مكونات الذرة

الذَّرّة

الذرة هي أصغر وحدة بنائيّة للعنصر الكيميائيّ تحمل الخصائص المميزّة له، وهي أصغر جزء يمكن أن تنقسم إليه المادة دون أن يتم تحرير جسيمات مشحونة كهربائياََ، وهي بذلك الوحدة البنائيّة الأساسيّة للمادة، وعلم الكيمياء أيضاً. يرجع أصل كلمة الذَّرّة (بالإنجليزيّة: Atom) إلى الكلمة اللاتينيّة أتوموس “atomus” والتي تعني غير قابل للانقسام؛ لأنّه كان يُعتقَد في ذلك الوقت أنّه لا يوجد ما هو أصغر من الذَّرّة، وأنّه لا يمكن للذَّرّة أن تنقسم.

مكونات الذَّرّة

خلافاً للمعتقدات السابقة، تتكوّن الذّرة من أجزاء أصغر، وهي:

• النّواة (بالإنجليزيّة: Nucleus): النّوَاة هي الجزء المركزيّ للذرّة، والذي يُشكّل معظم كتلتها، اكتشف العالم الفيزيائي إرنست رذرفورد (Ernest Rutherford) وجود النّواة عام 1911م، وتتكون النّواة من البروتونات، والنّيوترونات، وتتماسك مكونات النّواة بفضل قوى التّرابط النّووي (بالإنجليزيّة: strong force).
• البروتونات (بالإنجليزيّة: Protons): اكتشف رذرفورد وجود جسيمات مشحونة بشحنة موجبة داخل النّواة، وأسماها البروتونات، وهي مكونّة بدورها من ثلاثة جسيمات أوليّة تُسمى كواركات (بالإنجليزية: Quark)، وتترتّب الكواركات المكوِّنة للبروتونات اثنان في الأعلى وواحد للأسفل، وللبروتون كتلة صغيرة تساوي 1.673×10^-27 كيلوغرام.
• النّيوترونات (بالإنجليزيّة: Neutrons): جسيمات متعادلة (غير مشحونة) توجد داخل النّواة افترض رذرفورد وجودها عام 1920م، واكتشف العالم تشادويك (Chadwick) وجودها فعلياً عام 1932م، كتلة النّيوترونات أكبر قليلاً من كتلة البروتونات وتساوي 1.6749×10^-27، وهي مكونّة أيضاََ من ثلاثة كواركات، ولكنّها ذات ترتيب مختلف، واحد في الأعلى واثنان في الأسفل.
• الإلكترونات (بالإنجليزيّة: Electrons): وهي جسيمات مشحونة بشحنة سالبة وتنجذب كهربائياََ للبروتونات موجبة الشّحنة، اكتشف وجودها العالم البريطاني جوزيف جون طومسون (J. J. Thomson) في عام 1897م، تدور الإلكترونات وفقاً لنموذج وضعه العالم إروين شرودنجر في مدارات محددّة حول النّواة، وهي أصغر من البروتونات، والنّيوترونات بما يزيد عن 1800 مرة؛ إذ تساوي كتلتها 9.109×10^-31. يمكن من خلال دراسة ترتيب الإلكترونات حول النّواة التنبؤ ببعض خصائص الذَّرّة الفيزيائيّة، مثل: درجة الاستقرار، ودرجة الغليان، والموصليّة.

تاريخ الذَّرّة

في عام 440ق.م افترض الفيلسوف ديموقريطوس (Democritus) أنّ المواد تتكوّن من جسيمات متناهية الصّغر لا يمكن تجزئتها تُسمّى الذّرات، وأنّ الكون يحتوي على عدد لا نهائي من الذّرات التي تتحرك باستمرار، وأنّ الذّرات تتّحد لتكوّن المادة، ولكنها لا تندمج لتكوّن ذرات جديدة، قدّم ديموقريطوس نظريته الذَّرِيَّة للعالم في ذلك الوقت، إلّا أنّها رُفِضَت من قِبَل الفلاسفة الآخرين، وعلى رأسهم أرسطو (Aristotle) الذي كان يعتقد أنّ كل شيء تم إنشاؤه من الأرض، والهواء، والنّار، وفي عام 1803م قدّم الكيميائيّ البريطاني جون دالتون (John Dalton) نظريته الذَّرِيَّة التي صاغها بعد دراسته لأفكار ديموقريطوس، وتنصّ نظريته على أنّ ذرات العنصر الواحد متشابهة، وأنّ ذرات العناصر المختلفة تختلف عن بعضها في الوزن والخصائص، وأنّه لا يمكن استحداث أو تدمير الذّرات، وأنّ المادة تتكوّن من اتّحاد الذّرات ببعضها.

في عام 1897م أثبت العالم طومسون مكتشف الإلكترون أنّ الذَّرّة يمكن تقسيمها، وفي العام ذاته قدّم طومسون نموذج فطيرة الزّبيب (بالإنجليزيّة: Plum Pudding Model) والذي يمثّل الذَّرّة على أنّها كرة موجبة الشّحنة تنتشر فيها دقائق سالبة الشّحنة (إلكترونات)، كما تتوزع حبات الزّبيب في الفطيرة، وبذلك تكون الذَّرّة متعادلة الشّحنة. في عام 1911م نشر العالم رذرفورد نظريته الذَّرِّيَّة التي تنص على أنّ الذَّرّة مكونّة من نواة صغيرة الحجم موجبة الشّحنة، تدور حولها الإلكترونات، وأنّ معظم مساحة الذَّرّة فارغة، بعد ذلك قام العالم نيلز بور (Niels Bohr) بتوضيح خصائص الإلكترونات، ومن بعده جاء العالم إرفين شرودنغر (Erwin Schrödinger) الذي طورّ النّموذج الكمومي للذرة، والعالم فيرنر هايزنبيرغ (Werner Heisenberg) الذي ذكر أنّه لا يمكن معرفة مكان الإلكترون وسرعته في الوقت ذاته، بعد ذلك اكتشف العالمان (كل على حدة) موراي جيل مان Murray Gell-Mann، وجورج زويغ (George Zweig) أنّ كل من البروتونات، والنّيوترونات تتألف من الكواركات.

خصائص الذَّرّة

تتصف الذّرات بعدة خصائص منها:

• العدد الذّريّ للعنصر هو عدد البروتونات في نواة الذَّرّة، وهو الذي يحدد الخصائص الكيميائيّة للعنصر.
• الذَّرّة المتعادلة هي الذَّرّة التي يكون فيها عدد البروتونات مساوياً لعدد الإلكترونات.
• الكتلة الذَّرِّيَّة للعنصر هي مجموع عدد البروتونات والنّيوترونات في النّواة، وتقاس بوحدة (كتلة ذرية)، وتساوي وحدة الكتلة الذَّرِّيَّة 1/2 كتلة ذرة الكربون.
• الكتلة الذَّرِّيَّة أقل من كتلة الذَّرّة؛ لأنّ كتلة الذَّرّة مكونة من كتلة النّواة بالإضافة إلى كتلة الإلكترونات، والتي تكون ذات كتلة قليلة مقارنة بكتلة بالبروتونات والنّيوترونات.
• لكل عنصر كيميائي العديد من النظائر (بالإنجليزيّة: Isotopes)، وهي أشكال من العنصر الكيميائيّ لذرتها نفس العدد الذّريّ (عدد البروتونات)، ولكنها تختلف في الكتلة الذَّرِّيَّة بسبب اختلاف عدد النّيوترونات، ولا تختلف الخصائص الكيميائيّة للعنصر ونظيره.
• تحافظ الإلكترونات على مسارها في مدارات حول النّواة بفضل قوى التّجاذب التي تنشأ بين البروتونات موجبة الشّحنة، والإلكترونات سالبة الشّحنة.
• يدور الإلكترون حول النّواة، وفي الوقت نفسه يدور حول نفسه، وتُسمّى هذه الظاهرة ظاهرة اللّف المغزليّ أو التّدويم (بالإنجليزيّة: Spin)، وهذا يولد عزماً مغناطيسياً مقداره 9.28×10^-24−.
• توجد الإلكترونات في مستويات متتالية تسمى مستويات الطّاقة، وكل مستوى يتّسع لعدد محدد من الإلكترونات، فالمستوى الأول يتّسع لإلكترونين، بينما يتسع الثّاني لثمانية إلكترونات.
• تصل الذّرات لوضع الاستقرار، إمّا بفقد إلكترونات، أو اكتسابها، أو مشاركتها.
• تميل الذّرات التي تحتوي في مدارها الأخير على إلكترون، أو اثنين، أو ثلاثة إلكترونات لفقدها عند تفاعلها مع ذرات تحتوي في مدارها الأخير على خمسة، أو ستة، أو سبعة إلكترونات.
• تميل الذّرات التي تحتوي على خمسة، أو ستة، أو سبعة إلكترونات في مدارها الأخير لاكتساب إلكترونات عند تفاعلها مع ذرات تحتوي في مدارها الأخير على إلكترون، أو اثنين، أو ثلاثة إلكترونات.
• لا تميل الذّرات التي تحتوي على أربعة إلكترونات في مدارها الأخير لفقد أو اكتساب إلكترونات.