هل تساءلت يومًا مما تصنع الأشياء من حولك؟ فقط قل أنك رأيت طاولة ، قد تقول طاولة مصنوعة من الخشب. ومع ذلك ، عندما تنظر إلى المرآة ، ستقول إنها مصنوعة من الزجاج. في الأساس ، هاتان المادتان لهما خصائص مختلفة ، لكن هل تعلم أنهما مكونان من نفس المادة؟ اسمها ذرة.
الذرات هي أصغر جزيئات العنصر التي تشارك في التفاعلات الكيميائية. حجمها الصغير للغاية يجعلها غير مرئية باستخدام أقوى المجاهر الضوئية. من بين هؤلاء ، أصغر ذرة في الهيدروجين.
نماذج أتوم
درس العلماء هذه الجسيمات الدقيقة لعدة قرون ، لكنهم لم يتمكنوا من تحديد مظهرها. في عام 1808 فقط نشر دالتون نظريته حول بنية الذرة. منذ ذلك الحين ، تطورت النماذج الذرية جنبًا إلى جنب مع أحدث النتائج. هذه المرة ، سنناقش النماذج الذرية المختلفة التي اقترحها العلماء.
نظرية دالتون
جون دالتون عالم كيميائي وفيزيائي وأخصائي أرصاد جوية بريطاني نشر لأول مرة بحثًا عن وجود الذرات. أوضح دالتون أن المادة تتكون من جسيمات غير قابلة للتجزئة تسمى الذرات.
لسوء الحظ ، أثبتت الأبحاث الإضافية أن الذرات نفسها قابلة للقسمة وتتكون من جسيمات دون ذرية. تتكون الجسيمات دون الذرية من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. منذ ذلك الحين ، حاول العلماء اقتراح نماذج مختلفة من خلال النظر في موضع هذه الجسيمات دون الذرية ، بما في ذلك JJ Thomson و Rutherford.
يوضح النموذج الذري التركيب الذري وترتيب الجسيمات دون الذرية داخل الذرة. قاد اكتشاف البروتونات والإلكترونات العلماء إلى المجادلة بأن الذرات تتكون من البروتونات والإلكترونات التي توازن شحناتها. ووجدوا أن البروتونات كانت داخل الذرة ، بينما كانت الإلكترونات في الخارج ويمكن فصلها بسهولة.
هناك 4 نماذج ذرية اقترحها العلماء ، وهي النموذج الذي اقترحه طومسون ، ورذرفورد ، وبوهر ، والنموذج الميكانيكي الكمومي.
نموذج طومسون من أتوم
كان جوزيف جون طومسون الفيزيائي البريطاني الحائز على جائزة نوبل والذي اقترح النموذج الذري لأول مرة. في الواقع ، قام بنشرها قبل اكتشاف البروتون والنواة الذرية. في نظريته ، اعتبر طومسون الذرات مثل خبز الزبيب أو نموذج حلوى البرقوق لأن الإلكترونات في كرة الشحنة الموجبة تشبه الفاكهة المجففة في حلوى عيد الميلاد.
(اقرأ أيضًا: تعرف على طبقات الأرض بناءً على طبقاتها وتركيبها الكيميائي)
يفترض هذا النموذج أن الذرة تتكون من كرة موجبة الشحنة بها إلكترونات مدمجة فيها. يمكن أن يكون للذرة شحنة متعادلة لأن لها نفس الشحنات السالبة والموجبة.
نموذج رذرفورد للذرة النووية
إرنست رذرفورد عالم فيزيائي وكيميائي من مواليد نيوزيلندا ومقره في إنجلترا. اقترح النموذج الذري بعد إجراء تجربة تعرف باسم تجربة تشتت رذرفورد. أجرى هو واثنان من طلابه تجارب نثر أشعة ألفا على لوحة ذهبية رفيعة.
اعتبر رذرفورد أن الشحنة الموجبة الكلية للذرة تتركز في منطقة صغيرة جدًا تُعرف بالنواة. تدور الإلكترونات حول النواة الذرية بسرعة عالية في مسارات دائرية تسمى المدارات. التجاذب الكهروستاتيكي بين النواة والإلكترونات يبقي الإلكترونات في مسارها.
كشف نموذج رذرفورد أيضًا أن عدد البروتونات يساوي عدد الإلكترونات ويعرف بالرقم الذري. في غضون ذلك ، إذا تم الجمع بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات ، فإن القيمة هي نفسها رقم الكتلة الذرية.
لسوء الحظ ، لم يكن نموذج رذرفورد للذرة قادرًا على تفسير استقرار الذرة. وفقًا للنظرية الكهرومغناطيسية ، تفقد الجسيمات المشحونة الطاقة أثناء التسارع. يمكن أن يؤدي فقدان الطاقة إلى إبطاء سرعة الإلكترونات ، وفي النهاية ، ستنجذب الإلكترونات إلى النواة ويتم تدمير الذرات. بصرف النظر عن ذلك ، لم يشرح نموذج رذرفورد للذرة أي شيء عن توزيع الإلكترونات وطاقات الإلكترون. علاوة على ذلك ، هذا النموذج الذري غير قادر أيضًا على شرح طيف الخط الذي قدمه كل عنصر.
نموذج بوهر الذري
للإجابة على أوجه القصور في نموذج رذرفورد الذري ، خاصة فيما يتعلق بطيف الخط والاستقرار الذري ، نشر نيلز بور نموذجه الذري. وقال إن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة في مدارات دائرية معينة تسمى أصداف الطاقة أو مستويات الطاقة. ترتبط الإلكترونات التي تدور في غلاف الطاقة بكمية ثابتة من الطاقة. قذائف الطاقة هذه مرقمة 1 و 2 و 3 وهكذا من النواة الذرية أو يتم تحديدها على أنها قذائف k و l و m وما إلى ذلك.
يُعرف ترتيب الإلكترونات في الذرة بتكوين الإلكترون. يمكن أن يساعد تكوين الإلكترون في شرح كيفية ارتباط الذرات معًا. يبدأ ملء الإلكترونات في الأصداف الذرية بملء القشرة الداخلية أو القشرة الأقل طاقة. الحد الأقصى لعدد الإلكترونات التي يمكن أن تشغل الغلاف هو 2n2.
ميكانيكا الكم النظرية الذرية
لسوء الحظ ، لم يكن النموذج الذري الذي اقترحه بور قادرًا على تفسير طيف ذرات الهيدروجين في كل من المجالين المغناطيسي والكهربائي. حاول الفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر الإجابة عن السؤال. طور نظرية ذرية على أساس مبادئ ميكانيكا الكم. لا يختلف النموذج الذي اقترحه شرودنجر كثيرًا عن نموذج بوهر ، من حيث أن الذرة لها نواة موجبة الشحنة وتحيط بها إلكترونات سالبة الشحنة. يكمن الاختلاف في موضع الإلكترونات المحيطة بنواة الذرة.
جادل بوهر في نظريته بأن الإلكترونات تدور حول النواة الذرية في مدارات بمسافة معينة من النواة الذرية والتي تسمى نصف القطر الذري. لكن في نظرية ميكانيكا الكم ، لا يمكن معرفة موقع الإلكترونات المحيطة بنواة الذرة على وجه اليقين ، وفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. لذلك ، فإن أكبر احتمال لموقع الإلكترون يكون في ذلك المدار. أي يمكن القول أن المنطقة ذات الاحتمال الأكبر لإيجاد الإلكترونات في الذرات تقع في المدارات.
ينص النموذج الميكانيكي الكمومي أيضًا على أن حركة الإلكترونات حول النواة الذرية لها خاصية الازدواجية ، على النحو الذي اقترحه دي برولي. نظرًا لأن حركة الإلكترونات حول النواة لها طبيعة موجية ، يجب أن تكون معادلة حركة الإلكترونات حول النواة مرتبطة بوظيفة الموجة.
استكمل شرودنجر نظريته بمعادلة تنص على أن حركة الإلكترونات حول النواة الذرية المرتبطة بالطبيعة المزدوجة للمادة يمكن التعبير عنها من حيث الإحداثيات الديكارتية. أصبحت هذه المعادلة معروفة باسم معادلة شرودنغر.
من هذه المعادلة ، أنتج شرودنجر ثلاثة أرقام كمومية ، وهي الكم الرئيسي (ن) ، وكم السمت (أ) ، والكم المغناطيسي (م). هذه الأرقام الكمية الثلاثة عبارة عن أعداد صحيحة بسيطة تشير إلى احتمال وجود إلكترونات حول النواة الذرية. ينتج عن حل معادلة شرودنغر ثلاثة أرقام كمية. المدار مشتق من معادلة شرودنغر بحيث توجد علاقة بين المدار وجميع الأرقام الثلاثة.
