه رذرفورد في هذا بسبب الأبحاث التي أجريت مؤخرًا على ذرات نفس العنصر التي لها كتل مختلفة وتسمى النظائر. ولكن لم يظهر أي دليل تجريبي جديد يمكن أن يثبت وجود الجسيم الذي اقترحه رذرفورد إلا في ثلاثينيات القرن الماضي.

في عام 1930، لاحظ والتر بوث وهربرت بيكر أنه إذا قصف البريليوم بجسيمات ألفا، فسيصدر شكل من الإشعاع غير المؤين له شحنة متعادلة. ولم يكونا متأكدين من طبيعة هذا الإشعاع، لكنهما اعتقدا أنه يمكن أن يكون أشعة جاما. في عام 1932، أدرك جيمس تشادويك أن هذا الإشعاع ذا الشحنة المتعادلة الذي صدر لم يكن أشعة جاما، بل جسيمًا جديدًا له نفس كتلة البروتون، وهو النيوترون. وهذا يعني أن نواة الذرة تتكون من كل من البروتونات الموجبة الشحنة والنيوترونات المتعادلة.

في عام 1924، كان لويس دي برولي يحاول فهم السبب وراء وجود مستويات طاقة ثابتة للإلكترونات. واعتقد أن المادة ربما لها خواص شبيهة بالموجات. فإذا كان للإلكترونات مستويات طاقة ثابتة وخواص موجية، فلن يكون لها سوى مستويات طاقة محددة ممكنة تشبه اهتزازات وتر الجيتار المثبت من كلا الطرفين. وكما تبين بعد ذلك، كان دي برولي محقًّا. فالإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى لها في الواقع خواص موجية. في عام 1926، تمكن إرفين شرودنجر من وصف الخواص الموجية للمادة، التي أسست فرع الفيزياء المسمى ميكانيكا الكم.

وفقًا لميكانيكا الكم، الإلكترون ليس فقط جسيمًا صغيرًا يدور حول النواة. وإنما ينتشر حول النواة على هيئة جميع الأشكال الغريبة التي تقابل طاقة الإلكترون. ونشير إلى كثافة الشحنة السالبة هذه بالسحابة الإلكترونية. وبذلك، نكون قد توصلنا إلى النظرة الحديثة للذرة؛ فهي نواة مكونة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة الشحنة تحيط بها سحابة إلكترونية سالبة الشحنة. والآن بعد أن استعرضنا جميع النماذج الذرية، دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة.

كيف اختلف نموذج حلوى البرقوق عن نموذج الكرة المصمتة للذرة؟ (أ) أوضح نموذج حلوى البرقوق أن الإلكترونات تكون زوايا مكعب. (ب) وصف نموذج حلوى البرقوق الإلكترونات بأنها تدور حول نواة مركزية. (ج) تضمن نموذج حلوى البرقوق جسيمات سالبة الشحنة تعرف باسم الإلكترونات. (د) تضمن نموذج حلوى البرقوق جسيمات موجبة الشحنة تعرف باسم البروتونات. (هـ) أوضح نموذج حلوى البرقوق أن الإلكترونات تشغل مستويات طاقة مختلفة.

إن نموذج الكرة المصمتة للذرة كان النموذج الأول للذرة. وكان من طرحه هو دالتون. في هذا النموذج، الذرة هي أصغر جزء من المادة. وظهر بعد ذلك نموذج حلوى البرقوق للذرة. وقد طرحه جاي. جاي. طومسون الذي اكتشف الإلكترونات سالبة الشحنة داخل الذرات. وبذلك فإن نموذج حلوى البرقوق يختلف عن نموذج الكرة المصمتة للذرة؛ لأنه في نموذج الكرة المصمتة للذرة تكون الذرة هي أصغر جزء من المادة. لكن في نموذج حلوى البرقوق يوجد إلكترون سالب الشحنة أصغر من الذرة. لذا دعونا نستعرض خيارات الإجابة لمعرفة أي منها يعبر عن ذلك.

يذكر خيار الإجابة (أ) أن نموذج حلوى البرقوق أوضح أن الإلكترونات تكون زوايا مكعب. في نموذج حلوى البرقوق تكون الإلكترونات مغموسة في بحر من الشحنات الموجبة. فهي لا تشكل زوايا مكعب. وهذا في الواقع إشارة إلى نموذج لويس المكعب للذرة. لذا فهذا ليس الخيار الصحيح. يشير الخيار الثاني إلى أن نموذج حلوى البرقوق قد وصف الإلكترونات بأنها تدور حول نواة مركزية. ولكن نواة الذرة لم تكتشف إلا بعد طرح نموذج حلوى البرقوق. ففي الواقع خيار الإجابة هذا يمثل إشارة إلى نموذج الكواكب الذري لرذرفورد. ومن ثم فهو ليس الخيار الذي نبحث عنه.

يذكر خيار الإجابة التالي أن نموذج حلوى البرقوق يضم جسيمات سالبة الشحنة تعرف باسم الإلكترونات. يبدو أن خيار الإجابة هذا هو ما نبحث عنه بالضبط. يختلف نموذج حلوى البرقوق عن نموذج الكرة المصمتة؛ لأنه يتضمن هذه الإلكترونات السالبة الشحنة. لكن دعونا نلق نظرة على خيارات الإجابة الأخرى لمعرفة سبب عدم صحتها. ينص خيار الإجابة الرابع على أن نموذج حلوى البرقوق يضم جسيمات موجبة الشحنة تعرف باسم البروتونات. ومجددًا، يمثل خيار الإجابة هذا إشارة إلى نموذج الكواكب الذري لرذرفورد؛ حيث اقترح مصطلح البروتون لوصف الجسيمات الموجبة الشحنة التي تكون النواة.

يذكر خيار الإجابة الأخير أن نموذج حلوى البرقوق أظهر أن الإلكترونات تشغل مستويات طاقة مختلفة. يشير خيار الإجابة هذا إلى نموذج بور للذرة؛ حيث تشغل الإلكترونات مدارات طاقة ثابتة حول النواة. إذن، كما ذكرنا سابقًا، يختلف نموذج حلوى البرقوق عن نموذج الكرة المصمتة للذرة؛ لأن نموذج حلوى البرقوق يتضمن جسيمات سالبة الشحنة تعرف باسم الإلكترونات.

دعونا نلق نظرة على مثال آخر.

أي مخطط من المخططات الآتية يمثل جيدًا النموذج النووي أو نموذج الكواكب الذري الذي وضعه رذرفورد؟

يرتكز نموذج الكواكب أو النموذج النووي لرذرفورد على ملاحظات من تجربة رقاقة الذهب. في نموذج الكواكب، توجد نواة موجبة الشحنة في مركز الذرة. وتدور الإلكترونات حول النواة. دعونا إذن نر أي من المخططات التي لدينا يمثل بدقة هذا الوصف للذرة. في المخطط (أ) لدينا إلكترونات في مدارات حول النواة. وهذا يطابق بالتأكيد ما نبحث عنه. لذا دعونا نضع هذا المخطط في اعتبارنا. في خيار الإجابة (ب) لدينا جسيمات موجبة الشحنة حول شحنة سالبة. هذا المخطط بالتأكيد لا يطابق ما نبحث عنه. في الواقع، لا يطابق أيًّا من نماذج الذرة.

في خيار الإجابة (ج) لدينا جسيمات مرتبة في زوايا مكعب. يشير هذا المخطط إلى نموذج لويس المكعب للذرة. في خيار الإجابة (د) لدينا إلكترونات تدور حول نواة مركزية، وهو ما نبحث عنه. لذا دعونا نضع خيار الإجابة هذا في الاعتبار أيضًا. في خيار الإجابة الأخير لدينا جسيمات سالبة الشحنة مغموسة في شحنة موجبة. وهذا لا يصف بالتأكيد ما نبحث عنه، لكنه يصف نموذج حلوى البرقوق للذرة.

بذلك نكون قد حصرنا المخططات المحتملة لتمثيل نموذج الكواكب أو النموذج النووي للذرة في خيار الإجابة (أ) أو خيار الإجابة (د). ولكن ما الفرق بين هذين المخططين؟ كلاهما يظهر إلكترونات تدور حول نواة مركزية. حسنًا، الدوائر الموجودة في الشكل (أ) من المفترض أنها تمثل مدارات ثابتة للإلكترونات التي تقابل مستويات طاقة منفصلة. ومن ثم يمثل هذا المخطط في الواقع نموذج بور للذرة الذي يظهر مدارات ثابتة للإلكترونات نظرًا لشغلها مستويات طاقة منفصلة.

إذن الخيار (أ) ليس ما نبحث عنه أيضًا. وبذلك يتبقى لدينا الخيار (د)، وهو المخطط الصحيح لتمثيل نموذج الكواكب أو النموذج النووي للذرة لرذرفورد.

والآن بعد أن تعرفنا على جميع النماذج الذرية المختلفة واطلعنا على بعض الأمثلة، دعونا نختم بالنقاط الرئيسية في هذا الفيديو. النموذج الأول للذرة كان نموذج الكرة المصمتة لدالتون، الذي وصف الذرة بأنها الوحدة البنائية للمادة. وأضاف بعد ذلك نموذج حلوى البرقوق لجاي. جاي. طومسون الإلكترون وهو يظهر وجود شحنات سالبة في سحابة موجبة الشحنة. وأضاف نموذج الكواكب أو النموذج النووي للذرة لرذرفورد النواة الموجبة الشحنة للذرة التي اكتشفت في التجارب التي أجريت على رقاقة الذهب.

ونموذج الأغلفة الإلكترونية أو النموذج المداري للذرة الذي وضعه بور أضاف مستويات طاقة منفصلة للإلكترونات. وأكد جيمس تشادويك وجود النيوترون. في النموذج الحديث للذرة، تتكون الذرة من نواة مكونة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة الشحنة تحيط بها سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة.