ما هي الذرة؟ حقائق عن اللبنات الأساسية للكون

بالعربي/ تتكون الذرات من نواة وبروتونات وإلكترونات.

الذرات هي الوحدات الأساسية للمادة. وفقًا لجامعة نورث وسترن ، فإن كل شيء في الكون باستثناء الطاقة مصنوع من المادة ، وبالتالي فإن الذرات تشكل كل شيء في الكون . يأتي مصطلح “الذرة” من الكلمة اليونانية التي تعني غير قابل للتجزئة ، لأنه كان يُعتقد في السابق أن الذرات هي أصغر الأشياء في الكون ولا يمكن تقسيمها. نحن نعلم الآن أن الذرات تتكون من ثلاثة جسيمات تعرف باسم الجسيمات دون الذرية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات – والتي تتكون من جسيمات أصغر ، مثل الكواركات .

تشكلت الذرات بعد الانفجار العظيم قبل 13.7 مليار سنة. مع برودة الكون الجديد الكثيف الحار ، أصبحت الظروف مناسبة لتكوين الكواركات والإلكترونات. اجتمعت الكواركات معًا لتشكيل البروتونات والنيوترونات ، وتم دمج هذه الجسيمات في نوى. حدث كل هذا خلال الدقائق القليلة الأولى من وجود الكون ، وفقًا لـ CERN .

استغرق الكون 380 ألف سنة ليبرد بدرجة كافية لإبطاء الإلكترونات حتى تتمكن النوى من التقاطها لتشكيل الذرات الأولى. كانت الذرات الأولى في المقام الأول هي الهيدروجين والهيليوم ، والتي لا تزال العناصر الأكثر وفرة في الكون ، وفقًا لمختبر جيفرسون . تسببت الجاذبية في نهاية المطاف في اندماج سحب الغاز وتشكيل النجوم ، وتم تكوين (ولا تزال) الذرات الأثقل داخل النجوم وإرسالها في جميع أنحاء الكون عندما انفجر النجم (سوبر نوفا).

الجسيمات الذرية

البروتونات والنيوترونات أثقل من الإلكترونات وتوجد في النواة في مركز الذرة. الإلكترونات خفيفة الوزن للغاية وتوجد في سحابة تدور حول النواة. يبلغ قطر السحابة الإلكترونية 10000 مرة أكبر من النواة ، وفقًا لمختبر لوس ألاموس الوطني .

البروتونات والنيوترونات لها نفس الكتلة تقريبًا. ومع ذلك ، فإن بروتون واحد أكبر بنحو 1835 مرة من كتلة الإلكترون. تحتوي الذرات دائمًا على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات ، وعادة ما يكون عدد البروتونات والنيوترونات هو نفسه أيضًا. تؤدي إضافة بروتون إلى ذرة إلى تكوين عنصر جديد ، بينما يؤدي إضافة نيوترون إلى إنشاء نظير أو نسخة أثقل من تلك الذرة.

نواة

تم اكتشاف النواة في عام 1911 من قبل إرنست رذرفورد ، وهو فيزيائي من نيوزيلندا ، وفقًا للمعهد الأمريكي للفيزياء . في عام 1920 ، اقترح رذرفورد اسم البروتون لجسيمات الذرة موجبة الشحنة. لقد افترض أيضًا أن هناك جسيمًا محايدًا داخل النواة ، والذي تمكن جيمس تشادويك ، الفيزيائي البريطاني وطالب رذرفورد ، من تأكيده في عام 1932.

تقبع كل كتلة الذرة تقريبًا في نواتها ، وفقًا لـ Chemistry LibreTexts . إن البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة هي نفس الكتلة تقريبًا (البروتون أقل قليلاً) ولها نفس الزخم الزاوي أو الدوران.

النواة مرتبطة ببعضها البعض من خلال القوة الشديدة ، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة. تتغلب هذه القوة بين البروتونات والنيوترونات على القوة الكهربية الطاردة التي قد تدفع البروتونات بعيدًا ، وفقًا لقواعد الكهرباء. بعض النوى الذرية غير مستقرة لأن قوة الربط تختلف باختلاف الذرات بناءً على حجم النواة. سوف تتحلل هذه الذرات بعد ذلك إلى عناصر أخرى ، مثل الكربون 14 الذي يتحلل إلى نيتروجين 14. 

البروتونات

البروتونات هي جسيمات موجبة الشحنة توجد داخل نواة الذرة. اكتشفها رذرفورد في تجارب مع أنابيب أشعة الكاثود التي أجريت بين عامي 1911 و 1919. تبلغ كتلة البروتونات حوالي 99.86٪ من كتلة النيوترونات وفقًا لمختبر جيفرسون. 

عدد البروتونات في الذرة فريد لكل عنصر. على سبيل المثال ، تحتوي ذرات الكربون على ستة بروتونات ، ولذرات الهيدروجين واحدة ، وتحتوي ذرات الأكسجين على ثمانية. يشار إلى عدد البروتونات في الذرة بالرقم الذري لهذا العنصر. يحدد عدد البروتونات أيضًا السلوك الكيميائي للعنصر. يتم ترتيب العناصر في الجدول الدوري للعناصر من أجل زيادة العدد الذري.

ثلاثة كواركات تشكل كل بروتون – كواركان “علويان” (كل منهما له شحنة موجبة ثلثي) وكوارك واحد “سفلي” (بشحنة سالبة الثلث) – ويتم ربطهما معًا بواسطة جسيمات دون ذرية أخرى تسمى الغلوونات ، التي هي عديمة الكتلة.

الإلكترونات

تعد الإلكترونات صغيرة جدًا مقارنة بالبروتونات والنيوترونات ، فهي أصغر بأكثر من 1800 مرة من البروتون أو النيوترون. تبلغ كتلة الإلكترونات حوالي 0.054٪ من كتلة النيوترونات ، وفقًا لمختبر جيفرسون. 

اكتشف جوزيف جون (JJ) طومسون ، الفيزيائي البريطاني ، الإلكترون في عام 1897 ، وفقًا لمعهد تاريخ العلوم . تُعرف في الأصل باسم “الجسيمات” ، للإلكترونات شحنة سالبة وتنجذب كهربائيًا إلى البروتونات موجبة الشحنة. تحيط الإلكترونات بالنواة الذرية في مسارات تسمى المدارات ، وهي الفكرة التي طرحها عالم الفيزياء النمساوي إروين شرودنجر في عشرينيات القرن الماضي. اليوم ، يُعرف هذا النموذج بالنموذج الكمي أو نموذج السحابة الإلكترونية. المدارات الداخلية المحيطة بالذرة كروية لكن المدارات الخارجية أكثر تعقيدًا.

يشير تكوين إلكترون الذرة إلى مواقع الإلكترونات في ذرة نموذجية. باستخدام تكوين الإلكترون ومبادئ الفيزياء ، يمكن للكيميائيين التنبؤ بخصائص الذرة ، مثل الثبات ونقطة الغليان والتوصيل ، وفقًا لمختبر لوس ألاموس الوطني .

نيوترونات

تم وضع نظرية وجود النيوترون من قبل رذرفورد في عام 1920 واكتشفها تشادويك في عام 1932 ، وفقًا لجمعية الفيزياء الأمريكية . تم العثور على النيوترونات أثناء التجارب عندما أطلقت الذرات على ورقة رقيقة من البريليوم . تم إطلاق الجسيمات دون الذرية بدون شحنة – النيوترون.

النيوترونات عبارة عن جسيمات غير مشحونة توجد داخل جميع النوى الذرية (باستثناء الهيدروجين). كتلة النيوترون أكبر بقليل من كتلة البروتون. مثل البروتونات ، تتكون النيوترونات أيضًا من كواركات – كوارك واحد “علوي” (بشحنة موجبة 2/3) واثنان كواركان “سفليان” (لكل منهما شحنة ثلث سالبة). 

تاريخ الذرة

تعود نظرية الذرة إلى عام 440 قبل الميلاد على الأقل إلى ديموقريطس ، العالم والفيلسوف اليوناني. من المرجح أن ديموقريطوس بنى نظريته عن الذرات على أعمال الفلاسفة السابقين ، وفقًا لأندرو جي فان ميلسن ، مؤلف كتاب “من Atomos to Atom: The History of the Concept Atom” (Duquesne University Press ، 1952). Advertisement

يبدأ تفسير ديموقريطس للذرة بحجر. الحجر المقطوع إلى النصف يعطي نصفين من نفس الحجر. إذا تم قطع الحجر بشكل مستمر ، فسيكون هناك قطعة من الحجر في مرحلة ما صغيرة بما يكفي بحيث لا يمكن قطعها مرة أخرى. يأتي مصطلح “الذرة” من الكلمة اليونانية التي تعني غير قابل للتجزئة ، والتي خلص ديموقريطوس إلى أنها يجب أن تكون النقطة التي لا يمكن عندها تقسيم الكائن (أي شكل من أشكال المادة) بعد الآن ، وفقًا لموقع Lumen Learning التعليمي . 

تضمن شرحه الأفكار التي مفادها أن الذرات موجودة بشكل منفصل عن بعضها البعض ، وأن هناك كمية لا حصر لها من الذرات ، وأن الذرات قادرة على الحركة ، ويمكنها أن تتحد معًا لتكوين المادة ولكن لا تندمج لتصبح ذرة جديدة ، وأنهم لا يمكن تقسيمها ، وفقًا لـ Universe Today . ومع ذلك ، نظرًا لأن معظم الفلاسفة في ذلك الوقت – وخاصة أرسطو ذو النفوذ الشديد – اعتقدوا أن كل المادة تتكون من الأرض والهواء والنار والماء ، فقد تم تنحية نظرية ديموقريطوس الذرية جانبًا.

جون دالتون ، الكيميائي البريطاني ، بنى على أفكار ديموقريطس في عام 1803 عندما طرح نظريته الذرية الخاصة ، وفقًا لقسم الكيمياء في جامعة بوردو . تضمنت نظرية دالتون العديد من الأفكار من ديموقريطس ، مثل أن الذرات غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتدمير وأن الذرات المختلفة تتشكل معًا لتكوين كل المادة. تضمنت إضافات دالتون للنظرية الأفكار التالية: أن جميع ذرات عنصر معين كانت متطابقة ، وأن ذرات عنصر ما لها أوزان وخصائص مختلفة عن ذرات عنصر آخر ، وأن الذرات لا يمكن تكوينها أو تدميرها وأن هذه المادة تتكون من تتحد الذرات في أعداد صحيحة بسيطة.

أثبت طومسون ، الفيزيائي البريطاني الذي اكتشف الإلكترون في عام 1897 ، أنه يمكن تقسيم الذرات ، وفقًا لمؤسسة التراث الكيميائي . كان قادرًا على تحديد وجود الإلكترونات من خلال دراسة خصائص التفريغ الكهربائي في أنابيب أشعة الكاثود. وفقًا لورقة طومسون عام 1897 ، فقد انحرفت الأشعة داخل الأنبوب ، مما أثبت وجود شيء سالب الشحنة داخل الأنبوب المفرغ. 

في عام 1899 ، نشر طومسون وصفًا لنسخته من الذرة ، والمعروفة باسم “نموذج حلوى البرقوق”. تم العثور على مقتطف من هذه الورقة على موقع Chem Team . تضمن نموذج طومسون للذرة عددًا كبيرًا من الإلكترونات المعلقة في شيء ينتج شحنة موجبة تعطي الذرة شحنة محايدة إجمالية. يشبه نموذجه حلوى البرقوق ، وهي حلوى بريطانية شهيرة تحتوي على زبيب معلق في كرة دائرية تشبه الكعكة.

العالم التالي الذي قام بتعديل النموذج الذري وتطويره كان رذرفورد ، الذي درس تحت إشراف طومسون ، وفقًا لقسم الكيمياء في جامعة بوردو. في عام 1911 ، نشر رذرفورد نسخته من الذرة ، والتي تضمنت نواة موجبة الشحنة تدور حول الإلكترونات. نشأ هذا النموذج عندما أطلق رذرفورد ومساعدوه جسيمات ألفا على صفائح رقيقة من الذهب. يتكون جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين ، وجميعهم مرتبطون معًا بنفس القوة النووية القوية التي تربط النواة ، وفقًا لمختبر جيفرسون. 

لاحظ العلماء أن نسبة صغيرة من جسيمات ألفا كانت مبعثرة بزوايا كبيرة جدًا لاتجاه الحركة الأصلي بينما مرت الغالبية من خلالها بصعوبة. كان رذرفورد قادرًا على تقريب حجم نواة ذرة الذهب ، ووجدها أصغر بمقدار 10000 مرة على الأقل من حجم الذرة بأكملها مع كون معظم الذرة مساحة فارغة. لا يزال نموذج رذرفورد للذرة هو النموذج الأساسي المستخدم اليوم. 

قام العديد من العلماء الآخرين بتعزيز النموذج الذري ، بما في ذلك نيلز بور (المبني على نموذج رذرفورد ليشمل خصائص الإلكترونات على أساس طيف الهيدروجين) ، إروين شرودنجر (طور النموذج الكمي للذرة) ، فيرنر هايزنبرج (ذكر أنه لا يمكن للمرء أن يعرف كلاهما. موقع وسرعة الإلكترون في وقت واحد) ، وموراي جيل مان وجورج زويج (طوروا بشكل مستقل نظرية أن البروتونات والنيوترونات تتكون من كواركات). 

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com