نماذج الذرات ورموزها

كانت هناك تشكيلة متنوعة من النماذج الذرية عبر تاريخ الفيزياء الذرية، والتي تشير في الأساس إلى فترة من بداية القرن التاسع عشر حتى النصف الأول من القرن العشرين، حيث تم استخدام نموذج نهائي للذرة في الوقت الحاضر، وعليه، سنقدم لكم في هذه الفقرة خمسة نماذج ذرية أساسية، تساهم كل منها بطريقة ما في إدراكنا لبنية الذرة نفسها، وتتمثل هذه النماذج في الآتي

نموذج دالتون

جون دالتون، مخترع الذرة، كان عالما إنجليزيا ووصل إلى فكرة نموذج دالتون للذرة التي تفترض وجود كرات صلبة صغيرة تتكون منها جميع المواد، وكانت أول محاولة شاملة لوصف الجسيمات التي تتألف منها المادة. وأطلق على هذه الجسيمات اسم “الذرات” واكتشف النظرية الذرية، حيث يدعي هذا النظرية أن

• كل المواد مصنوعة من الذرات.
• الذرات هي جزء من الطبيعة غير قابلة للتجزئة أو التدمير.
• جميع ذرات عنصر معين متطابقة في الكتلة والخصائص.
• تتكون المركبات من مزيج من نوعين أو أكثر من الذرات المختلفة.
• التفاعل الكيميائي هو إعادة ترتيب الذرات.

ومع ذلك، كانت هناك حاجة إلى تعديل بعض أجزاء نظريته بناءً على اكتشاف الجسيمات التي هي أصغر من الذرات، ولذلك تم اكتشاف نماذج أخرى بعد نموذج دالتون.

نموذج طومسون

تم اقتراح النموذج الذري لطومسون بواسطة العالم ويليام طومسون في عام 1900، موضحًا هذا النموذج ووصفًا نظريًا للتركيب الداخلي للذرة، اكتشف طومسون جسيمًا سالب الشحنة يسمى “إلكترون” أثناء تجربة أنبوب أشعة الكاثود في عام 1897، وأنبوب أشعة الكاثود عبارة عن أنبوب مفرغ، كما افترض طومسون أن وزن الإلكترون الذي اكتشفه أخف بمقدار 2000 مرة من وزن البروتون، كما افترض أن الذرة تتكون من أكثر من آلاف الإلكترونات، وفي هذا النموذج الذري، اعتبر طومسون أن الذرات محاطة بسحابة لها شحنة موجبة وسحابة لها شحنة سالبة.

نموذج رذرفورد

كان رذرفورد أول من اقترح أن نموذج طومسون غير صحيح، ولذلك قدم نموذجه الجديد “نموذج رذرفورد”، والذي يتضمن:

• النواة تحتوي على شحنة مركزية عالية نسبيًا، متركزة في حجم صغير جدًا.
• يحتوي هذا الحجم الصغير أيضًا على الجزء الأكبر من كتلة الذرة الذرية.
• يحيط الإلكترونات السالبة الشحنة بالنواة وهي أخف وزنًا.
• ويُعرف نموذجه أحيانًا ب”النموذج الكوكبي للذرة”.

للنموذج بعض العيوب؛ فمثلاً لم يتمكن رذرفورد من تفسير سبب إصدار الذرات للضوء عند ترددات محددة فقط، ولكن تم حل هذه المشكلة فيما بعد بواسطة الفيزيائي بور الذي قدم نموذجه الخاص.

نموذج بور

يتم وصف نموذج بور الذرة كنواة موجبة الشحنة تحيط بها الإلكترونات السالبة، وتنتقل الإلكترونات في مدارات دائرية، وتتم إحداث الجذب بواسطة القوى الكهروستاتيكية، وعادة ما يشار إلى مستوى الطاقة الذي يحتله الإلكترون في الحالة الأرضية باسم “الحالة المشغولة”، ويمكن للإلكترون أن ينتقل إلى مستوى طاقة أقل وأكثر استقرارا عن طريق امتصاص الطاقة، ويشار إلى هذا المستوى الأعلى من الطاقة بأنه “الحالة المثارة”، ويمكن للإلكترون أن يعود إلى مستواه الأصلي عن طريق إطلاق الطاقة، وعندما يتحول الإلكترون بين المدارات، يترافق ذلك مع إشعاع أو امتصاص كمية من الطاقة (hv).

نموذج شرودنجر (النموذج الميكانيكي الكمي للذرة)

تعتمد على معادلة شرودنجر الموجية وحلها، ويأتي حل معادلة الموجة بفكرة الأصداف والأغلفة الفرعية والمدارات؛ حيث يتناسب احتمال العثور على إلكترون عند نقطة داخل الذرة مع |ψ|2 عند تلك النقطة، حيث تمثل الدالة الموجية لذلك الإلكترون، وقد أدى تطبيق معادلة شرودنجر الموجية في تحديد بنية الذرة إلى تكوين النموذج الميكانيكي الكمي للذرة.

تطبيق معادلة شرودنجر على ذرات تحتوي على عدة إلكترونات يواجه بعض الصعوبات، حيث لا يمكن حل معادلة شرودنجر الموجية بشكل دقيق لذرة تحتوي على عدة إلكترونات.

نموذج السحابة الإلكترونية

يتم تدريس نموذج ميكانيكا الكم للذرة في الوقت الحاضر كنموذج ذري “واقعي” يصف الآليات الذرية وكيفية عملها. يستند النموذج إلى رؤية جميع الجسيمات على شكل موجات ذات طول موجي، وتم اقتراح نموذج ذري آخر يعامل الإلكترونات على أنها موجات. وهناك أكثر من مستوى طاقة للإلكترونات في الذرة، حيث يتم تخصيص مدارات ذرية محددة للإلكترونات، والتي يمكن أن تختلف في الطاقة عن بعضها البعض.

تعريف الذرة

كل مادة تتكون من جسيمات صغيرة تسمى `ذرات`، ترتبط هذه الذرات ببعضها لتشكل جزيئات المادة، وكل نوع من المادة يحوي نوعا واحدا من الذرات. تتكون جزيئات العناصر والمركبات من ذرات، والذرة هي أصغر جسيم في العنصر وتحتفظ بجميع خواصها الكيميائية والفيزيائية.

تُعد النواة متعادلة الشحنة؛ حيث إن الذرات تتكون من نواة موجبة الشحنة تتألف من بروتونات ونيوترونات محاطة بإلكترونات سالبة الشحنة، والنواة صغيرة وكثيفة إذا ما قورنت بالإلكترونات الأخف وزنًا، والإلكترونات متصلة بالنواة من خلال القوى الكهربائية والاستاتيكية.

الذرات هي أيضًا أساس للكيمياء، وهي أصغر مكونات المادة التي يمكن أن تظهر خواصًا كيميائية؛ حيث أن كل عنصر في الجدول الدوري له هيكله الذري الفريد والمختلف عن العناصر الأخرى، وكل عنصر له خصائصه الفيزيائية الفريدة اعتمادًا على كتلته الذرية، وقد مرت الذرات بمراحل عديدة من البحث حتى وصل العلماء إلى ما نعرفه اليوم.

مكونات الذرة

تتكون الذرات من عدد كبير من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، ويختلف هذا العدد باختلاف العنصر نفسه، ولكل من هذه الجسيمات الفرعية الذرية خصائصها الفريدة، وتتلخص مكونات الذرة فيما يلي

• النواة

وهي أثقل جزء في الذرة؛ حيث تحتوي على معظم الكتلة الذرية وتتكون من البروتونات والنيوترونات، والتي تسمى سويًا باسم “النيوكليونات”، وتدور الإلكترونات الخفيفة حول تلك النواة، كما يحدد عدد البروتونات والنيوترونات التي تشكل نواة الذرة عدد كتلة الذرة، والذي يسمى إليه باسم “عدد النوكليون”.

• البروتونات

والبروتونات هي عبارة عن جسيمات ذات شحنة موجبة توجد داخل نواة الذرة؛ حيث تشكل البروتونات والنيوترونات الغالبية الكبرى من كتلة الذرة، ويدل العدد الإجمالي للبروتونات في الذرة الواحدة “العدد الذري” الثابت للذرة، على سبيل المثال: الكربون 12، يزن البروتون الواحد 1.0073، وهو مقياس للكتلة النسبية للذرات.

• النيوترونات

وهي عبارة عن جسيمات تحمل شحنة متعادلة تشترك مع البروتونات في نواة الذرة، وتتشابه النيوترونات في الوزن مع البروتونات بحيث يكون للجسيمين نفس الوزن الإجمالي في المثال السابق للكربون 12، ويمكن أن يختلف عدد النيوترونات إذا كان عدد البروتونات في كل عنصر ثابتًا. لذلك، يمكن أن يختلف العدد الكتلي لعنصر ما من ذرة إلى ذرة.

• الإلكترونات

تدور جسيمات سالبة الشحنة حول النواة في مدارات ثابتة وتسمى مستويات الطاقة، يحتوي كل مستوى على عدد محدد من الإلكترونات ويتحدد عددها بعدد الإلكترونات في الذرة، ووزنها النسبي يصل إلى 1/1836 من وزن البروتون.