النظريات الذرية

1
الكلية :التربية الاساسية / قسم العلوم
المرحلة:الثالثة فيزياء
المادة :الذرية
للعام الدراسي :2015-2016
المحاضرة الأولى
النظريات الذرية Theory Atomic
النظرية الذرية تھتم بدراسة طبيعة المادة ، وتنص على أن كل المواد تتكون من
ذرات.
الذرة :-
ھي أصغر جزء من العنصر الكيميائي الذي يحتفظ بالخصائص الكيميائية لذلك
العنصر. يرجع أصل الكلمة الإنجليزية (بالإنجليزية: Atom (إلى الكلمة
الإغريقية أتوموس وتعني(غير القابل للانقسام )إذ كان يعتقد أنھ ليس ثمة ما ھو
أصغر من الذرة. تتكون الذرة من سحابة من الشحنات السالبة (الإلكترونات) تحوم
حول نواة موجبة الشحنة صغيرة جدا في الوسط. تتكون النواة الموجبة ھذه من
بروتونات موجبة الشحنة، ونيوترونات متعادلة.
الذرة ھي أصغر جزء من العنصر يمكن أن يتميز بھ عن بقية العناصر وليس ھناك
فرق بين عنصر وآخر. ً فمثلا لا فرق بين بروتون في ذرة حديد وبروتون آخر في
ذرة يورانيوم ً مثلا، أو ذرة أي عنصر آخر.
وستم شرح بعض النظريات الذرية المھمة التي حاولت دراسة الذرات : -
1 -نموذج دالتون:-
يمكن التعبير عن النظرية التي اقترحھا بالاتي
1 .الأشياء (المواد) تتكون من العديد من الجسيمات غير القابلة للتجزئة
(ذرات) ذات حجم صغير جداً.
2 .ذرات نفس العنصر متشابھة في الخواص (الشكل والحجم والكتلة)،
ً وتختلف تماما عن ذرات العناصر الأخرى.
3 .المركبات تتكون نتيجة اتحاد الذرات بنسب محدودة.
2
4 .الاتحاد الكيميائي عبارة عن تغيير في توزيع الذرات.
لقد أثبتت نظرية دالتون نجاحھا من خلال تفسيرھا لبعض الحقائق القائمة في ذلك
الزمان كما أنھا استطاعت أيضا التنبؤ ببعض القوانين غير المكتشفة .
2 -نموذج ثومسون
في عام 1896 ً م أجرى ثومسن أبحاثا حول أشعة الكاثود. وفي عام 1897م،
أدھش الأوساط العلمية بإعلانھ عن أن الجسيمات المكونة لأشعة الكاثود ھي
ً أصغر حجما بكثير من حجوم الذرات، وقد سميت ھذه الجسيمات ب
(الإلكترونات).
أظھر اكتشاف الإلكترون للعالم "ثومسون" أن المفھوم القديم عن الذرة منذ ألفى
عام، والذي يبين على أنھا (الذرة) ً ھي جسيم غير قابل للانقسام كان مفھوما
ً ً خاطئا، كما أظھر أيضا أن للذرة - في الواقع- ترتيب معقد غير أنھم لم يغيروا
مصطلح "الذرة" أو غير القابلھ للتجزئة إلى "اللا ذرة" وأدى اكتشاف
"ثومسون" عن الإليكترون ذو الشحنة السالبة إلى إثارة الإشكاليات النظرية لدى
الفيزيائيين لأن الذرات ككل - تحمل شحنات كھربائية متعادلة فأين الشحنة
الموجبة التي تعادل شحنة الإلكترون.
وفى الفترة ما بين عامي (1903 - 1907 (حاول - "ثومسون" أن يحل ھذا
اللغز السابق ذكره عن طريق تكييف نموذج للذرة والتي اقترحھا في المقام الأول
"اللورد كيلفن" في عام 1902 ، ً ً وطبقا لھذا النموذج والذي يشار إليھ غالبا
بنموذج ثومسن ً فإن الذرة غالبا ھنا عبارة عن كرة ذات شحنة موجبة متماثلة
أما الشحنات السالبة فإنھا منتشرة على الإلكترونات.
وترجع أفضلية نظرية " ثومسون" عن الذرة في أنھا ثابتة، فإذا لم توضع
الإلكترونات في مكانھا الصحيح فستحاول أن تعود إلى مواضعھا الأصلية ثانية.
حيث توصل ثومسون إلى إن:-
1 .الذرة كرة مصمتة موجبة الشحنة.
2 .تتخلل الالكترونات السالبة الذرة (كما تتخلل البذور ثمرة البرتقال).
3 .الذرة متعادلة كھربائياً.
ً ً ً كان عمل ثومسون يمثل تقدما أساسيا في مجال الفھم العلمي لبنية الذرة مقترحا
ً نموذجا عرف فيما بعد بنموذج ثومسون. إن عملھ ھذا أعطى الكثير من البراھين
العملية لكثير من النظريات التي وضعت حول البنية الذرية في عصره.
3
نموذج ثومسون
(الشحنة الموجبة موزعة بالتساوي على كل الحجم المشغول بالإلكترونات)
3 -نموذج رذرفورد:-
اكتشف رذرفورد من خلال تجاربھ بأن الشحنة الموجبة للذرة تتركز في مركزھا
نواة صغيرة مكثفة ومتراصة وعلى أساس ذلك وضع نموذجھ الذري الذي عرف
بالنموذج النووي.
افترض راذرفورد عام 1911 ً م النموذج النووي للذرة معتبرا أن الذرة تتكون من
ً ً كتلة صغيرة جدا وكثيفة جدا ذات شحنة موجبة تسمى النواة وتحتل مركز الذرة
وتحتوي نواة الذرة على جميع البروتونات ولذا فان كتلة الذرة ھي تعبير عن
مجموع كتل البروتونات في نواتھا (حيث أن قيمة كتل الإلكترونات صغيرة جدا).
كما أن شحنة النواة الموجبة ترجع إلى تمركز البروتونات الموجبة بھا. وتتوزع
الكترونات الذرة حول النواة بنفس الطريقة التي تتوزع بھا الأجرام السماوية حول
الشمس. وبما أن الذرة متعادلة لذا فعدد الاليكترونات يساوي لعدد البروتونات
بالنواة.
قام العالم راذرفورد بإجراء بعض من ابرز التجارب للوصول إلى حقائق تركيب
الذرة.وقد اعتمد في تجارية على استخدام جسيمات ألفا المنطلقة من مادة مشعة
وفي اعتقاده أن المادة المشعة تطلق إشعاعاتھا في كافة الاتجاھات وبلا حدود
وھي تتكون من:
4
? جسيمات ألفا (particles -Alpha (الموجبة الشحنة .
? جسيمات بيتا (particles -Beta (السالبة الشحنة .
? أشعة جاما (rays -Gamma (المتعادلة الشحنة.
ويمكن اعتبار جسيمات ألفا على أنھا ذرات للھليوم فقدت إليكترونين ولذا فان
جسيمات ألفا تحمل شحنتين موجبتين ولھا كتلة تساوي أربعة مرات كتلة ذرة
الھيدروجين.
وقد ساعد "رذر فورد" على تنمية معرفتنا بالذرة ،عندما قام مع "ھانز جيجر"
إجراء تجارب رقائق الذھب الشھيرة والتي أظھرت أن للذرة نواة صغيرة ولكنھا
تحتوى على كل الكتلة تقريباً. فقد قام بإطلاق جسيمات "ألفا" خلال الرقائق
الذھبية ثم استقبلت ھذه الجسيمات كومضات ضوئية.
لقد سمح راذرفورد بإطلاق حزمة رقيقة للغاية من جسيمات ألفا من مصدر مشع
كعنصر البولونيوم بالمرور في اتجاه صفيحة معدنية رقيقة من الفضة أو الذھب
،وبعد اختراق تلك الجسيمات الصفيحة المعدنية استقبلھا على لوح من كبرتيد
الخارصين موضوع خلفھا .
قام روذرفورد عمليا بإطلاق جسيمات "ألفا" خلال الرقائق الذھبية تصل سماكة
الرقيقة الذھبية الواحدة إلى حوالى 00004.0 سنتيمتر فقط، ثم استقبل ھذه
الجسيمات كومضات ضوئية على شاشة الاستقبال ومرت معظم الجزئيات مباشرة
عبر الرقائق في حين انحرفت واحدة فقط من عشرين ألف جزئ (ألفا) إلى حوالى
ْ45 م أو أكثر.
5
وتوصل رذرفورد إلى النتائج الآتية :-
1 -إن الجزء الأكبر من جسيمات إلفا تخترق صحيفة الذھب دون أن تعاني إي
انحراف في مسارھا.
2 -جزء قليل من جسيمات إلفا قد انحرفت عن مسارھا.
3 -جزء قليل من جسيمات إلفا تنحرف بزاوية 180
0
إي أنھا ترتد إلى الوراء
مباشرة.
4 -إن عدد جسيمات إلفا التي ترتد إلى الوراء تتناسب طرديا مع سمك
الصفيحة المستعملة ونوع مادتھا .
إن الطريقة الوحيدة التي مكنت راذرفورد من تفسير نتائج تجربتھ المدھشة
وقدرة الجسيمات على المرور والانحراف ضمن الذرة ھي:
أولاً : وجود فراغ كبير في الذرة دليل على عدم الانحراف الكلي للجسيمات.
ثانياً : احتواء الذرة بعض الجسيمات الثقيلة والمشحونة بشحنات موجبة وبالتالي
فإن اقتراب جسيمات ألفا من ھذه الجسيمات الموجبة قد تسبب في تنافر بسيط
معھا ، وبالتالي كان سببا في انحراف بعض جسيمات ألفا.
ثالثاً: تمركز الجسيمات الموجبة الشحنة بالذرة في وسطھا مما سبب الانحراف
الكلى لجسيمات ألفا المارة بمركز النواة. مما سبب الانحراف الكبير لھذه
الجسيمات.
لذلك فنموذج الذرة التي توصل إليھا روذرفورد (النموذج النووي) ھو :
1 .الذرة تشبھ المجموعة الشمسية (نواة مركزية يدور حولھا على مسافات
شاسعة الالكترونات سالبة الشحنة)
2 .الذرة معظمھا فراغ (لأن الذرة ليست مصمتة وحجم النواة صغير جدا
بالنسبة لحجم الذرة)
3 .تتركز كتلة الذرة في النواة (لأن كتلة الالكترونات صغيرة جدا مقارنة
بكتلة مكونات النواة من البروتونات والنيوترونات)
4 .يوجد بالذرة نوعان من الشحنة (شحنة موجبة بالنواة وشحنات سالبة
على الالكترونات
5 .الذرة متعادلة كھربيا لأن عدد الشحنات الموجبة (البروتونات) يساوي
عدد الشحنات السالبة (الالكترونات)
6 .تدور الالكترونات حول النواة في مدارات خاصة.
6
7 .يرجع ثبات الذرة إلى وقوع الالكترونات تحت تأثير قوتين متضادتين في
الاتجاه متساويتين في المقدار ھما قوة جذب النواة للالكترونات وقوة
الطرد المركزي الناشئة عن دوران الالكترونات حول النواة.