الذرات هي الوحدات الأساسية للمادة والهيكل المحدد للعناصر. مصطلح "ذرة" يأتي من الكلمة اليونانية "غير قابلة للتجزئة" ، لأنه كان يُعتقد ذات مرة أن الذرات هي أصغر الأشياء في الكون ولا يمكن تقسيمها. نحن نعلم الآن أن الذرات تتكون من ثلاثة جسيمات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات - والتي تتكون من جزيئات أصغر ، مثل الكواركات.
تم إنشاء الذرات بعد الانفجار العظيم قبل 13.7 مليار سنة. مع برودة الكون الجديد الكثيف الحار ، أصبحت الظروف مناسبة لتشكيل الكواركات والإلكترونات. اجتمعت الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات ، وقد اجتمعت هذه الجسيمات في نوى. حدث هذا كله خلال الدقائق القليلة الأولى من وجود الكون ، وفقًا لـ CERN.
استغرق الكون 380 ألف سنة ليبرد بما يكفي لإبطاء الإلكترونات حتى تتمكن النوى من التقاطها لتشكيل الذرات الأولى. كانت الذرات الأولى هي الهيدروجين والهيليوم في المقام الأول ، والتي لا تزال أكثر العناصر وفرة في الكون ، وفقًا لمختبر جيفرسون. تسببت الجاذبية في نهاية المطاف في اندماج سحب الغاز وتشكيل النجوم ، وتم إنشاء (وما زالت) ذرات أثقل داخل النجوم وإرسالها في جميع أنحاء الكون عندما انفجر النجم (المستعر الأعظم).
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 نصف قطر سحابة الإلكترون 10000 مرة أكبر من النواة ، وفقًا لمختبر لوس ألاموس الوطني.
للبروتونات والنيوترونات نفس الكتلة تقريبًا. ومع ذلك ، فإن بروتونًا واحدًا أكبر بـ 1835 مرة من الإلكترون. تحتوي الذرات دائمًا على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات ، وعادة ما يكون عدد البروتونات والنيوترونات هو نفسه أيضًا. إن إضافة بروتون إلى ذرة يجعل عنصرًا جديدًا ، في حين أن إضافة نيوترون يجعل النظائر ، أو نسخة أثقل ، من تلك الذرة.
نواة
تم اكتشاف النواة في عام 1911 من قبل إرنست رذرفورد ، فيزيائي من نيوزيلندا. في عام 1920 ، اقترح روثرفورد اسم بروتون للجسيمات الموجبة الشحنة من الذرة. كما افترض أن هناك جسيمًا محايدًا داخل النواة ، والذي تمكن جيمس شادويك ، وهو فيزيائي بريطاني وطالب من رذرفورد ، من تأكيده في عام 1932.
تقريبا كل كتلة الذرة موجودة في نواتها ، وفقا لـ Chemistry LibreText. البروتونات والنيوترونات التي تتكون منها النواة هي نفس الكتلة تقريبًا (البروتون أقل قليلاً) ولها نفس الزخم الزاوي ، أو الدوران.
النواة متماسكة معًا بقوة قوية ، إحدى القوى الأربع الأساسية في الطبيعة. تتغلب هذه القوة بين البروتونات والنيوترونات على القوة الكهربائية البغيضة التي كانت ستدفع البروتونات إلى بعضها ، وفقًا لقواعد الكهرباء. بعض النوى الذرية غير مستقرة لأن قوة الربط تختلف باختلاف الذرات بناءً على حجم النواة. ثم تتحلل هذه الذرات إلى عناصر أخرى ، مثل تحلل الكربون 14 إلى النيتروجين 14.
البروتونات
البروتونات هي جسيمات موجبة الشحنة موجودة داخل النوى الذرية. اكتشفها رذرفورد في تجارب مع أنابيب أشعة الكاثود أجريت بين عامي 1911 و 1919. تبلغ البروتونات حوالي 99.86٪ من الكتلة مثل النيوترونات.
عدد البروتونات في الذرة فريد لكل عنصر. على سبيل المثال ، تحتوي ذرات الكربون على ستة بروتونات ، وذرات الهيدروجين واحدة وذرات الأكسجين ثمانية. يشار إلى عدد البروتونات في الذرة باسم العدد 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 "أعلى" (كل منهما له شحنة موجبة بثلثي) وكوارك "سفلي" (مع شحنة سالبة ثلث) - ويتم الاحتفاظ بها معًا بواسطة جزيئات دون ذرية أخرى تسمى gluons ، وهي عديمة الكتلة.
الإلكترونات
الإلكترونات صغيرة جدًا مقارنة بالبروتونات والنيوترونات ، أصغر بـ 1800 مرة من البروتون أو النيوترون. الإلكترونات حجمها حوالي 0.054٪ مثل النيوترونات ، وفقًا لمختبر جيفرسون.
اكتشف عالم الفيزياء البريطاني جوزيف جون (JJ) طومسون الإلكترون في عام 1897 ، وفقًا لمعهد تاريخ العلوم. تُعرف الإلكترونات في الأصل باسم "الجسيمات" ، لها شحنة سالبة تنجذب كهربائيًا إلى البروتونات المشحونة إيجابياً. تحيط الإلكترونات بالنواة الذرية في مسارات تسمى المدارات ، وهي الفكرة التي طرحها الفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر في عشرينيات القرن العشرين. اليوم ، يُعرف هذا النموذج باسم النموذج 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.
النيوترونات
وفقًا لجمعية الفيزيائيين الأمريكية ، اكتشف رذرفورد وجود النيوترون في عام 1920 واكتشفه تشادويك في عام 1932. تم العثور على النيوترونات أثناء التجارب عندما تم إطلاق الذرات على ورقة رقيقة من البريليوم. تم إطلاق الجسيمات دون الذرية بدون شحنة - النيوترون.
النيوترونات هي جسيمات غير مشحونة توجد في جميع النوى الذرية (باستثناء الهيدروجين). تكون كتلة النيوترون أكبر قليلاً من كتلة البروتون. مثل البروتونات ، تتكون النيوترونات أيضًا من الكواركات - كوارك "علوي" (مع شحنة موجبة 2/3) وكواركين "هابطين" (لكل منهما شحنة ثلث سلبية).
تاريخ الذرة
تعود نظرية الذرة إلى ما لا يقل عن 440 قبل الميلاد. لديموقريطس ، عالم وفيلسوف يوناني. من المرجح أن ديموقريطس بنى نظريته للذرات على عمل الفلاسفة السابقين ، وفقًا لأندرو ج. فان ميلسن ، مؤلف كتاب "من أتوموس إلى أتوم: تاريخ مفهوم الذرة" (مطبعة جامعة دوكين ، 1952).
يبدأ تفسير ديموقريطس للذرة بحجر. قطع الحجر إلى النصف يعطي نصفين من نفس الحجر. إذا كان سيتم قطع الحجر باستمرار ، في مرحلة ما سيكون هناك قطعة من الحجر صغيرة بما يكفي بحيث لم يعد من الممكن قطعها. يأتي مصطلح "ذرة" من الكلمة اليونانية "غير قابلة للتجزئة" ، والتي استنتجها ديموقريطوس يجب أن تكون النقطة التي لا يمكن فيها تقسيم كائن (أي شكل من أشكال المادة) بعد الآن.
تضمن شرحه الأفكار التي تتحدث عن وجود الذرات بشكل منفصل عن بعضها البعض ، وأن هناك كمية لا حصر لها من الذرات ، وأن الذرات قادرة على الحركة ، ويمكنها أن تتحد معًا لخلق المادة ولكن لا تندمج لتصبح ذرة جديدة ، وأنهم لا يمكن تقسيمها ، وفقًا لـ Universe Today. ومع ذلك ، لأن معظم الفلاسفة في ذلك الوقت - خاصةً أرسطو المؤثر جدًا - اعتقدوا أن كل المادة تم إنشاؤها من الأرض والهواء والنار والماء ، تم وضع النظرية الذرية لديموقريطس جانباً.
جون دالتون ، كيميائي بريطاني ، بنى على أفكار ديموقريطس في عام 1803 عندما طرح نظريته الذرية ، وفقًا لقسم الكيمياء في جامعة بوردو. تضمنت نظرية دالتون عدة أفكار من ديموقريطس ، مثل الذرات غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتلف ، وتتشكل الذرات المختلفة معًا لخلق كل المادة. تضمنت إضافات دالتون للنظرية الأفكار التالية: أن جميع ذرات عنصر معين متطابقة ، وأن ذرات عنصر واحد سيكون لها أوزان وخصائص مختلفة عن ذرات عنصر آخر ، ولا يمكن إنشاء الذرات أو تدميرها ، وأن المادة تتكون من تجمع الذرات بأعداد صحيحة بسيطة.
أثبت طومسون ، الفيزيائي البريطاني الذي اكتشف الإلكترون في عام 1897 ، أنه يمكن تقسيم الذرات ، وفقًا لمؤسسة التراث الكيميائي. تمكن من تحديد وجود الإلكترونات من خلال دراسة خصائص التفريغ الكهربائي في أنابيب الأشعة الكاثودية. وفقًا لورقة طومسون عام 1897 ، انحرفت الأشعة داخل الأنبوب ، مما أثبت أن هناك شيئًا مشحونًا بشكل سلبي داخل الأنبوب المفرغ. في عام 1899 ، نشر طومسون وصفًا لروايته للذرة ، والمعروفة باسم "نموذج بودنغ البرقوق". تم العثور على مقتطف من هذه الورقة على موقع Chem Team. اشتمل نموذج طومسون للذرة على عدد كبير من الإلكترونات المعلقة في شيء أنتج شحنة موجبة تعطي الذرة شحنة محايدة إجمالية. كان نموذجه يشبه حلوى البرقوق ، وهي حلوى بريطانية شهيرة علقت الزبيب في كرة مستديرة تشبه الكعكة.
العالم التالي الذي قام بتعديل وتطوير النموذج الذري كان رذرفورد ، الذي درس تحت 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 روثرفورد ومساعدوه جسيمات ألفا على صفائح رقيقة من الذهب. يتكون جسيم ألفا من بروتون ونيوترون ، كلهما متماسكان بنفس القوة النووية القوية التي تربط النواة ، وفقًا لمختبر جيفرسون.
لاحظ العلماء أن نسبة صغيرة من جسيمات ألفا كانت مبعثرة في زوايا كبيرة جدًا إلى الاتجاه الأصلي للحركة بينما مرت الغالبية من خلال إزعاج بالكاد. كان رذرفورد قادرًا على تقدير حجم نواة ذرة الذهب تقريبًا ، حيث وجد أنها أصغر بـ 10000 مرة على الأقل من حجم الذرة بأكملها مع كون معظم الذرة عبارة عن مساحة فارغة. لا يزال نموذج رذرفورد للذرة هو النموذج الأساسي المستخدم اليوم.
عزز العديد من العلماء الآخرين النموذج الذري ، بما في ذلك Niels Bohr (المبني على نموذج Rutherford لتضمين خصائص الإلكترونات على أساس طيف الهيدروجين) ، Erwin Schrödinger (طور النموذج الكمي للذرة) ، Werner Heisenberg (ذكر أنه لا يمكن للمرء معرفة كل من موقع وسرعة الإلكترون في وقت واحد) ، وموراي جيل مان وجورج زويغ (طوروا بشكل مستقل النظرية القائلة بأن البروتونات والنيوترونات تتكون من الكواركات).
