الجزيئات تحت الذرّية

كان دالتون محقًا جزئيًا فقط بشأن الجسيمات التي تشكل المادة. تتكون المادة من ذرات ، وتتكون الذرات من ثلاث جسيمات تحت ذرية أصغر: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. تمثل هذه الجسيمات الثلاثة كتلة وشحنة الذرة.

اكتشاف الإلكترون

جاء أول دليل عن التركيب دون الذري في نهاية القرن التاسع عشر عندما اكتشف ج.ج طومسون الإلكترون باستخدام أنبوب أشعة الكاثود. يتكون هذا الجهاز من أنبوب زجاجي محكم ، تمت إزالة كل الهواء منه تقريبًا ، وكان يحتوي على قطبين كهربائيين معدنيين. عندما تم تطبيق الجهد العالي عبر الأقطاب الكهربائية ، ظهر شعاع مرئي يسمى شعاع الكاثود بينهما. تم انحراف هذه الحزمة تجاه الشحنة الموجبة وبعيدًا عن الشحنة السالبة ، وبذات الطريقة تم انتاج الشعاع بخصائص متطابقة عند استخدام معادن مختلفة للأقطاب. في تجارب مماثلة ، تم انحراف الشعاع في نفس الوقت بواسطة مجال مغناطيسي مطبق. سمحت قياسات مدى الانحراف وشدة المجال المغناطيسي لطومسون بحساب نسبة الشحنة إلى الكتلة لجسيمات أشعة الكاثود. أشارت نتائج هذه القياسات إلى أن هذه الجسيمات كانت أخف بكثير من الذرات. بناءً على ملاحظاته ، اقترح طومسون ما يلي:

• تنجذب الجسيمات بواسطة الشحنات الموجبة (+) ويتم صدها بالشحنات السالبة (&سالب;) ، لذلك يجب أن تكون سالبة الشحنة (الشحنات المتماثلة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب) ؛
• الجسيمات أقل من كتلة الذرات ولا يمكن تمييزها ، بغض النظر عن مصدر المواد ، لذلك يجب أن تكون مكونات أساسية تحت ذرية لجميع الذرات.

جسيم أشعة الكاثود من طومسون’s هو إلكترون ، وهو جسيم سالب الشحنة دون ذري كتلته أقل من الذرّة بما يزيد عن 1000 مرة. مصطلح “إلكترون” ابتكره الفيزيائي الأيرلندي جورج ستوني عام 1891 ، من “الأيونات الكهربائية.”

في عام 1909 ، قام روبرت أ. ميليكان بحساب شحنة الإلكترون عن طريق تجارب “قطرة الزيت” الخاصة به. ابتكر ميليكان قطرات زيت مجهرية ، يمكن شحنها كهربائيًا بالاحتكاك أثناء تشكلها أو باستخدام الأشعة السينية. سقطت هذه القطرات في البداية بسبب الجاذبية ، ولكن كان بالامكان إبطاء تقدمها نحو الأسفل أو حتى عكسه بواسطة مجال كهربائي في القسم السفلي للجهاز. من خلال ضبط شدة المجال الكهربائي وإجراء قياسات دقيقة وحسابات مناسبة ، كان ميليكان قادرًا على تحديد شحنة القطرات الفردية لتكون 1.6 مرة ؛ 10 ^{& ناقص ؛ 19} ج (كولومب). استنتج ميليكان أن هذه القيمة يجب أن تكون الشحنة الأساسية لإلكترون واحد. نظرًا لأن شحنة الإلكترون كانت قد أصبحت معروفة بسبب أبحاث — ميليكان’s ؛ وكانت نسبة الشحنة إلى الكتلة معروفة بالفعل بسبب أبحاث طومسون’s (1.759 &مرات; 10¹¹ C/كغ) —تم تحديد كتلة الإلكترون لتكون 9.107 &مرات; 10⁻³¹ كغ.

نموذج رذرفورد’s النووي

لقد أثبت العلماء الآن أن الذرة ليست غير قابلة للتجزئة كما كان يعتقد دالتون ، وبسبب عمل طومسون وميليكان وآخرين ، فإن شحنة وكتلة الجسيمات تحت الذرية السالبة — ؛ الإلكترونات —. كانت معروفة. عرف العلماء أن الشحنة الكلية للذرة هي متعادلة. ومع ذلك ، فإن الجزء الموجب الشحنة من الذرة لم يتم فهمه جيدًا بعد. في عام 1904 ، اقترح طومسون موديل “حلوى بودنغ الخوخ” كنموذج للذرات ، الذي وصف كتلة موجبة الشحنة بكمية متساوية من الشحنة السالبة على شكل إلكترونات مضمنة فيها ، لأن جميع الذرات متعادلة كهربائيًا. تم اقتراح نموذج منافس في عام 1903 من قبل هانتارو ناغوكا، الذي افترض أن الذرّة تشبه زحل ، تتكون من كرة موجبة الشحنة محاطة بهالة من الإلكترونات.  

التطور الرئيسي التالي في فهم الذرة جاء من إرنست رذرفورد. أجرى سلسلة من التجارب باستخدام حزمة من جسيمات ألفا عالية السرعة موجبة الشحنة (&ألفا ، جسيمات) التي تم إنتاجها عن طريق الاضمحلال الإشعاعي للراديوم. لقد صوب شعاع من &ألفا على جزيئات موضوعة على قطعة رقيقة جدًا من رقائق الذهب وقام بفحص التشتت الناتج لجسيمات شعاع ألفا باستخدام شاشة مضيئة تتوهج لفترة وجيزة عند اصطدامها بـجسيمات ألفا. لاحظ أن معظم الجسيمات مرت عبر الرقاقة دون انحراف على الإطلاق. ومع ذلك ، تم انحراف بعضها بشكل طفيف ، وانعكس عدد صغير جدًا بشكل مباشر تقريبًا باتجاه المصدر.

من هذا ، استنتج رذرفورد ما يلي: لأن معظم جزيئات ألفا& سريعة الحركة ؛ فلا بد أن الجسيمات قد مرت عبر ذرات الذهب دون انحراف ، ولا بد أنها قد سافرت عبر الفضاء الفارغ داخل الذرة. جسيمات ألفا موجبة الشحنة ، لذلك تنشأ الانحرافات عندما واجهت شحنة موجبة أخرى (الشحنات المتماثلة تتنافر مع بعضها البعض). نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض ، فإن بعض جسيمات ألفا& المشحونة إيجابياً والتي غيرت مسارها فجأة لا بد أنها قد اصطدمت أو اقتربت من جسم آخر كان له أيضًا شحنة موجبة عالية التركيز. نظرًا لحدوث الانحرافات لجزء صغير من الوقت ، فإن هذه الشحنة تشغل مساحة صغيرة فقط في رقائق الذهب.

عند تحليل سلسلة من التجارب ، توصل رذرفورد إلى نتيجتين مهمتين:

1. يجب أن يتكون الحجم الذي تشغله الذرة من قدر كبير من المساحة الفارغة.
2. جسم صغير ، ثقيل نسبيًا ، موجب الشحنة ، النواة ، يجب أن يتواجد في مركز كل ذرة.

قاد هذا التحليل رذرفورد إلى اقتراح نموذج تتكون فيه الذرة من نواة صغيرة جدًا موجبة الشحنة ، حيث تتركز معظم كتلة الذرة ، وتحيط بها الإلكترونات سالبة الشحنة بحيث تكون الذرة متعادلة كهربائيًا . بعد العديد من التجارب ، اكتشف رذرفورد أيضًا أن نوى العناصر الأخرى تحتوي على نواة الهيدروجين باعتبارها “لبنة بناء,” ، ” وقد أطلق على هذا الجسيم الأساسي اسم البروتون ، الجسيم تحت الذري موجب الشحنة والموجود في النواة.  

هيكل الذرة

توجد البروتونات في نواة الذرة ولها شحنة موجبة. عدد البروتونات يساوي العدد الذري في الجدول الدوري ويحدد هوية العنصر. توجد النيوترونات أيضًا في النواة. ليس لديهم شحنة ، لكن لديهم نفس كتلة البروتونات وبالتالي يساهمون في الكتلة الذرية للذرة. تدور الإلكترونات حول النواة في السحب. لديهم شحنة سالبة وكتلة ضئيلة ، لذا فهم يساهمون في الشحن الكلي للذرة ، ولكن ليس في كتلتها.

النيوترونات

كان من المعروف أن النواة تحتوي على كل كتلة الذرة تقريبًا ، حيث يوفر عدد البروتونات نصف هذه الكتلة أو أقل. تم تقديم مقترحات مختلفة لشرح ما يشكل الكتلة المتبقية ، بما في ذلك وجود جسيمات محايدة في النواة. لم يعثر جيمس تشادويك حتى عام 1932 على دليل على وجود نيوترونات ، وجسيمات دون ذرية غير مشحونة ، بكتلة تعادل كتلة البروتونات تقريبًا.

يفسر وجود النيوترون أيضًا النظائر: تختلف في كتلتها لأن لها أعدادًا مختلفة من النيوترونات ، لكنها متطابقة كيميائيًا لأن لديها نفس عدد البروتونات.

وحدة الكتلة الذرية (amu) ووحدة الشحنة الأساسية (e)

تحتوي النواة على غالبية كتلة الذرة’s لأن البروتونات والنيوترونات أثقل بكثير من الإلكترونات ، بينما تشغل الإلكترونات تقريبًا كل حجم الذرة’s. قطر الذرة في حدود 10 ^{& ناقص؛ 10} م ، بينما يبلغ قطر النواة تقريبًا 10 ^{& ناقص؛ 15} م & mdash؛ حوالي 100000 مرة أصغر. الذرات— والبروتونات والنيوترونات والإلكترونات التي تتكون منها — صغيرة للغاية. على سبيل المثال ، تزن ذرة الكربون أقل من 2 مرة ؛ 10 ^{& ناقص؛ 23} غ ، وشحنة الإلكترون أقل من 2& مرات ؛ 10 ^{& ناقص؛ 19} C. عند وصف خصائص الأجسام الصغيرة مثل الذرات ، يتم استخدام وحدات القياس الصغيرة المناسبة ، مثل وحدة الكتلة الذرية (amu) والوحدة الأساسية للشحنة (e) . يتم تعريف amu فيما يتعلق بأكثر نظائر الكربون وفرة ، حيث تم تخصيص كتل ذرات منها بالضبط 12 amu. وبالتالي ، فإن وحدة amu تساوي بالضبط 1/12 من كتلة ذرة كربون -12: 1 amu = 1.6605 & مرات؛ 10 ^{& ناقص ؛ 24} ز. دالتون (دا) ووحدة الكتلة الذرية الموحدة (ش) وحدات بديلة تكافئ amu.

الوحدة الأساسية للشحنة (وتسمى أيضًا الشحنة الأولية) تساوي مقدار شحنة الإلكترون مع e = 1.602 & times؛ 10 ^{& minus؛ 19} C. تبلغ كتلة البروتون 1.0073 amu وشحنة تزيد عن 1. النيوترون هو جسيم أثقل قليلاً كتلته 1.0087 amu وشحنه صفر ؛ كما يوحي اسمها ، فهي محايدة. شحنة الإلكترون 1 & ناقص ؛ وهو جسيم أخف بكثير كتلته حوالي 0.00055 amu. كمرجع ، سوف يستغرق الأمر حوالي 1800 إلكترون لتساوي كتلة بروتون واحد. تم تلخيص خصائص هذه الجسيمات الأساسية في الجدول التالي.  

هذا النص مأخوذ من Openstax, Chemistry 2e, القسم 2.2: تطور النظرية الذرية والقسم 2.3: البنية الذرية والرمزية.