مكونات الذرة
- عندما تنظر إلى الذرة نفسها عن كثب ، يمكنك تحديد تركيبها ، المكون من بروتونات موجبة الشحنة ، ونيوترونات محايدة ، وإلكترونات سالبة الشحنة ، ونوع العنصر الذي يحدد كمية كل عنصر.
- عادةً ما تكون معظم الذرة في فراغ ، وهناك سحابة من الإلكترونات بداخلها ، ومقارنة بحجم الذرة بأكملها ، فهي تدور حول مساحة صغيرة ، وهذا الفضاء يسمى النواة.
- يحتوي على بروتونات ونيوترونات ، لذلك فهو يحتوي على شحنة موجبة ، وكتلة الإلكترون أقل من كتلة النواة.
- لأنه أخف جسيم موجود في الطبيعة ، ولأن النواة مشحونة إيجابياً والإلكترونات التي تدور حولها مشحونة سالبة ، فهذا يعني أن هناك تبادل لشدة المجال الكهربائي بين النواة والإلكترونات ، مما يجذب الإلكترونات نحو نواة.
1- البروتون
- البروتون هو جسيم دون ذري شحنة موجبة تساوي شحنة الإلكترون. كتلته 1.67262 × 10-27 كجم ، أو 1836 ضعف كتلة الإلكترون. عدد البروتونات هو رقم يمثل العدد الذري للعنصر.
- وهذا أيضًا هو السبب الذي يحدد ترتيب العناصر في الجدول الدوري ، فحتى نهاية القرن العشرين ، اعتقد الناس دائمًا أن البروتونات هي جسيمات أولية.
- بعبارة أخرى ، لا يوجد شيء فيه ولا يمكن تقسيمه ، لأن علماء فيزياء الجسيمات الأولية قد كشفوا بالفعل عن بنية البروتونات.
- تُصنف الباريونات على أنها جسيمات تتكون أساسًا من ثلاثة جسيمات أولية تسمى الكواركات.
2- النيوترونات
- النيوترونات هي جسيمات دون ذرية توجد في نوى جميع العناصر باستثناء الهيدروجين.
- نظرًا لأن نواتها تحتوي على بروتون واحد فقط ، فإن النيوترون ليس له شحنة وتبلغ كتلته 1.67493 × 10-27 كجم ، وهو أثقل قليلاً من البروتون.
- هذا يعادل 1839 ضعف كتلة الإلكترون. تسمى البروتونات والنيوترونات بالنيوترونات لأنها محصورة في مساحة ضيقة وكثيفة تمثل 99.9٪ من الكتلة الذرية. يطلق عليهم النوى.
- مثل البروتونات ، كانت النيوترونات الجسيم الرئيسي حتى نهاية القرن الماضي من قبل علماء فيزياء الجسيمات ، ومثل البروتونات ، تعتبر النيوترونات جزءًا من باريون يحتوي على ثلاثة كواركات.
- وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه على الرغم من أنه لا يحتوي على جسيمات سالبة ، إلا أنه لا يزال يحافظ على تماسك النواة ، ولكن الجسيمات المحايدة والجسيمات الإيجابية فقط هي ما يسمى بالقوى النووية القوية.
- يتغلب على التنافر المتبادل للبروتونات الإيجابية ويحافظ على تماسك النواة.
3- الإلكترونات
- الإلكترونات هي جسيمات دون ذرية ذات شحنة قلوية سالبة وتعتبر جسيمات أولية ، لأنها لا تحتوي على مكونات بداخلها ، ولا يمكن تجزئتها ولا توجد إلكترونات أخف منها في الذرة.
- كتلة الإلكترون هي 9.10938356 × 10-31 كجم.
- لا تؤخذ هذه الكتلة في الاعتبار عند حساب الكتلة الذرية لأنها صغيرة جدًا ، فقد اكتشف JJ Thomson الإلكترونات أثناء دراسة أشعة الكاثود ، وقد ساهم هذا الاكتشاف بشكل كبير في فهم التركيب الذري.
- تتواجد الإلكترونات حول النواة وتتوزع في مستويات طاقة مختلفة ، وعندما تُزال الإلكترونات من مداراتها حول النواة ، يسمى تأين الذرات أيونات.
- يمكن أن تتعايش الإلكترونات بحرية مع الأيونات في حالة الأيونات. في تصنيف العلماء للجسيمات الأولية ، تنتمي الإلكترونات إلى مجموعة الفرميونات ، ويتم وصف سلوكها من خلال تعداد ديراك-فيرمي.
النموذج الذري
- تتكون معظم المواد من جزيئات ، ومن السهل نسبيًا فصل هذه الجزيئات ، وتتكون الجزيئات من ذرات مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط كيميائية.
- من الصعب فصلها ، وتتكون كل ذرة من إلكترونات ونواة ، وهذه الإلكترونات والنواة مرتبطة كهربائياً ، لأنها مرتبطة ببعضها البعض.
- لفصلها عن بعضها البعض ، يتطلب هذا إعطاء كمية كبيرة من الطاقة للإلكترونات حتى تتمكن من الهروب من مداراتها ، والإلكترونات والنواة (البروتونات والنيوترونات) هي جسيمات دون ذرية طويلة العمر.
- هذا يعني أنه ، على عكس الجسيمات دون الذرية الأخرى ، يستغرق الأمر وقتًا طويلاً نسبيًا للتحلل ، لأنه يتطلب الكثير من الطاقة للحصول عليها ، ولا يستغرق الأمر سوى وقت قصير لتتحلل إلى جسيمات أخرى أكثر استقرارًا.
الخصائص الرئيسية للذرات.
- العدد الذري: يعتبر العدد الذري من أهم خصائص الذرة ، فهو يمثل عدد الشحنات الموجبة في النواة ، أي البروتونات (وكذلك عدد الإلكترونات في الذرات المحايدة).
- على سبيل المثال ، العدد الذري للكربون هو 6 والعدد الذري لليورانيوم هو 92. نظرًا لأن عدد الإلكترونات مرتبط بتفاعلات كيميائية ، فإن العدد الذري مهم جدًا عند الحديث عن التفاعلات الكيميائية.
- الكتلة الذرية: يؤثر عدد النيوترونات في النواة على كتلة الذرة ، ولكن ليس على خواصها الكيميائية.
- على سبيل المثال ، سيكون لذرة الكربون التي تحتوي على 6 بروتونات و 6 نيوترونات نفس الخصائص الكيميائية لنظير الكربون الذي يحتوي على 6 بروتونات و 8 نيوترونات.
- يكمن الاختلاف في كتلة النظيرين فقط ، بينما يمثل العدد الكتلي مجموع عدد البروتونات والنيوترونات.
أثارت الذرة
- الحالة المثارة في الفيزياء الذرية هي حالة النظام الكمومي (مثل الذرة أو الجزيء أو النواة ، حيث تكون طاقة النظام أكبر من طاقة الحالة الدنيا).
- على سبيل المثال ، تتمتع الذرة ، مثل ذرة الهيدروجين ، بميزة أن الإلكترون يدخل مدارًا عند مستوى طاقة كمي معين ويستقر عادةً في مستوى كمي يسمى الحالة الأدنى ، حيث تكون طاقته هي الحد الأدنى المطلق.
- إذا امتص الإلكترون فوتونًا من الخارج ، فقد تكون طاقة الفوتون الممتص كافية لجعل الإلكترون يترك مستوى طاقته الكمومية ويرفع إلى مستوى طاقة أعلى ، وتسمى حالة الذرة الحالة المثارة.
- في حالة الإثارة ، لا يمكن للإلكترون البقاء في حالة الإثارة لفترة طويلة ، لذلك سيطلق الإلكترون طاقته الزائدة بسرعة على شكل فوتونات (مثل إشعاع الضوء) وينخفض إلى حالة الاستقرار المنخفضة.
الاستقرار وطول العمر
- إذا تم التعامل معه كنظام فيزيائي منعزل ، فوفقًا لما نراه في الطبيعة فإنه يميل إلى تقليل طاقته إلى الحد الأدنى ، تشرح ميكانيكا الكم هذه الخاصية عن طريق تغيير إمكانات مستويات الطاقة الكمومية ، ويمكن للنظام إطلاق أحدها .
- وبالتالي ، فإن الحالة المثارة عادة ما تكون غير مستقرة ، ولكنها مرتبطة بمدة الحالة المثارة.
- بمعنى أنه يمكن القول أن العمر يشير إلى احتمال الانحلال خلال ثانية واحدة من انتقال النظام من حالة الإثارة إلى حالة الإثارة المنخفضة أو الحالة اللانهائية.
- يمكن أن يكون العمر جزءًا من الثانية (نطاق الانبعاث) ، أو يمكن أن يتحلل بيتا وغاما على مدى آلاف السنين.
طرق إثارة الإلكترونات في الذرة.
- امتصاص الفوتون: يمكنك إثارة الإلكترونات ونقلها إلى مستويات طاقة أعلى عن طريق امتصاص فوتونات ذات أطوال موجية محددة ، والتي تتناسب مع مستوى الطاقة المراد نقلها.
- لكن يجب أن تمتص الإلكترونات فوتونات ذات أطوال موجية محددة ، فهي ليست أكثر من طاقة مستوى طاقة واحد ، عندما يثير الإلكترون نفس الفوتون بنفس الطول الموجي ، فإنه ينخفض إلى مستوى طاقة أقل.
- الاصطدام: يمكن أن يتسبب تصادم عنصر وإلكترون في انتقال الإلكترون بين مستوى طاقة أقل ومستوى طاقة أعلى ، عادةً بسبب الطاقة الحركية بين الذرات المتصادمة.
- ثم يتحرك نحو الإلكترونات ويثيرها للانتقال إلى مستوى طاقة آخر. في الواقع ، يمكن أن يتسبب هذا في طرد الإلكترونات تمامًا من الذرة. يسمى هذا التأثير “تأثير الحجب”.
- ولكن من أجل حدوث الإثارة ، والتي ستؤدي إلى انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة المختلفة ، يجب الحصول على مستوى طاقة ، الطاقة المحددة المناسبة ، والتي تتناسب مع الطاقة التي سيتبددها الإلكترون.
- استخدام درجة الحرارة لتحفيز الاصطدام بين العناصر والإلكترونات.
أهمية إثارة الإثارة في الإلكترونات
- تساعد عملية إثارة الإلكترونات داخل الذرات في تحديد التركيب الكيميائي للمادة ، ويمكن القيام بذلك عن طريق فحص طيف الضوء المنبعث أثناء مروره عبر منشور.
- من خلال فحص التركيب الكيميائي لهذه الأطياف ، يمكننا معرفة المزيد عن مستويات الطاقة وخصائص الذرات ، وهو أمر مفيد للبحث والفهم الأوسع لهذه الجسيمات الدقيقة وتطبيقاتها في الحياة.
طيف الانبعاث الذري
- عندما يتم تسخين مادة ما إلى درجة حرارة عالية ، فإنها ستصدر ضوءًا وتعطي طيفًا مستمرًا.
- عندما يتحقق مطياف (محلل ضوئي) من طيف مستمر ، يطلق عليه مطياف.
- اكتشفنا أنه مكون من عدة ألوان متداخلة ليس لها حدود بينها.
- عندما يتم تسخين غاز أو بخار مادة إلى درجة حرارة عالية تحت ضغط منخفض
- أو من خلال شرارة كهربائية ، سوف يتوهج.
- عند فحصه باستخدام مطياف ، نجد أنه يتكون من عدد محدود من الخطوط الملونة (تسمى مجموعة من الخطوط).
طيف الخط
- طيف الخطوط: “يشير إلى عدد محدد من الخطوط الملونة التي يتم إنتاجها عند تسخين غاز من ضغط منخفض إلى درجة حرارة عالية.”
- الطيف الخطي لأي عنصر هو السمة الرئيسية له ، لأنه لا يوجد عنصرين لهما نفس طيف الخط.
- هذا مثل بصمة الإصبع التي يمكن أن تحدد هوية الشخص.
- من خلال دراسة الطيف الخطي لأشعة الشمس ، تم اكتشاف أنه يتكون أساسًا من الهيدروجين والهيليوم.
- من خلال دراسة طيف الانبعاث الخطي لذرات الهيدروجين ، تمكن بور من بناء نموذجه الذري.
نموذج بوهر لبنية الذرة ، النموذج الكهروستاتيكي.
- كان بور قادرًا على تطوير نموذج رذرفورد للتركيب الذري.
- لا يتعامل دوران الإلكترونات حول النواة مع افتراضات ديناميكيات نيوتن الكلاسيكية كما فعل ماكسويل.
- قاده هذا إلى حقيقة أن الإلكترونات ستشع بشكل دائم أثناء الدوران حول النواة ، مما يتسبب في انهيار الذرة.
فرضية بور
استخدم بور افتراضات رذرفورد حول التركيب الذري ، وهي:
- في وسط الذرة نواة موجبة الشحنة.
- عدد البروتونات الموجبة في النواة يساوي عدد الإلكترونات السالبة التي تدور حول النواة.
- عندما تدور الإلكترونات حول النواة ، تتولد قوة طرد مركزي بسبب سرعة دوران الإلكترون.
- إنها تساوي قوة الجاذبية الناتجة عن جاذبية الإلكترون تجاه النواة.
- تتحرك الإلكترونات بسرعة حول النواة دون أن تفقد أو تكتسب الطاقة.
- تدور الإلكترونات حول النواة عند مستويات طاقة ثابتة ومحددة.
- المسافة بين مستويات الطاقة هذه هي منطقة ممنوعة تمامًا من دوران الإلكترون.
- تتمتع الإلكترونات بكمية معينة من الطاقة عندما تتحرك حول النواة ، والتي تعتمد على بعدها عن مستوى طاقة الذرة وتزداد مع زيادة نصف القطر.
- استخدم عددًا صحيحًا يسمى رقم الكم الأساسي لتمثيل طاقة كل مستوى. يأخذ العدد الصحيح الرقم (1 → 7) أو الرمز (K ، L ، M ، N ، O ، P ، Q).
- في حالة الثبات: “إنها الحالة الأقل طاقة والأكثر استقرارًا لذرة أو جزيء أو أيون”.
- هذه هي أقل طاقة متاحة للإلكترونات المتبقية.
- في الحالة المثارة: حالة تكتسب فيها الإلكترونات كمية معينة من الطاقة من خلال التسخين أو التفريغ ، وبعد ذلك تصل الإلكترونات المثارة مؤقتًا إلى مستوى طاقة أعلى (اعتمادًا على الكسب).
- الإلكترون في حالة غير مستقرة في المستوى الأعلى وسيعود قريبًا إلى مستواه الأصلي.
- ستفقد الطاقة المكتسبة وستعود إلى مستواها الأصلي.
- يتم إنشاء هذه الطاقة كإشعاع ضوئي بأطوال موجية وترددات مختلفة ، مما ينتج أطياف خطية مختلفة.