تعريف الذرّة
تعرف الذرة (بالإنجليزية: Atom) بأنها أصغر شيء يمكن الحصول عليه في المادة عند تجزيئها، وهي متعادلة الشحنة؛ وإذا تمّت تجزئة الذرة فإن أجزاءها ستمتلك شحنة كهربائية، والذرة أيضاً هي حجر الأساس في الكيمياء، وهي أصغر مكوّنٍ في المادة يمكن أن يُظهِر خصائص كيميائيّة.
ووفقًا لعلم الذرة، تُعدّ الذرات هي المكون الأساسي لجميع المواد الموجودة في الكون، فكلّ عنصر موجود في الجدول الدوري يمتلك تركبيه الذري الفريد والمختلف عن باقي العناصر، فلكل عنصر خصائصه الفيزيائية المميّزة له اعتماداً على كتلته الذريّة، وقد مرت الذرة بالكثير من مراحل الدراسة حتى وصل العلماء لما نعرفه اليوم .
مكونات الذرّة
عند النظر بشكل أدقّ إلى الذرة نفسها، فإنه بالإمكان التعرف على مكوناتها؛ فهي تتكون من بروتونات موجبة الشحنة، ونيوترونات متعادلة الشحنة، وإلكترونات سالبة الشحنة، وما يحدد عدد كلٍّ منها هو نوع العنصر. وفيما يأتي بيان لكلّ مكوّن من مكوّنات الذرة:
البروتونات
البروتون (بالإنجليزية: Proton) هو جسيم دون ذريٍّ يمتلك شحنة موجبة مساوية لمقدار شحنة الإلكترون، وفيما يأتي أبرز خصائصه:
- تبلغ كتلته 1.67262×10كغ، وهي تساوي 1836 ضعف كتلة الإلكترون.
- عدد البروتونات هو العدد الذي يمثل العدد الذري للعنصر، وهو أيضاً ما يحدد ترتيب العناصر في الجدول الدوري.
- ساد اعتقاد حتى وقتٍ متأخر من القرن العشرين حول أنّ البروتون جسيم أوّلي؛ أي لا يوجد شيء داخله ولا يمكن تقسيمه، حيث قام علماء فيزياء الجسيمات الأولية بالكشف عن تركيب البروتونات، وتم تصنيفها ضمن الباريونات (بالإنجليزية: Baryons)، والباريونات عبارة عن جسيمات تتكون بشكلٍ أساسي من ثلاث جسيمات أولية تُعرَف بالكواركات (بالإنجليزية: Quarks).
النيوترونات
النيوترون (بالإنجليزية: Neutron) هو جسيم دون ذري موجود في أنوية جميع العناصر ما عدا الهيدروجين العادي؛ إذ إنّ نواته تحوي على بروتون واحد فقط، وفيما يأتي أبرز خصائص النيوترونات:
- النيوترونات لا تمتلك شحنة كهربائية.
- كتلتها تبلغ 1.67493×10كغ؛ أي أنّه أثقل من البروتون بقليل، وهو ما يعادل ضعف كتلة الإلكترون بـ 1839 مرّةً.
- تُعرَف البروتونات والنيوترونات بالنيوكليونات (بالإنجليزية: Nucleons)؛ لأنهما محصوران في الحيز الضيق والكثيف الذي يمثل 99.9% من كتلة الذرة والمعروف بالنواة.
- كما هو الحال بالنسبة للبروتون، فإن النيوترون ظل يُعدّ جسيماً أولياً حتى أنهى هذا الاعتقاد علماء فيزياء الجسيمات في نهاية القرن الماضي.
- مثل البرتونات، فإن النيترونات تعدّ من مجموعة الباريونات التي تحتوي على ثلاثة كواركات، ومن الجدير بالذكر أيضاً أنها ما يحافظ على تماسك النواة على الرغم من عدم وجود جسيمات سالبة داخلها، بل فقط جسيمات متعادلة وموجبة هو ما يُعرَف بالقوى النووية القوية التي تفوق قوة تنافر البروتونات الموجبة مع بعضها البعض، وتحافظ على تماسك النواة.
الإلكترونات
الإلكترونات (بالإنجليزية: Electron) هي جسيمات دون ذرية تحمل شحنة سالبة أساسية، وتُعدّ من الجسيمات الأولية، وفيما يأتي أبرز خصائص الإلكترونات:
- لا تحتوي على مكونات داخلها، ولا يمكن تجزيئها.
- لا يوجد ما هو أخفّ منها في الذرة.
- تبلغ كتلة الإلكترون 9.10938356×10 كغ، وهذه الكتلة لا يتم احتسابها عند حساب كتلة الذرة لصغرها الشديد.
- توجد الإكترونات حول الأنوية، وتكون موزَّعة في مستويات الطاقة المختلفة، وعند نزع إلكترون من مداره حول نواة فإن الذرة تصبح مُتأيِّنةً، وتُسمّى أيوناً.
- يمكن للإكترونات أن توجد بشكلٍ حر جنباً إلى جنب مع الأيونات في حالة المادة المعروفة بالبلازما.
- في تصنيف علماء الجسيمات الأولية، فإن الإلكترونات تقع ضمن مجموعة الفيرميونات (بالإنجليزي: Fermions)، ويتم وصف سلوكها عن طريق إحصاء فيرمي ديراك.
- تمّ اكتشاف الإلكترون بواسطة العالم طومسون الابن (بالإنجليزية: J.J. Thomson) أثناء دراسته لأشعة المهبط، وقد ساهم هذا الاكتشاف كثيراً في فهم التركيب الذري.
- بما أن النواة موجبة الشحنة الكهربائية، والإلكترونات التي تدور حولها سالبة الشحنة فهذا يعني وجود قوة كهرباية متبادلة بين النواة والإلكترونات تجذب الإلكترونات نحو النواة.
النموذج الذري
تتشكل معظم المواد من جزيئات، وإن فصل هذه الجزيئات عن بعضها البعض سهل نوعاً ما، إذ تتكون الجزيئات من ذرات ترتبط ببعضها بروابط كيميائية، مما يجعل فصلها أصعب، وكل ذرة تتكوّن من إلكترونات ونواة يرتبطان ببعضهما البعض بقوة كهربائية، وبالتالي يتطلب فصلهما عن بعضهما البعض إكساب الإلكترونات طاقة كبيرة حتى تتمكّن من الإفلات والخروج من مداراتها.
وتُعدّ الإلكترونات والنيوكليونات (البرتونات والنيترونات) جسيمات دون ذرية طويلة العمر نسبياً؛ أي أنّ اضمحلالها يستغرق وقتاً طويلاً نسبياً على عكس الجسيمات دون الذرية الأخرى، إذ يتطلب الحصول عليها طاقة عالية جداً وما تلبث إلا فترةً قصيرةً حتى تضمحلّ إلى جسيمات أخرى أكثر استقراراً، وهي التي تشكل نماذج الذرة، حيث تم تطوير نموذج الذرة فيما بعد من خلال اكتشاف العلماء أكثر لمكوناتها .
الخصائص الرئيسية للذرات
توجد العديد من الخصائص المهمّة للذرات، وهي التي تحدد صفاتها وسلوكها، ومن هذه الخصائص:
العدد الذري
يُعدّ العدد الذري (بالإنجليزية: Atomic Number) من أهمّ خصائص الذرات؛ إذ يمثّل عدد الشحنات الموجبة الموجودة في النواة؛ أي البروتونات، وهو أيضاً عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة، وكمثال على ذلك: العدد الذري لعنصر الكربون هو 6، بينما العدد الذريّ لعنصر اليورانيوم هو 92، وبما أن عدد الإلكترونات يرتبط بالتفاعلات الكيميائية، فإنّ العدد الذري مهم جداً عند الحديث عن التفاعلات الكيميائية.
الكتلة الذرية
يُؤثّر عدد النيوترونات في النواة على كتلة الذرة (بالإنجليزية: Atomic Mass)، لكنّه لا يؤثر على خصائصها الكيميائية، فعلى سبيل المثال ذرة الكربون التي تحتوي على 6 بروتونات و6 نيوترونات سوف تمتلك الخصائص الكيميائية ذاتها لنظير الكربون الذي يمتلك 6 بروتونات و8 نيوترونات، والفرق سيكون فقط في كتلة كلٍّ من النظيرين، بينما يُمثّل العدد الكتلي لأي ذرّةٍ حاصل مجموع عدد كلٍّ من البروتونات والنيوترونات.
