النظرية الذرية

حتى نهاية القرن التاسع عشر كانت الذرة تعتبر ككرة صلبة صغيرة. عندما اكتشف طومسون الإلكترون عام 1897. فلقد كان العلماء بعرفون أن التيار الكهربائي لو مر في أنبوبة مفرغة، فيمكن رؤية تيارا نت مادة تتوهج. ولم يكن يعرف لها تفسيراً. فلاحظ طومسون أن التبار المتوهج الغامض يتجه للوح الكهربائي الموجب. فوجد أن التيار المتوعج مكون من جسيمات صغيرة وأجزاء من الذرات تحمل شحنات سالبة سميت بالإلكترونات. وكان ايوجين جولدشتين عام 1886 أن الذرات بها شحنات موجبة. وفي سنة 1911 كانت النظرية الذرية لرزرفورد عندما قال أن الذرة تتكون من قلب مكثف له شحنة موجبة من البروتونات protons حوله طوق من الإلكترونات السالبة تدور حول النواة.

وفي سنة 1932 اكتشف جيمس تشادويك نوعا ثالثا من جسيمات الذرة أطلق عليه نيوترونات Neutrons. وأن النترونات تفقد تنافر البروتونات المتشابهة الشحتة الكهربائية بالنواة المتماسكة. والنيوترونات حجمها نفس حجم البروتونات بالنواة. والنترونات لاتحمل شحنات كهروبائية ،لأنها متعادلة الشحنات. والذرة متعادلة الشحنة لأن عدد البروتونات الموجبة يعادل عدد الإلكترونات السالبة داخل الذرة. وأصغر ذرة هي ذرة الهيدروجين. ومعظم الفراغ بالذرة فارغ. لأن الإلكترونات تدور قي مدارات بعيدة نسبيا من النواة. وكل عنصر من العناصر المختلفة تتميز عن غبرها من العناصر بعدد ثابت من البروتونات ولكل ذرة عتصر ما، وزنها الذري الذي يعين حسب عدد البروتونات وعدد النيوترونات بنواتها. ويجب أن نعرف أن حجم الذرة ضئيل جداً. فذرة الهيدروجين قطرها (5 x 10-8 mm). فلو وضعنا 20 مليون ذرة هيدروجين, فستشكل جطا طوله واحد ملليمتر. وذرة الهيدروجين تتكون من بروتون واحد والكترون واحد . وذرة الهيليوم بها 2 بروتون يدور حولها 2 إلكترون. وبصفة عامة نجد أن كل ذرة لها قلب يسمي النواة a nucleus التي تشكل كتلة الذرة تقريبا، إلا أنها تشغل حيزا صغيرا من حجم الذرة نفسها. لأن معظم الذرة فراغ حول النواة . وبالنواة يوجد جسيمات أصغر هي البروتونات protons موجبة الشحنات والنيوترونات neutrons متعادلة الشحنات. ويدور بالفراغ حول النواة جسيمات خفبفة جدا تسمي الإلكترونات electrons. وكل عنصر بذرته عدد ثابت ومتشابه من البروتونات بالنواة . فعنصر الأكسجين بنواته 8 بروتونات . والنترونات لا تحمل شحنات كهروبائية ز وليس بالضرورة ذرة كل عنصر تحمل عددا ثابتا من البروتونات. فلو ذرات عنصر ما تحمل عددا مختلفا من الروتونات يطلق عليها نظائر مشعة isotopes من العنصر الواحد. والإلكترونات جسبمات سلبية الكهربائية ندور في الفراغ حول النواة . وكتلة الإلكترون تعادل 1/2000 كتلة البروتون أو النيوترون. والتفاعل أو الإتحاد بين ذرات العناصر يتم بين ترابط الإلكترونات لتكوين الجزيئات أو المركبات الكيماوية. لهذا نجد العدد الذري لكل ذرة يدل علي عدد البروتونات بنواة ذرة العنصر. فالأكسجين عدده الذري 8. وهذا معناه أن ذرة الأكسجين تتكون من 8 بروتونات والرقم الذري للنحاس 29 وهذا معناه أن ذرة عنصر النحاس نواتها بها 29 بروتون. وكتلة الذرة نجدها مجموع عدد البروتونات والنترونات بالنواة. لأن 99,99% من كتلة الذرة في النواة. فأمكن من خلال التعرف علي مكنونات الذرة علي تفسيرات للنماذج المتكررة بالجدول الدوري. فوجد العلماء أن العناصر في مجموعة واحدة من الجدول تمتلك نفس العدد من الإلكترونات الخارجية بمدارات الذرة. وكانت الجسيمات لم تكن قد أكتشفت عندما وضع العلماء الجداول الدورية الأولي. وحديثنا السابق كان حول الذرة المتعادلة الشحنات كهربائيا. لكن في الحقيقة الذرات يمكنها فقدان أو اكتساب الكترونات سالبة . لكن عدد البروتونات لايتغير بالنواة . فلو اكتسبت الذرة الكترونات تصبح الذرة سالبة الشحنة لأن عدد الإلكترونات تزيد علي عدد البروتونات بالنواة ..ولو فقدت الذرة الكترونات تصبح الذرة موجبة الشحنة لأن عدد البروتونات بالنواة يزيد علي عدد الإلكترونات . وكل ذرة لها شجنة تسمي ايون an ion فالهيدروجين الموجب الشجنة يسمي ايون الهيدروجين الموجب وتوضع فوق رمزه علامة (+ ) ويكتب هكذا H+ ولو كان أيون ذرة الهيدروجين سالب الشحنة يكتب هكذا( H- ) ولو كانت الذرة متعادلة تكتب بدون علامة( + أو - ) وتكتب الذرة هكذا(H ).وفي الحالات الثلاثة للذرة نجد أن العدد الذري والوزن الذري ثابت . وفي النظائر isotopes للعنصر نجد أن عدد البروتونات يتغير حسب نظير العنصر. لهذا نجد أن نظير العنصر يتغير في الوزن الذري الذي هو مجموع عدد البروتونات والنترونات ، وليس في العدد الذري الذي هو عدد البروتونات. فالنظير لعنصر نجده ثابتا في العدد الذري ومختلفا في الوزن الذري. فالهيدروجين عدده الذري 1 ووزنه الذري 1 والديوتريوم Deuterium نظير الهيدروجين نجد عدده الذري 1 ووزنه الذري 2 .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

نظرية رذرفورد النووية

افترض رذرفورد عام 1911 نموذجا نوويا للذرة وأساس هذا النموذج هو أن الذرة تتكون من جسيم صغير وثقيل ذو شحنة موجبة ويسمى النواة ويحتل مركز الذرة وتحتوي نواة الذرة على جميع البروتونات ولذا فان كتلة الذرة هي تعبير عن مجموع كتل البروتونات في نواتها (حيث أن قيمة كتل الاليكترونات صغيرة جدا اى قيم مهملة ) . كما أن شحنة النواة الموجبة ترجع إلى تمركز البروتونات الموجبة بها . وتتوزع اليكترونات الذرة حول النواة بنفس الطريقة التي تتوزع بها الأجرام السماوية حول الشمس . وبما أن الذرة متعادلة لذا فعدد الاليكترونات السيارة يساوي لعدد البروتونات بالنواة.

دلت دراسات اكس على أن قطر النواة يساوي 15-10 متر بينما قطر الذرة يساوي 10-10 متر ولذا فقطر النواة يساوي تقريبا 1000/1 من قطر الذرة . فلو قدرات نواة ذرة الهيدروجين بحجم كرة تنس الطاولة فيمكن أن يبتعد عنها إليكترونها بثلاثة كيلومترات تقريبا . اغلب الفراغ المحيط بنواة الذرة خال من إي شئ سوى الاليكترونات المتناهية في الصغر كما ذكرنا مسبقا وبما أن هذه الاليكترونات تدور حول النواة بسرعة كبيرة جدا لذا فهي تغطي أغلب المساحة الواقعة حول النواة.

تجارب راذرفورد

قام العالم راذرفورد بإجراء بعض من ابرز التجارب للوصول إلى حقائق تركيب الذرة . وقد اعتمد في تجارية على استخدام جسيمات ألفا المنطلقة من مادة مشعة وفي اعتقاده أن المادة المشعة تطلق إشعاعاتها في كافة الاتجاهات وبلا حدود وهي تتكون من جسيمات ألفا (œ-particles) الموجبة الشحنة وجسيمات بيتا (ß-particles) السالبة الشحنة وأشعة جاما (ｙ-rays) المتعادلة الشحنة . ويمكن اعتبار جسيمات ألفا تحمل على أنها ذرات للهليوم فقد منها إليكترونين ولذا فان جسيمات ألفا تحمل شحنتين موجبتين ولها كتلة تساوي أربعة مرات كتلة ذرة الهيدروجين .

لقد سمح راذرفورد لحزمة رقيقة للغاية من جسيمات ألفا من مصدر مشع كعنصر البولونيوم بالمرور في اتجاه صفيحة معدنية رقيقة من الفضة أو الذهب لايتعدي سمكها4X10-7 متر وبعد اختراق تلك الجسيمات الصفيحة المعدنية استقبلها على لوح من كبرتيد الخارصين موضوع خلفها .

ولقد وجد بان معظم الجسيمات قد مرت خلال الصفيحة المعدنية دون أن تعاني أي انحراف ألا أن البعض منها قد انحرف عن مساره وبزوايا قد تصل إلى 90ْ أو اكبر من ذلك والبعض الآخر قد انعكس كليا مما يدل على أنها واجهت شيئا ما ضخما للغاية اى أنة مشحونا بنفس شحنتها .

أن الطريقة الوحيدة التي مكنت راذرفورد من تفسير واقعة مرور معظم الجسيمات بسهولة عبر الرقيقة والانحراف الذي عاناه البعض بزوايا كبيرة للغاية هي الاستنتاج بان :

أولا : عدم انحراف اغلب الجسيمات دليل على وجود فراغ كبير في الذرة .

ثانيا : انحراف بعض جسيمات ألفا انحرافا بسيطا يدل على احتواء الذرة بعض الجسيمات الثقيلة والمشحونة بشحنات موجبة وان جسيمات ألفا تكون قد اقترب منها مما يسبب في تنافر بسيط معها وبالتالي كان سببا في ذلك الانحراف

ثالثا: الانحراف الكبير الذي عانته القلة البسيطة من جسيمات ألفا سببة تمركز الجسيمات الموجبة الشحنة بالذرة في وسطها مما سبب الانحراف الكلى لجسيمات ألفا المارة بمركز النواة .

نظرية دالتون الذرية

يعتبر الانجليزي جون دالتون أباً للكيمياء الحديثة وذلك بعد أن أقترح نظرية الذرية للمادة في حوالى عام 1803م. أن مفهوم الذرة (غير قابلة للتجزئة) لم يبدأ مع دالتون ولكن مع علماء الاغريق قبل الميلاد والذين أوضحوا عدم امكانية تقسيم المادة إلى الابد إلى اجزاء اصغر فاصغر وانه في نهاية المطاف يجب ان تكون هنالك جسيمات غير قابلة للتجزئة. لم تكن هذه الاقتراحات القديمة مبنية على نتائج تجارب علمية وإنما كانت ثمار تفكير عميق . تختلف نظرية دالتون عن ذلك كونها تعتمد على قوانين بقاء الكتلة والنسب الثابتة والتي اشتقت من العديد من الاستنتاجات المباشرة . يمكن التعبير عن النظرية التي اقترحها بالاتي :

1- تتكون المادة من العديد من الجسيمات الغير قابلة للتجزئة تسمى الذرات. يعتبر الانجليزي جون دالتون أباً للكيمياء الحديثة وذلك بعد أن أقترح نظرية الذرية للمادة في حوالى عام 1803م. أن مفهوم الذرة (غير قابلة للتجزئة) لم يبدأ مع دالتون ولكن مع علماء الاغريق قبل الميلاد والذين أوضحوا عدم امكانية تقسيم المادة إلى الابد إلى اجزاء اصغر فاصغر وانه في نهاية المطاف يجب ان تكون هنالك جسيمات غير قابلة للتجزئة. لم تكن هذه الاقتراحات القديمة مبنية على نتائج تجارب علمية وإنما كانت ثمار تفكير عميق . تختلف نظرية دالتون عن ذلك كونها تعتمد على قوانين بقاء الكتلة والنسب الثابتة والتي اشتقت من العديد من الاستنتاجات المباشرة . يمكن التعبير عن النظرية التي اقترحها بالاتي :

1- تتكون المادة من العديد من الجسيمات الغير قابلة للتجزئة تسمى الذرات.

2- تتميز كل ذرات العنصر بنفس الخواص ( الحجم ، الشكل ، الكتلة ) والتي تختلف باختلاف العناصر .

3- يحدث التفاعل الكيميائي عند تبديل وضعية الذرات وتحويلها من منظومة لاخري.

لقد أثبتت نظرية دالتون نجاحها من خلال تفسيرها لبعض الحقائق القائمة في ذلك الزمان كما انها استطاعت ايضا التنبؤ ببعض القوانين الغير مكتشفة :

اولا : تتضمن هذه النظرية قانون حفظ الكتلة حيث ان التفاعل الكيميائى لايفعل شيئا سوى اعادة توزيع الذرات ولم تفقد اي ذرة في هذة المنظومة وبالتالي تظل الكتلة ثابتة عند حدوث التفاعل الكيميائى .

ثانيا : تفسر هذه النظرية قانون النسب الثابتة . افترض ان مادة ما تتكون من عنصرين A و B. وان اي جزيئي من هذه المادة يتكون من ذرة واحدة منA وذرة واحدة من B يعرف الجزيئى بانة مجموعه ذرات مترابطة مع بعضها بقوة تسمح لها بالتصرف او اعادة التنظيم كجسيم واحد. افترض ايضا ان كتلة الذرة A تكون ضعف كتلة الذرة B وبالتالى فان الذرة A تساهم بضعف الكتلة التي تساهم بها الذرة B في تكوين جزيئى واحد من هذه المادة الامر الذي يعني ان نسبة كتلة الذرة Aالى الذرة B هي 2/1 .

اما اذا اخذنا مجموعة كبيرة من جزيئات هذة المادة فاننا نجد دائما ان عدد ذرات Aمتساويا لعدد ذرات B الامر الذي يعني انة بغض النظر عن حجم العينة فاننا دائما نحصل على نسبة كتلة Aالى B تساوي 2/1 . بالمثل اذا فاعلنا A مع B لنحصل على هذا الجزيئى فنجد ان اي ذرة من A تتحد مع ذرة واحدة منB اما اذا خلطنا 100 ذرة من A مع 110 ذرة من B فنجد انة قد تبقت 10 ذرات من Bغير متفاعلة بعد اكتمال التفاعل.

ثالثا : لقد تنبأت نظرية دالتون بقانون النسب المتضاعفة الذي يقول : عند تكوين مركبين مختلفين من نفس العنصرين فان كتلتي احد العنصرين اللتان تتفاعلان مع كتلة ثابتة من العنصر الاخر تكونان في شكل نسبة عددين بسيطين وصحيحين . قد يظهر هذا القانون وكانة اكثر تعقيدا من حقيقتة . دعنا نتحدث عن مركبين يتكونان من عنصري الأكسجين والكربون . اذا وجدنا في احدهما ( اول اكسيد الكربون ) ان 1.33 جم من الاكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون بينما وجدنا في الاخر ( ثاني اكسيد الكربون ) ان 2.66 جم من الاكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون فان نسبة كتلتي الاكسجين 2.66جم/1.33جم اللتان تتحدان مع كتلة ثابتة من الكربون 1.00 جم تكون في شكل عددين صحيحين :

تتفق هذه النسبة مع النظرية الذرية حيث ان اول أكسيد الكربون يحتوي على ذرة واحدة كربون تكون متحدة مع ذرة واحدة من الاكسجين بينما نجد ان ثاني اكسيد الكربون يحتوي ذرة كربون واحدة تكون متحدة مع ذرتين من الأكسجين . نسبة لان ثاني اكسيد الكربون ضعف ذرات الاكسجين المتحدة مع ذرة الكربون مثلما لأول أكسيد الكربون فان وزن الاكسجين في جزيئى ثاني اكسيد الكربون يجب ان يكون ضعف وزن الاكسجين في جزيئى اول اكسيد الكربون.

نظرية الكم لپلانك