اسس النظرية الذرية الحديثة

لقد بنيت جميع العلوم على العديد من النظريات والأسس الهامة التي ساعدت فيما يبعد على تطوير تلك العلوم والوصول إلى عدد لا حصر له من التطبيقات الحياتية الهامة، ويعد علم الكيمياء من أهم العلوم الطبيعية التي حظيت بعدد كبير من النظريات التي تبارتها العلماء في صياغتها على مر العصور، ومن أبرز وأشهر تلك النظريات هي النظرية الذرية الحديثة .

النظرية الذرية

تطلب تركيب الذرة تفكيرًا وعملًا من عدد كبير جدًا من علماء الذرة، بما في ذلك رذرفورد وبور ودالتون، على النحو التالي:

نظرية رذرفورد

قام العالم رذرفورد في عام 1911م بتقديم نموذج يصف تركيب الذرة، حيث أشار إلى أن الذرة تتكون من جسيم صغير جدا وثقيل يحمل شحنة موجبة، وأطلق عليه اسم (نواة الذرة). وأشار أيضا إلى أن النواة تحتوي على جميع البروتونات، لذا فإن كتلة الذرة متمركزة بشكل أساسي في النواة عند تجاهل كتلة الإلكترونات المتناهية الصغر. ويرجع تواجد الشحنة الموجبة في النواة إلى وجود البروتونات الموجبة فيها .

وفقا لرذرفورد، يشير إلى أن توزيع الإلكترونات السالبة حول ذرة العنصر يحدث في مدارات شبيهة تماما بحركة الكواكب حول الشمس. بما أن الذرة تكون دائما متعادلة، فإن عدد الشحنات الموجبة والتي تمثلها البروتونات يساوي عدد الشحنات السالبة والتي تمثلها الإلكترونات. من خلال التجارب التي أجراها رذرفورد، توصل إلى النتائج التالية

• لم يحدث انحراف في عدد كبير من الجسيمات، مما يدل على أن معظم الذرات تشكل فراغًا .
• يمكن أن يشير حدوث انحراف بسيط في بعض جسيمات ألفا إلى وجود عدد قليل من الجسيمات المشحونة بشحنة موجبة، ويحدث هذا الانحراف البسيط عندما تقترب جسيمات الألفا من تلك الشحنة .
• يعني حدوث هذا الانحراف البسيط تركيز الجسيمات المحملة بالشحنة الموجبة في مركز الذرة، أي في النواة .

نظرية دالتون الذرية

جون دالتون، عالم كيمياء، مؤسس علم الكيمياء، ومن أبرز إنجازاته نظرية دالتون الذرية التي قدمها في عام 1803م. وأشار إلى أن الذرة هي أصغر وحدة للمادة وغير قابلة للتجزئة، وتميزت نظريته بأنها مبنية على بعض القوانين الأساسية مثل قانون بقاء الكتلة وقوانين النسبة وغيرها، وقد وضع دالتون فروض نظريته على النحو التالي

تتألف المادة من عدد من الجسيمات الأولية الصغيرة غير القابلة للتجزئة والتي تسمى الذرات .

يختلف شكل وكتلة وحجم كل عنصر من عناصر المادة عن باقي العناصر .

تحدث التفاعلات الكيميائية عندما يتغير موضع الذرة في كل عنصر .

نظرية بلانك الكمية

في عام 1900م، قدم العالم بلانك فروضا جديدة حول تركيب الذرة تختلف عن تلك التي ذكرها العلماء السابقون. أشار إلى أن الجزيئات والذرات قادرة على امتصاص الضوء وإصدار طاقة ضوئية وحرارية. وبناء على ذلك، تم تطوير مصطلح جديد يسمى `الفوتون`، وأشار بلانك إلى أن طاقة الكم الفردية E تتناسب طرديا مع تردد الشعاع الضوئي .

أهم أسس النظرية الذرية الحديثة

تتضمن النظرية الحديثة بعض التعديلات على نموذج بور وتستند إلى مجموعة من الأسس الهامة، مثل:

الإلكترون يمتلك طبيعة مزدوجة

وهذا الفرض هو المعروف بمبدأ براولي ويقول إن الإلكترون جسم مادي يمتلك خواص موجية وطبيعة مزدوجة، وهذا يعني أن أي جسيم متحرك مثل الإلكترون أو النواة أو جزء كامل يرافقه حركة موجية تسمى الموجات المادية، وهذه الموجات تختلف كثيرا عن موجات الضوء الكهرومغناطيسية، وسرعة تلك الموجات تساوي سرعة الجسم المتحرك .

مبدأ هايزنبرج

يُعرف مبدأ هايزنبرج الشهير بمبدأ عدم التأكد، وهو يستند إلى استخدام ميكانيكا الكم، ويشير إلى أنه من المستحيل تحديد سرعة وموضع الإلكترون في نفس الوقت، ولكن يمكننا فقط التنبؤ بوجود الإلكترون في منطقة معينة، وبالتالي يتم الاعتماد على الاحتمالات في هذا الأمر .

معادلة شرودنجر

وفي عام 1926م ؛ تمكن العالم نمساوي الجنسية شرودنجر معتمدًا على افتراضات ونتائج ما سبقوه من علماء مثل هايزنبرج ، ودي براولي ، وأينشتين ، وبلانك من أن يقوم بوضع المعادلة الموجية التي من الممكن أن يتم تطبيقها على حركة الإلكترونات في الذرة ، والتي من خلال حلها تم التوصل إلى النتائج التالية :

تم تقدير عدة مستويات طاقة وهمية تدور بها الإلكترونات حول النواة بشكل منتظم، وذلك لفهم حركة الإلكترونات بحسب العلماء .

من خلال معادلة شرودنجر الموجية ، تم تحديد بعض المناطق الفارغة التي تحيط بنواة الذرة ، وأشار العلماء بما في ذلك شرودنجر ، إلى أن حركة الإلكترون داخل تلك المساحة الفارغة قد تكون ممكنة .

وبناءً على ما سبق، تم تطوير مصطلح جديد في علم الكيمياء وهو (الأوربيتال)، والذي يعني توضيح تفصيلي لحركة الإلكترون وطبيعة تواجده حول نواة الذرة، وذلك للتمكن من وصفه بدقة .

تلك النتائج ساعدت نوعا ما في التخلي عن نظرية المدار التي وضعها العالم بور والتي تفترض وجود مسارات طاقة محددة حول النواة يتحرك فيها الإلكترونات، وهي K وL وM وN وO وP. أصبحت فكرة السحابة الإلكترونية التي يمكن توقع وجود الإلكترون في أي لحظة الأكثر انتشارا وقبولا بين العلماء لوصف مفهوم المدار .

الفرق بين المدار والأوربيتال

صرّح بعض العلماء بتوضيح الفرق بين المدار والأوربيتال وفقاً للآتي:

مدار الطاقة

يتم تعريف المدار في مفهوم بور على أنهالمسار الذي يتبعه الإلكترون حول نواة الذرة بشكل وهمي، ولا يمكن للإلكترون التواجد في المناطق الفراغية التي توجد بين هذه المدارات .

الأوربيتال

يشير مفهوم الأوربيتال، كما وصفه العالم شرودنجر، إلى وجود مناطق فراغ حول نواة ذرة العنصر، ويزداد احتمال تواجد الإلكترون في أي جزء منها في أي لحظة .

الأسس الحديثة للنظرية الذرية والمعادلة الموجية هي المفاهيم التي لا تزال تستخدم حتى اليوم لشرح طبيعة العلاقة بين الجسيمات الأولية داخل الذرة. توصل العلماء في النهاية إلى أن نواة الذرة لا يمكن تجزئتها وتحتوي على البروتونات الموجبة ، أما الإلكترونات فهي جسيمات سالبة تدور حول النواة في مدارات ومدارات إلكترونية وتشكل سحابة إلكترونية .

وبناءً على النظرية الذرية الحديثة، يمكن للعلماء أيضًا التوصل إلى أن الذرة متعادلة كهربائيًا في حالة الاستقرار؛ لأن في هذه الحالة يكون عدد الإلكترونات السالبة متساويًا لعدد البروتونات الموجبة .