مہجہرد إنہسہآن
ادارة الموقع
بسم الله الرحمن الرحيم
والصلاة والسلام على أشرف الأنبياء والمرسلين نبينا محمد وعلى آله وصحبهوسلم أجمعين
أما بعد:
هذا بحث يتكلم عن الذرة والأمور المتعلقة بها وهومستنبط من كناب الكيمياء العامة للدكتور سالم مليباري،عميد كلية العلوم بجامعةالرياض .
نرجو أن ينال على رضا الله أولا ثم رضاكموما فيه من صواب فهو من الله وأما ما فيه من خطأ وتقصير فمن أنفسنا ومنالشيطان.
والله ولي التوفيق.
النظرية الذريةالحديثة
ترجع فكرة وجود الذرة إلى بعض فلاسفة اليونان(ديمقراط) و(لويكب) في منتصف القرن الرابع قبل الميلاد إذ كان يعتقد أن المادة إذا جزئت تؤول إلى جسيملا يتجزأ سمي (الذرة) لكنه لم يؤخذ بها على المدى البعيد لأنها كانت محض نظرياتفلسفية تختلف معها نظريات فلسفية أخرى واستمر الوضع كذلك حتى مطلع القرن التاسع عشرحيث ظهرت فرضية (دالتون) الذرية التي جاء بها مفسرا قانون النسب الثابتة للعالمبروست ((عندما يجري اتحاد كيميائي بين عنصرين فان اتحادهما يتم وفق نسبه وزنيهمعينة وينتج مركب لا يختلف في كل مرة باختلاف الطريقة التي اتخذت في تحضيره)) وقدقادته هذه الفرضية إلى قانون النسب المضاعفة لدالتون((أوزان عنصر يتحد مع عنصر آخرويكون معه مركبات متنوعة تشكل فيما بينهما نسب عددية بسيطة((
*فرضيةدالتون:
يمكن تلخيص فرضية دالتون بالنقاط التالية:-
1/تتكون العناصرمن وحدات صغيرة منفصلة غير قابلة للانقسام أو الانضغاط تسمى ذرات وهذه الذرات تبقىثابتة في كل التغيرات الطبيعية والكيميائية.
2/ذرات العنصر الواحد متماثلة فيخواصها الفيزيائية والكيميائية ولها نفس الوزن كما أن ذرات العناصر المختلفة تختلففي أوزانها وخواصها الفيزيائية والكيميائية.
3/تتم الإنحادات بين عنصرين أو أكثرعن طريق اتحاد ذرات هذه العناصر بنسب عددية بسيطة مثل(2:1) في حالة H2O و(2:3) فيحالة Al2O3.
4/يمكن لذرات العنصر نفسه أن تتحد بذرات عنصر آخر في أكثر من نسبةلتكون أكثر من مركب ،مثلا تتحد ذرات الأكسجين بذرات النحاس بالنسبة(1:1) في أكسيدالنحاس الثنائي CuO أ و بنسبة (2:1) كما في أكسيد النحاس الأحادي Cu2O والأمثلةكثيرة على ذلك.
ولقد هذه الفرضية اهتمام العديد من الكيميائيين والفيزيائيينفأدخلت عليها تعديلات وتغيرات حتى استقرت على ما هي عليه اليوم.
وقد كان لهذهالنظرية أثرها في مجال البحث والدراسة إذ استطاع (مندليف) اعتمادا على هذه الفرضيةترتيب العناصر ترتيبا دوريا وفقا لأوزانها الذرية .
*مكوناتالذرة:
خلافا لما افترضه (دالتون) 1808م فلقد أدت الاكتشافات في نهاية القرنالتاسع عشر أن الذرة تتكون من دقائق غاية في الصغر ففي عام 1895م اكتشفت الأشعةالسينية وفي عام 1896م عرفت ظاهرة النشاط الإشعاعي ثم تم في عام 1897م اكتشافالالكنرون رغم أن تجربة (ميشال فراداي) التي درس فيها توصيل المحاليل المختلفةللتيار الكهربائي والتي توصل منها إلى آن هناك وحدات مسئولة عن نقل التيار ولكنه لميستطع تحديد نوع هذه الوحدات كانت كافية للدلالة على الالكنرونات ولدى متابعة (استوني وهلمهولتز) بحث فراداي في فترات مختلفة استنتج (هلمهولتز) أن الكهرباءكالمادة له طبيعة ذرية أي أنها مكونة من دقائق هي وحدة الكهرباء أطلق عليها(استوني ) عام 1897م اسم إلكترون ولقد سبق أن عرف الالكنرون في أنابيب التفريغ إذ سميتالأعداد الكبيرة منه التي تنتج في هذه الأنابيب بأشعة المهبط.
*أشعة المهبطوالتأثير الضوئي الكهربي:
من المعروف أن التيار الكهربائي لا يمر في الهواءولكنه يمر في أنبوبة فرغت منه بواسطة مخلخلة الهواء، إذ تتكون شرارة كهربائية داخلالأنبوبة إذا ما لحم سلك في طريق الأنبوبة ووصل بمصدر كهربي.
هذا ولقد اكتشفالعالم(بلوكر) عام 1858م أن الأنبوبة تمتلئ بأشعة غير مرئية إذا انخفض الضغط داخلالأنبوبة إلى 0.01-0.001mmHg وسمى هذه الأشعة بأشعة المهبط لأنها تنبعث من المهبطعند إمرار شحنة كهربية في أنبوبة تحتوي على غاز تحت ضغط منخفض.
ولقد استدل علىهذه الأشعة غي المرئية بما تحدثه من تلألؤ أخضر مصفر على جدار أنبوبة التفريغالممزوج بشيء من النحاس يمكن أن يظهر أثرها على حواجز خاصة مطلية بكبريتيد التوتياء ZnS لأنها إذا لامست هذه الحواجز فانه ينبعث ضوء اخضر.
وتحدث جزيئات غاز النيونضوء ذو لون احمر إذا ملئت أنبوبة التفريغ بقليل من هذا الغاز أما جزيئات غازالهيليوم فإنها تطلق ضوء قرمزي .
وتتميز الأشعة المهبطية بالخواصالتالية
1/تسير في خطوط مستقيمة باتجاه بعيد عن المهبط وعمودية عليه ولا تتأثربمكان المصعد ،واستدل على ذلك عندما تكونت صورة كاملة للجسم الذي وضع فيه مسارالأشعة فلو كانت تسير في خطوط مائلة لما ظهرت الصورة كاملة .
2/عبارة عن جسيماتمتحركة لها كتلة.
3/ذات شحنة سالبة إذ تنحرف بالمجال الكهربائي أو المجالالمغناطيسي إلى ناحية القطب الموجب مما يدل على أنها تحمل شحنةسالبة.
يتضح مما تقدم أن أشعة المهبط هي جسيمات صغيرةذات كتلة وشحنة قد وجد أيضا أن هذه الكتلة وهذه الشحنة لا تختلف مهما اختلفت نوعيةالغاز الموجود داخل أنبوبة التفريغ بل تبقى ثابتة تساوي في مقدارها كتلة وشحنةالالكترونات لذا تعرف الأشعة المهبطية بأنها سيل من الالكترونات يسير نحو المصعدبعيدا عن المهبط (لان المهبط يحمل نفس الشحنة السالبة ) بسرعة مقدارها 1/10 من سرعةالضوء.
لا تعتمد طبيعة هذه الأشعة على نوع مادة المهبط أو نوع الغاز الموجودفي أنبوبة التفريغ أو نوع السلك الموصل للتيار الكهربي أو نوع المادة المستعملةلتوليد التيار الكهربي.
ولقد تبين مؤخرا أن هذه الالكترونات لا تقتصر علىأنابيب التفريغ حيث أطلقت بعض العناصر بعض الكترونات ذراتها ، عندما سلط عليها أشعةكهرومغناطيسية مثل الضوء العادي .
تعرف هذه الظاهرة (وهي إطلاق العنصر لبعضالكتروناته تحت تأثير الضوء) بظاهرة فعل الضوء الكهربي.
لا يتأثر إلا القليلمن العناصر المعدنية بفعل الضوء العادي وهناك عدد من المعادن تتأثر ذراتها إذاأسقطت عليها أشعة كهرومغناطيسية لها موجات أطوالها أقصر من طول موجة الضوء العادي،مثل الأشعة فوق البنفسجية ، فطاقة هذه الأشعة أكبر من طاقة الأشعة المرئية لذايمكنها انتزاع الالكترونات من الذرات ، أما الأشعة المرئية فتستطيع انتزاعالكترونات أغلب المواد لما تمتاز موجتها بالتناهي بالقصر.
*الالكترونات
الإلكترون جسيم متناهي في الصغر وهو أحد مكونات الذرةلا يرى بالعين المجردة يظهر أثره على الألواح المغطاة بكبريتيد التوتياء (تلألؤ،أخضر) والالكترونات متماثلة في جميع الذرات سواء كانت ذرات لغاز ما مثلالأكسجين أو ذرات معدن صلب مثل الحديد لأنها وحدات بناء جميع الذرات.
لم يكنبالمستطاع معرفة كتلة وشحنة الإلكترون لعدم توفر الأجهزة والإمكانيات لقياس مقاديرصغيرة ولقد كانت أولى المحاولات في عام 1897م إذ استطاع الفيزيائي الانجليزي (تومسون) أن يقدر النسبة بين شحن الإلكترون وكتلته( E/M)
حيث E شحنته وM كتلته،فوجدها تساوي( 1.7588×10( colomb\gr.
وفي عام 1913م استطاع الأمريكي (ميليكان) أن يقيس شحنة الإلكترونE
فوجدها تساوي( 1.6021×10( colomb\gr .
ووجد أيضا أنكتلته تساوي( 9.11×10gr ).
هذه الكتلة إذا قورنت بكتلة ذرة الهيدروجين تساوي (1/1838) من وزن ذرة الهيدروجين فإذا كان وزن ذرة الهيدروجين وحدة الأوزان الذريةفان كتلة الإلكترون تساوي (0.0005486 وحدة ذرية).
*البروتونات والأشعةالموجبة:
في عام 1886م لاحظ العالم (غولد شتاين) انه إذا استعمل مهبط مثبتفي أنبوبة تفريغ نحتوي على كمية من غاز أي أن الضغط داخل الأنبوبة يزيد على المطلوبلإنتاج أشعة المهبط فان أشعة أخرى ملونة غير أشعة المهبط تظهر على السطح الخلفيللمهبط تتحرك باتجاه المهبط أي بعكس أشعة المهبط التي تبتعد عن المهبط مما يدل علىأن هذه الأشعة تحمل شحنة عكس شحنة أشعة المهبط فهي إذا تحمل شحنة موجبة وبالفعل وجدلدى دراستها أنها تتألف من جسيمات تحمل شحنة موجبة ووجد أنها جسيمات غير متجانسة فيخواصها كذلك بعكس الالكترونات التي تكون أشعة المهبط فكتلتها وشحنتها تختلفان فيالمقدار باختلاف نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ وكذلك لون هذه الأشعة يختلفباختلاف الغاز المستخدم في أنبوبة التفريغ فاللون الذي يظهر في أنبوبة التفريغ التيتشمل صغيرة من غاز النيون يكون احمر أما غاز الهيليوم فانه يعطي لونا قرمزي وهكذابالنسبة لبقية الغازات .
يتضح مما تقدم أن الأشعة الموجبة عبارة عن ايونات موجبةلذرات الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ يمكن تفسير نشوء الأشعة الموجبة كمايلي:-
عند توصيل أنذرية.لتفريغ بالتيار الكهربائي تمتلئ بالالكترونات تتفرغمن المهبط أو من ذرات الغاز الملاصق للمهبط وتحت تأثير فوق الجهد العالي تتحرك فيخطوط مستقيمة مبتعدة عن المهبط ومشكلة بذلك أشعة المهبط تصدم اثنا سيرها بذراتالغاز الموجود في أنبوبة التفريغ بطاقة تكفي لانتزاع الكترونات ذرات الغاز الذييملأ الأنبوبة فتسير الالكترونات في نفس الاتجاه وتتحول الذرات إلى ايونات موجبةتسير في اتجاه معاكس لاتجاه سير الالكترونات أي أنها تتجه ناحية المهبط فإذا كانالمهبط مثقوبا (لان طاقة اختراقها صغيرة) فإنها تظهر خلف المهبط كما سبق أن ذكرناقدرت قيمة النسبة بين شحنة وحدة هذه الأشعة وكتلتلها بنفس الطرق التي استخدمت فيتقدير قيمة النسبة بين شحنة وحدة وكتلة أشعة المهبط ووجد أن قيمة (E/M) للأشعةالموجبة تختلف باختلاف نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ ولقد وجد أن اكبر قيمةلها عندما تملأ أنبوبة التفريغ بغاز الهيدروجين ذلك لان كتلة ذرات الغازات تختلفباختلاف نوع الغاز ومعلوم أن الهيدروجين هو أخفها فلو فرض أن قيمة الشحنة (E) الموجبة ثابتة فتكون قيمة(E/M) اكبر ما يمكن عند استخدام اصغر قيمة ممكنة (M) وفيخالة استخدام غاز الهيدروجين ينشأ بروتونات لدى انتزاع الكترونات الذرات وذلك لانذرة الهيدروجين مكونة من إلكترون وبروتون فقط والبروتونات هي عبارة عن جسيمات صغيرةتوجد في انويه الذرات تحمل شحنة موجبة تساوي في مقدارها شحنة الالكنرون ولكن كتلةالبروتون اكبر من كتلة الإلكترون ب 1836 مرة وهي تساوي (1.00728) كتلةذرية.
*النيترونات :
هي نوع ثالث من الجسيمات الصغيرة التي تألفمكونات الذرة التي اكتشفت عام 1932م حيث اكتشف العالم الفيزيائي الانجليزي (شادويك) أن ذرات بعض العناصر (مثل ذرات معدن البريليوم Be إذا قذفت بجسيمات ألفا ذات السرعةالعالية فان ذرات هذه العناصر تطلق جسيمات صغيرة تختلف عن الالكترونات والبروتوناتالتي سبق ذكرها سماها (شادويك) النيترونات وقد وجد أنها متعادلة كهربائيا بمعنىأنها لا تحمل أي شحنة .
كتلة النيترون منها تساوي(1.0087)كتلة ذرية وقد وجدمؤخرا أن هذه النيترونات يمكن أن تنقسم إلى جسمين احدهما شيبه الالكنرون والثانييشبه البروتون ، بمعنى آخر أن النيترون الذي لا يحمل شحنة مكون من إلكترون ذو شحنة (-1) وبروتون ذو شحنة(+1) لذا فان النيترون متعادل .
مما تقدم يتضح أن وحداتمكونات الذرة هي الكترونات وبروتونات ونيترونات وهي عبارة عن جسيمات صغيرة تكون فيمجموعها الذرة وفيما يلي دراسة لكيفية تواجد هذه الجسيمات مع بعضهاالبعض..
ولقد كانت تجربة رذرفورد أولى التجارب التي أوضحتذلك.
*تجربة رذرفورد:
لقد ساد الاعتقاد بعد أن عرفت مكونات الذرة أنتركيب الذرة لا يمكن له أن يكون متجانسا إلا أن هذا لم يتحقق إلا عام 1911م وذلكبعد أن استخدمت المواد المشعة التي كان لها الأثر الأكبر في دراسة تركيبالذرة.
في عام 1901_1908م كان (جايجر ومارسدن) يشتغلان تحت إشراف الفيزيائيالانجليزي (أرنست رذرفورد) وكان بحثهما يتعلق بدراسة اختراق الأشعة المختلفةللأجسام الصلبة فوجدا أن جسيمات الغاز التي تنطلق بسرعة (10000ميل/ثانية) تستطيع أنتخترق رقاقة من الذهب سمكها (10.00004سم) ولكنهما لاحظا أيضا عن طريق الوميض الذيتعملها هذه الأشعة أن جزءا بسيطا من هذه الأشعة (التي هي عبارة عن جسيمات صغيرةقوية الاختراق) قد انحرف عن مساره المستقيم وجزءا آخر ابسط انعكس وارتد عن مسارهولقد كان لهذه الملاحظات أعظم الأثر في حقل التجارب إذ أثبتت بصورة رئيسية الشكلالتي توجد عليه مكونات الذرة.
ولقد اختير الذهب في تجربة (جايجر ومارسدن) لأنهمن أكثر المعدن مرونة حيث يمكن طرقه إلى صفائح رقيقة جدا سمك الواحدة منها حوالي (100 ذرة) كما أن ذرات الذهب كبقية المعادن متماسكة بحيث لا يمكنضغطها.
يتألف الجهاز الذي استخدم في هذه التجربة من أنبوبة زجاجية مفرغةبداخلها معوجة من الرصاص توضع بها المادة المشبعة (عنصر الرادون ) التي تطلق أشعةألفا وفي مسار جسيمات ألف المنطلقة يوضع قرص من الرصاص به فتحة في الوسط لتجميعالأشعة وجعلها تسير في خط مستقيم واحد .
ويحتوي الجهاز أيضا على حامل تثبت عليهرقاقة الذهب التي توضع في مسار الأشعة المجمعة ولما كانت جسيمات ألفا تحدث وميضاإذا سقطن على كبريتيد التوتياء فقد وضع أمام رقاقة الذهب صفائح مغطاة بكبريتيدالتوتياء (ZnS) إذا اصطدمت الأشعة برقاقة الذهب تمر خلالها وبخط مستقيم معظم الأشعةوالذي استرعى انتباههم أن جزءا ضئيلا من هذه الأشعة انحرف بعد مروره وجزء آخر اصطدموانعكس ولم يتمكن من تفسير ذلك حتى عام 1911م حيث علل(رذرفورد) السبب وأرجعه إلىتركيب ذرات الذهب وفسر نتائج التجربة بما يلي :-
1/لما كانت معظم الأشعةاخترقت صفيحة الذهب وسارت بخط مستقيم فهذا يعني أن هناك فراغا كبير ضمن ذرات الذهبالتي تؤلف الصفيحة حيث أن الذرات متلاصقة مع بعضها البعض.
2/انحراف جزء منالأشعة يعني أنها مرت بجوار كتلة ذات شحنة مماثلة لشحنة جسيماتالأشعة.
3/انعكاس بعض الأشعة يعني أنها اصطدمت بنفس الكتلة المذكورةسابقا.
يتضح مما تقدم أن مكونات الذرة بروتونات ونيوترونات موجودة في حيزصغير للغاية في وسط الذرة يعرف بنواة الذرة.
أما بقية المجال الذي تشغله الذرةفهو فراغا تسبح فيه الإلكترونات.
لهذا تعرف نظرية (راذرفورد) بالنظرية النوويةللذرة.
وبالطبع فإن وزن الذرة يتمركز في نواتها التي بها أثقل المكونات ولماكانت الذرة متعادلة كهربائيا فإن عدد الكتروناتها يساوي عدد البروتونات هذا وقدافترض (راذرفورد) أن الإلكترونات السابحة في فراغ الذرة تدور حول نفسها وحول النواةوأن هناك قوة طاردة مركزية تبعدها عن النواة وقوة تجاذب كهربي تقربها من النواةوهما متساويان متعادلان وقد أوضحت الدراسات التفصيلية التي أجريت فيما بعد علىتركيب الذرة ،والتي استخدمت فيها أشعة اكس أن:-
1/قطر النواة يبلغ حوالي (1/10000) من قطر الذرة نفسها.
2/قطر الذرة يبلغ حوالي (10سم) وقطر النواة (10سم).
وقد أوضح رذرفورد من تجاربه السابقة أن:-
1/عدد الشحناتالوجبة الموجبة داخل نواة الذرة (عدد البروتونات) في حالات كثيرة يساوي تقريبا نصفالوزن الذري لذلك العنصر.
2/عدد الشحنات الموجبة في نواة ذرة أي عنصر يساويالعدد الذري لذلك العنصر.
*نظرية بور:
لقد عرف قبل نتائج تجربةراذرفورد أن هناك نظرية قديمة تعرف بنظرية (مكسويل) للمجال المغناطيسي ظهرت عام 1864م تنص على أنه(إذا تحرك جسم مشحون بشحنة كهربائية في مدار حول جسم آخر مشحونبشحنة كهربائية مضادة فإن الجسم المتحرك يصدر إشعاعات تشبه موجات اللاسلكي وهذهتكون سببا في تناقص طاقة الجسم المتحرك وبالتالي يتضاءل مداره تدريجيا تبعا لتناقصالطاقة حتى يتلاصق مع الجسم الثابت ) ولو طبقنا هذه النظرية على تركيب الذرة لوجدأنها تعاكس ما استنتج من تجربة (رذرفورد) لأنه طبقا لنظرية (مكسويل) فإنالإلكترونات ذات الشحنة السالبة التي تتحرك حول البروتونات ذات الشحنة الموجبةستقترب منها تدريجيا حتى تسقط فيها وبالتالي يختفي حجم الذرة تماما ولا يبقى إلاحجم النواة.
غير أن نظرية( بور) التي ظهرت عام 1913م أثبتت خطأ نظرية (مكسويل) حيث برهنت على أن الإلكترونات في الذرة تدور حول نفسها وحول النواة في مدارات ثابتةولا يختلف البعد بينهما إلا بمؤثر خارجي وقد تعود إلى حالتها الطبيعية بعد زوالالمؤثر وللبرهنة على ذلك اختار العالم (بور) ذرة الهيدروجين لأنها أبسط الذراتفتركيبها عبارة عن إلكترون واحد يدور في مدار دائري حول نواة فيها بروتون واحد ولاتوجد في هذه الذرة نيترونات ولثبات الإلكترون هذا في مداره يجب أن تتساوى القوىالتي تبعده عن النواة مع القوة التي تعمل على تقريبه إلى النواة.
فالقوةالتي تبعد الإلكترون عن النواة يولدها دوران الإلكترون حول النواة وتعرف بالقوةالنابذة وهي تساوي حاصل ضرب مربع سرعة الإلكترون في كتلته مقسومة على البعد بينهوبين النواة ، أما القوة التي تعمل على تقريب الإلكترون من النواة فهي نوعين :
1/قوة الجاذبية نتيجة لوزن الإلكترون لأن الإلكترون الموجود خارج النواةفي الفراغ يعمل وزنه على تقريبه من النواة وهذه القوة متناهية في الصغر لأن وزنالإلكترون صغير جدا ويمكن إهمال هذه القوة.
2/قوة تجاذب كهربي بين الإلكترونالذي يحمل شحنة سالبة وبين البروتون الذي يحمل شحنة موجبة وهي القوة المؤثرة فعلاوتساوي مربع شحنة الإلكترون مقسومة على مربع نصف قطر المدار الذي يوجد به الإلكترونحول النواة وكما سبق فإن الإلكترون لا يبقى على نفس البعد من النواة إلا إذا تساوتالقوة النابذة مع القوة الجاذبة.
وللإلكترون في فلكه وهو يدور حول نفسه وحولالنواة طاقة كلية نرمز لها بالحرفE وهي عبارة عن نوعين من الطاقة :
1/طاقةحركية ناتجة عن حركة الإلكترون.
2/طاقة كامنة ناتجة عن التجاذب الكهربي بينهوبين النواة.
والطاقة الكلية للإلكترون تساوي مجموع الطاقتين المذكورتين .
وقد وجد أن الطاقة الحركية تساوي نصف كتلة الإلكترون مضروبة في مربعسرعته.
وأن الطاقة الكامنة له تساوي مربع شحنته مقسومة على بعد عن النواةمسبوقة بإشارة سالبة.
الطاقة الكلية للإلكترون تنقص كلما زاد بعده عن النواةبمعنى أن الإلكترون البعيد عن النواة يحتاج إلى طاقة أقل لانتزاعه منالذرة.
ولقد افترض (بور) أن كمية الحركة الزاوية للإلكترون( التي تساوي حاصلضرب كتلة الإلكترون بسرعته في بعده عن النواة) أن لها قيما معينة أو بعبارة أخرىفإن هناك مدارات أو أفلاكا معينة يمكن أن تكون الإلكترونات موجودة عليها فيالذرة.
وقد توصل بور إلى توضيح التركيب الإلكتروني للذرة ونال بذلك جائزةنوبل عام 1922م.
*الأطياف الذرية:
اعتمد بور في دراستهلتركيب الذرة ووصوله إلى النموذج الذي وضعه لذرة الهيدروجين على دراسة الأطيافالذرية التي يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع:
1/أطياف اللهب:-
منالمعروف أن بعض العناصر تكسب عندما تسخن في لهب مصباح (بنزن)اللهب لونا خاصا مميزاينشأ هذا اللون نتيجة لتأثير ذرات هذا العنصر بالطاقة الموجودة في لهب المصباح لذلككان طيف اللهب من الأطياف الذرية فالصوديوم يكسب اللهب لونا أصفر والبوتاسيوم يكسبهلونا بنفسجيا وهكذا ....
هذا وقد استعملت هذه الطريقة للكشف عن بعض العناصر فيبعض المواد.
وتتلخص هذه الطريقة بأن يعرض جزء صغير من المادة أو محلولها على طرفسلك من البلاتين للهب مصباح (بنزن)فيكتسب اللهب اللون المميز للعنصر إذا كان موجودافي المادة .
والجدول التالي يبين الألوان المميزة لبعضالعناصر:
العنصر الرمز لون اللهب العنصر الرمز لون اللهب
ليثيوم Li أحمركالسيوم Ca أحمربرتقالي
صوديوم Na أصفر استرانسيوم Sr أحمرطوبي
بوتاسيوم K بنفسجي باريوم Ba أخضر
روبيديوم RB أحمر سيزيوم Cs أزرق
قد لاتستطيع العين المجردة تمييز هذه الألوان بدقة في بعض الأحيان إذ يصعب مثلا التمييزبين لهب الليثيوم والاسترانسيوم لذا يستعان في التغلب على ذلك بجهاز يسمى (المطياف) الذي يتألف في أبسط صورة من مؤشر يعمل على كسر الضوء المار خلاله بدرجات مختلفةالألوان المختلفة بحيث تتباعد هذه الألوان عن بعضها العض فتكون أكثروضوحا.
2/أطياف الانبعاث :-
تعطي العناصر عندما تمتص كمية كافية من الطاقة طيفا يسمى طيف الانبعاث فلو سخن عنصر ما باللهب أو بواسطة قوس كهربائي فإن الطاقة التي يمتصها هذا العنصر تؤدي إلى تهيج ذراته بمعنى أن هذه الطاقة التي سلطت على ذرات العنصر أدت إلى اختلاف مواضع الإلكترونات في تلك الذرات أو بعبارة أخرى فإن ذرات العنصر تحتوي في الظروف العادية على أقل كمية من الطاقة فهي مستقرة لذلك تسمى هذه الحالة بحالة الاستقرار أو الحالة الأساسية، أما إذا تعرضت لكمية من الطاقة فإن الإلكترونات وخصوصا الموجودة بعيدا عن النواة تمتص كمية من هذه الطاقة مما يجعله يقذف إلى مستوى طاقة أعلى من المستوى الذي كان عليه وفي هذه الحالة يقال أن الذرات في حالة تهيج وعندما تعود الذرات من حالة التهيج إلى حالة الاستقرار ثانية بعد زوال المؤثر الخارجي (الطاقة) فإنها تطلق الطاقة التي امتصتها على شكل إشعاع يكون في بعض الأحيان في مجال الضوء المرئي وفي البعض الآخر يكون على هيئة إشعاع غير مرئي وأيا كانت الحالة فإن الإشعاع المنطلق هذا يسمى طيف الانبعاث وإذا مر هذا الطيف خلال مؤشر (جهاز المطياف) فإنه يتحلل إلى مكوناته من موجات .
يتألف طيف الانبعاث عادة من نوعين :-
الطيف المستمر والمتقطع ،يظهر الطيف المتقطع على شكل حقل مظلم به خطوط متباعدة مضيئة تلعب أطياف الانبعاث دورا مهما في التعرف على العناصر المختلفة.
إذ لكل عنصر طيف انبعاث مميز له وقد أدى هذا إلى اكتشاف بعض العناصر من ذلك مثلا أنه نم اكتشاف العناصر التالية ما بين سنة 1860م وسنة1879م ،الربيديوم والسيزيوم والثاليوم والانديوم والجاليوم والإسكنديوم ،وذلك لأن بعض المواد الخام أعطن عندما فحصت بواسطة (المطياف) خطوط لا تشبه خطوط العناصر المعروفة في ذلك الوقت كما أن طيف الانبعاث أدى إلى اكتشاف غاز الهيليوم في الشمس عام 1868م ولم يعرف وجوده في الأرض إلا عام 1895م.
3/أطياف الامتصاص :-
تعطي معظم المواد الصلبة إذا سخنت إلى درجة حرارة عالية جدا لهبة بيضاء ساخنة وينطلق منها إشعاع طول موجته مساوي لطول موجة الضوء المرئي يؤلف هذا الإشعاع عادة طيفا مستمرا فلا يشكل مناطق مظلمة .
لحصول على الطيف المستمر تستعمل العناصر أو المركبات ذات درجة الانصهار العالية ومن أهم هذه العناصر عنصر التنجستن المستعمل مصابيح الإضاءة الكهربائية حيث يسخن بالكهرباء لدرجات حرارة عالية فيتوهج ويعطي الضوء الأبيض المعروف ذو الطيف المستمر والموجات الكهرومغناطيسية .
إذا نفذ خلال مادة ما فإن بعض موجات هذا الطيف تمتص وتعتبر هذه الموجات الممتصة مميزة للمادة التي امتصتها وبعبارة أخرى فإن كل مادة تمتص موجات ذات أطوال معينة خاصة بها أما الشكل الناتج للطيف بعد نفوذه
فلا يبقى مستمرا إذ يتألف من خطوط لذلك يسمى بطيف الامتصاص.
ولقد أدت دراسة أطياف الانبعاث للغازات إلى تطوير طرق اختبار المواد المجهولة سواء أكانت سائلة أو غازية أو صلبة ملونة أو عديمة اللون إذ أنها تمتص موجات ذات أطوال معينة من الضوء الأبيض.
والمواد التي لا تمتص الضوء الأبيض يمكن أن تمتص موجات ذات أطوال مميزة من الأشعة الحمراء أو فوق البنفسجية وهي طريقة أخرى لمعرفة وجود العنصر أو المركب في المادة.
*طاقة تأين الذرات:
قام الفيزيائيان ((فرانك وهرتز)) عام 1914م بتجربة كانت لها أهمية بالغة في تأكيد صحة نظرية بور،تعتمد على انتزاع إلكترون من الذرة .
ولقد استخدما في ذلك الأشعة المهبطية لما تمتاز بطاقة حركية عالية تكفي لانتزاع بعض الكترونات الذرات المتوفرة في أنبوبة التفريغ (تحت ضغط منخفض جدا) .
هذا وقد استعملا بخار الزئبق ولاحظا أن شدة التيار تزداد مع ازدياد فرق الكمون(الجهد) بين المسريين حتى إذا وصل الفرق إلى 4.9 فولت ،خبت شدة التيار وكادت تصل الصفر ثم لا تلبث أن ترتفع بازدياد فرق الكمون أكثر من 4.9 ثم تخبو شدة التيار مرة أخرى عندما يصل فرق الكمون إلى 9.8 فولت أي ضعف فرق الكمون الأول.
ولقد نشأ من ذلك خط طيفي ،وفي كل مرة يصل فيها فرق الكمون شدة التيار نهاية عظمى ،فجأة ينتزع إلكترون من الذرات المتوفرة في أنبوبة التفريغ وكلنا زاد فرق الكمون كلما أمكن انتزاع إلكترون آخر.
*التركيب الإلكتروني للذرات:
1/الأغلفة(المستويات) الإلكترونية:-
يتضح من النموذج الذي وضعه (بور) للذرة بأنها تشبه النظام الشمسي حيث توجد النواة كجسم صغير جدا وحوله الإلكترونات سابحة في الفراغ ومرتبة في مستويات طاقة معينة تسمى هذه المستويات بالأغلفة الإلكترونية ويرمز لها بالحروف K .L.M.N.O.P.Q. 1.2.3…… وتعرف هذه الأرقام الآن بأرقام الكم الرئيسي ويرمز لها بالحرف N (ن) فإن كانت ن=1 فإنها ترمز لأول غلاف إلكتروني أما إذا كانت ن=2 فهذا يرمز للغلاف الإلكتروني الثاني ، وهكذا وقد جد أن عدد الإلكترونات التي يمكن أن يستوعبها الغلاف الإلكتروني يعتد على رقمه (بعده عن النواة) ومقدار عدد الإلكترونات بعين بالقانون التالي( 2×مربع عدد الغلاف) .
فعدد إلكترونات الغلاف الأول تساوي 2×(1×1)=2 .
والغلاف الثاني يساوي 2×(2×2)= 2×4=8 وهكذا...............
ولقد استنتجت هذه الأغلفة من دراسة الظواهر الفيزيائية وأهمها طيف الانبعاث الذي سبق ذكره إذ يحدد عدد الأغلفة الموجودة في ذرة ما بعدد الخطوط التي يعطيها طيف الانبعاث من هذه الذرة حيث أن الذرة تتهيج عندما تمتص كمية من الطاقة فتقفز إلكتروناتها إلى مستويات طاقة أعلى فإذا هدأت وعادت إلى الحالة الأساسية رجعت الإلكترونات إلى مستويات طاقة أقل مصحوبة بانطلاق طاقة على هيئة إشعاع يظهر كخطوط تحدد هذه المستويات ولدى الدراسة التفصيلية للصور الفوتوغرافية لأشعة الطيف وجد أن طيف الانبعاث لأي ذرة يحتوي عادة على عدد من الخطوط يزيد على العدد الذي ينتج من قفز الإلكترونات من غلاف إلى آخر وقد فسر ذلك فيما بعد بأن الأغلفة الإلكترونية الأساسية السابقة الذكر مقسمة إلى عدد من المستويات سميت(بتحت أغلفة) وانتقال الإلكترون بين تحت الأغلفة هذه يصحبه انطلاق كمية من الطاقة هي السبب في ظهور بعض هذه الخطوط في طيف الانبعاث .
ويعتقد أن شكل تحت الغلاف S كروي يغلف النواة ذات الشحنة الموجبة.
أما تحت الغلاف P فيعتقد أن شكله عبارة عن ستة كور كل اثنين منهما يتواجدان على محور من المحاور الإحداثية الثلاثية المتعامدة (X.Y.Z) وهي بهذا تشبه ما يسمى بالدومبل (وهو عبارة عن كرتين من الحديد بينهما قضيب تمرن بها العضلات).
أما النواة الموجبة الشحنة فتقع عند نقطة التقائها، هكذا.
أما تحت الغلاف d وتحت الغلاف F فإن أشكالهما أكثر تعقيدا من شكل تحت الغلاف P سابق الذكر.
*تحت الأغلفة(المجالات الفرعية):
لقد توصل من دراسة الطيف السابقة إلى أن كل غلاف إلكتروني ينقسم إلى عدد من تحت الأغلفة ويعتمد هذا العدد على رقم الغلاف فالغلاف الإلكتروني الأول الذي رقمه الكمي 1يحتوي على تحت غلاف واحد يرمز له بالحرف (S) أما الغلاف الإلكتروني الثاني ذو الرقم 2 فيحتوي على تحت غلافين هما (S.P) والثالث على ثلاثة هي (S.P.D)والرابع على أربعة (S.P.D.F) وهكذا....
*المدارات الذرية:
يشغل الإلكترون أثناء دورانه حول محوره حيزا صغيرا يسمى دارة وكل تحت من تحت الأغلفة الإلكترونية السابقة الذكر تحتوي على عدد من الدارات فتحت الغلاف (S)مثلا يحتوي على دارة واحدة وتحت الغلاف (P) على ثلاث دارات وتحت الغلاف(D) يحتوي على خمسة دارات وهكذا كل تحت غلاف يزيد بدارتين عن تحت الغلاف الذي يسبقه .
ولقد وجد من دراسة الخواص المغناطيسية أن الإلكترونات تدور حول محاورها وتختلف في دورانها فبعضها يدور في اتجاه عقارب الساعة وبعضها الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة وكل دارة من الدارات السابقة لا تتسع إلا لإلكترونين يكونان متزاوجين أي أنهما مختلفين في دورانهما الذاتي وعليه فإن عدد الإلكترونات الموجودة في تحت الغلاف (S) هي إلكترونان فقط لأنه لا يحتوي إلا على دارة واحدة أما تحت الغلاف (P) فيكون به ستة إلكترونات لأنه يحتوي على ثلاثة دارات وتحت الغلاف (D) على عشرة إلكترونات لأنه يشمل خمسة دارات وهكذا ويكون عدد الإلكترونات الموجودة في الغلاف الإلكتروني الأول (K)الذي رقمه الكمي ن=1 إلكترونان يتواجدان في الدارة الوحيدة التابعة لتحت الغلاف (S) الذي يكون هذا الغلاف أما الغلاف الإلكتروني الثاني(L) الذي رقمه الكمي ن=2 فيحتوي 8إلكترونات اثنان منهما في تحت الغلاف (S) وستة في تحت الغلاف (P) وهكذا بالنسبة لبقية الأغلفة يكتب رقم الغلاف عادة أمام رمز تحت الغلاف ليميزه أما عدد الإلكترونات التي يحتويها تحت الغلاف هذا فتكتب بأرقام صغيرة أعلى الرمز ناحية اليمين هكذا...
3S2
حيث 3 هو رقم الغلاف.
وS هو رمز تحت الغلاف.
و2 هو عدد الإلكترونات التي يحتويها تحت الغلاف.
*مخطط مستوى الطاقة:
مع أنه لا يمكن رسم مستويات الطاقة للإلكترونات بدقة إلا أنه يمكن وضع مخطط يبين هذه المستويات بشكل تقريبي.
*ترتيب ملء الذرات:
إذا رتبت تحت الأغلفة حسب تتابعها في الأغلفة المختلفة فيأخذ ترتيبها الشكل التالي:
K: 1S. L: 2S2P. M: 3S3P3d. N: 4S4P4d4F.
وكما ذكرنا في السابق فإنه يلاحظ أن الفرق بين مستويات الطاقة يقل ،وتتراكم بعض تحت الأغلفة فيختلف الترتيب في ملئها إذ يلاحظ كذلك أنه مع زيادة العدد الذري فإن تحت الغلاف (5S)يمتلئ قبل (4d) و(4f).
ويمكن على هذا الأساس ترتيب تحت الأغلفة حسب ملئها هكذا :
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p8s .
*قاعدة هند:
استطاع العالم(هند)لدى دراسته الخواص المغناطيسية أن يضع قاعدته التي وضح فيها بأن الإلكترونات لا تتزاوج في تحت الغلاف الواحد إلا إذا كان عددها أكبر من عدد الدارات المكونة لتحت الغلاف المذكور.
*فوائد الترتيب الإلكتروني:
يمكن كتابة الترتيب الإلكتروني لأي ذرة إذا عرف العدد الذري لتلك الذرة فلو أخذت ذرة عنصر الكالسيوم مثلا والتي يأخذ عددها الذري رقم (20)
أي أنها تشمل على 20 إلكترون يأخذ ترتيبها الشكل التالي:
1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 .
وللاختصار يكتب الترتيب الإلكتروني هكذا :
(Ar) 4S2
وهذا الاختصار مبني على أن تحت الأغلفة الأخيرة مليئة في ذرات الغازات الخاملة وتمثل ترتيبا ثابتا أما الغازات الخاملة فهي:
الغاز رمزه العدد الذري الترتيب الإلكتروني
الهيليوم He 2 1S2
النيون Ne 10 2S2 2P6
الآرجون Ar 18 3S2 3P6
الكربتون Kr 36 8D10 4S2 4P6
الزينون Xe 54 4D10 5S2 5P6
الرادون Rn 86 4F14 5D10 6S2 6P6
ومن أهم فوائد الترتيب الإلكتروني أنه يعطي فكرة واضحة عن تكافؤ العنصر من حيث النوع والكم فالنظرة الأولى إلى الترتيب الإلكتروني لذرة الكالسيوم سابقة الذكر توحي أن تكافؤ العنصر ثنائي موجب لأنه من السهل على مثل هذه الذرة أن تفقد الإلكترونين الموجودين في تحت الغلاف 4S2 إذ يصعب ملء الغلاف الرابع الذي لا يتوفر فيه إلا إلكترونين وهو يستوعب الثلاثين إلكترون .
كذلك فإن الترتيب الإلكتروني لذرة الأكسجين ذات العدد الذري 8 2s2 2p4
يوحي أن هذه الذرة بحاجة إلى إلكترونين حتى يكتمل ملء الغلاف الأخير فيها(الغلاف الثاني) لذا فإن تكافؤها ثنائي سالب .
*قاعدة عدم التأكد ل(هايزن برغ):
واجهت نظرية بور عقبات من أهمها قياس سرعة ومكان الإلكترون في الذرة حيث أنه لا يمكن إجراء هذا القياس بالدقة المطلوبة والسبب هو أن الدقة تعتمد على مهارة مجرى القياس وعلى دقة الأجهزة المستعملة في هذا الغرض حتى ولو توفر الاثنان معا فإن مثل هذه القياسات تصاحبها صعوبات فنية لا يمكن التغلب عليها وهي تجاذب الإلكترون مع هذه الأجهزة المستعملة في قياس سرعته ومكانه ولإيضاح ذلك نقول أن الأشياء الموجودة في الطبيعة تكون في العادة ذات أوزان كبيرة بحيث لا يدرك التجاذب الذي يحدث بينها وبين الضوء العادي الذي يظهرها لأعيننا فلا يغير ذلك في مكانها أو كمية حركتها ولكن الأمر يختلف تماما في حالة الأشياء المتناهية في الصغر مثل مكونات الذرة.
فمثلا يمكن تحديد مكان الإلكترون بدقة إذا استخدم ضوء فوتوناته ذات أطوال موجات قصيرة وفي هذه الحالة فإن للفوتونات كمية من الطاقة فتأثر هذه الطاقة على الحركة الكاملة للإلكترون ولتقليل هذا التأثير لابد من استخدم ضوء فوتوناته ذات أطوال موجات أطول من السابقة غير أن هذا سيؤثر على الدقة التي يمكن بها تحديد مكان الإلكترون وقد عمم هذه المشكلة العالم (هايزن برغ) عام 1927م ووصل إلى حل لها حيث أوضح أن قياس المكان والسرعة نفس اللحظة للإلكترون لابد أن يصحبه مقدار من عدم التأكد (الخطأ) مهما كانت دقة الأجهزة ومهما عدلت ظروف القياس فإن كمية الخطأ لا تقل عن (2h) حيث h هو ثابت بلانك وهذا التعميم يعرف بقاعدة عدم التأكد وهو مقدار الخطأ في قياس مكان وسرعة الإلكترون في وقت واحد نتيجة لتأثر الإلكترون بفوتونات الضوء المستخدم في جهاز القياس.
*أرقام الكم:
توصف كمية حركة الإلكترون في أي ذرة أثناء وجوده في داره معينة حول النواة بكميات.
هذه الكميات هي عبارة عن أرقام تعرف بأرقام الكم وهذه الأرقام أربعة أنواع تصف بعد الإلكترون عن النواة وشكل الدارة التي يوجد بها الإلكترون واتجاه هذه الدارة بالنسبة للنواة وأخيرا اللف الحلزوني الذاتي للإلكترون .
والأنواع الأربعة هي:-
1/رقم الكم الرئيسي (الأساسي)
يرمز لهذا الرقم بالحرف ن(N) ويدل على حجم الفراغ الأساسي الذي يتحرك فيه الإلكترون أي أنه يصف بعد الإلكترون عن النواة فكلما زادت قيمة هذا الرقم العددية دل على زيادة طاقة الإلكترون ومن ثم طاقة المستوى الذي يتحرك فيه ذلك الإلكترون ويزداد تبعا لذلك متوسط بعد الإلكترون عن النواة وتكون قيم هذا الرقم عادة أعداد كاملة تبدأ من 1 إلى ما لا نهاية ، وهي تقابل الأغلفة الإلكترونية السابقة الذكر :
قيم رقم الكم الرئيسي الأغلفة الإلكترونية
1 K
2 L
3 M
4 N
5 O
6 P
7 Q
2/رقم الكم الثانوي (السمتي):-
يرمز لهذا الرقم بالحرف ل(L) وهو كمية تتعلق بشكل المنطقة التي يشغلها الإلكترون ويتحرك فيها وقيم هذا الرقم أيضا أعداد كاملة تبدأ من الصفر إلى ن-1
لذا فإن قيم هذا الرقم مرتبطة بقيم رقم الكم الرئيسي على النحو الآتي:-
إذا كانت قيمة ن=1 فإن قيمة ل= صقر وإذا كانت قيمة ن=2 فإن ل= ا أو صفر وهكذا .
وعلى العموم فإن قيم رقم الكم الثانوي تقابل تحت الأغلفة الإلكترونية ويمكن توضيح ذلك بالجدول التالي :
رقم الكم الثانوي تحت الغلاف
0 s
1 p
2 d
3 f
4 g
5 h
3/رقم الكم المغناطيسي:-
يرمز عادة لهذا الرقم بالحرف (M) ويدل على الاتجاه الذي يسلكه الإلكترون وهو اتجاه الدارة بالنسبة للنواة وقيم هذا الرقم أعداد كاملة أيضا تبدأ من –ل إلى +ل مرورا بالصفر.
وهذا يعني أن قيم هذا الرقم مرتبطة بقيم رقم الكم الثانوي فإذا كانت L=0 فإن M=0 وإذا كنت L=1 فإن M= +1.0.-1 ........وهكذا.
4/رقم الكم المغزلي :-
يرمز له بالحرف S ويتعلق باللف المغزلي (الحلزوني ) للإلكترون حول محوره أثناء دورانه حول النواة ، وتنقسم الإلكترونات بالنسبة لهذه الخاصية إلى نوعين
أ)نوع يلف في اتجاه عقارب الساعة.
ب)نوع يلف في عكس اتجاه عقارب الساعة.
لذا فإن كل إلكترونين موجودين في دارة واحدة يكونان مختلفين في لفهما المغزلي ويكونان متزاوجين ، ولقد أعطي رقم الكم المغزلي قيما افتراضية هي
(+0.5 و-0.5).
ولو تساوت قيم أرقام الكم الثلاثة فإن الاختلاف يكون في مقدار رقم الكم المغزلي وفقا لقاعدة (هوند).
فإن كل إلكترون يدخل مدارا معينا له لف مغزلي خاص به قبل أن يتزاوج مع إلكترون آخر.
*تحديد الإلكترون بواسطة قيم أرقام الكم:
لا يوجد حسب قاعدة (باولي ) إلكترونان في ذرة ما لهما قيم أرقام الكم الأربع نفسها فعندما تكون القيمة العددية لرقم الكم الرئيسي ( N) =1 فإنL=0 وM= 0 أما
S= (+0.5أو -0.5) وعلى هذا فإن الإلكترون الذي قيمة رقمه الكمي الرئيسي =1 يمكن تمييزه بمجموعتين على النحو الآتي:
S M L N
+0.5 0 0 1
-0.5 0 0 1
والصلاة والسلام على أشرف الأنبياء والمرسلين نبينا محمد وعلى آله وصحبهوسلم أجمعين
أما بعد:
هذا بحث يتكلم عن الذرة والأمور المتعلقة بها وهومستنبط من كناب الكيمياء العامة للدكتور سالم مليباري،عميد كلية العلوم بجامعةالرياض .
نرجو أن ينال على رضا الله أولا ثم رضاكموما فيه من صواب فهو من الله وأما ما فيه من خطأ وتقصير فمن أنفسنا ومنالشيطان.
والله ولي التوفيق.
النظرية الذريةالحديثة
ترجع فكرة وجود الذرة إلى بعض فلاسفة اليونان(ديمقراط) و(لويكب) في منتصف القرن الرابع قبل الميلاد إذ كان يعتقد أن المادة إذا جزئت تؤول إلى جسيملا يتجزأ سمي (الذرة) لكنه لم يؤخذ بها على المدى البعيد لأنها كانت محض نظرياتفلسفية تختلف معها نظريات فلسفية أخرى واستمر الوضع كذلك حتى مطلع القرن التاسع عشرحيث ظهرت فرضية (دالتون) الذرية التي جاء بها مفسرا قانون النسب الثابتة للعالمبروست ((عندما يجري اتحاد كيميائي بين عنصرين فان اتحادهما يتم وفق نسبه وزنيهمعينة وينتج مركب لا يختلف في كل مرة باختلاف الطريقة التي اتخذت في تحضيره)) وقدقادته هذه الفرضية إلى قانون النسب المضاعفة لدالتون((أوزان عنصر يتحد مع عنصر آخرويكون معه مركبات متنوعة تشكل فيما بينهما نسب عددية بسيطة((
*فرضيةدالتون:
يمكن تلخيص فرضية دالتون بالنقاط التالية:-
1/تتكون العناصرمن وحدات صغيرة منفصلة غير قابلة للانقسام أو الانضغاط تسمى ذرات وهذه الذرات تبقىثابتة في كل التغيرات الطبيعية والكيميائية.
2/ذرات العنصر الواحد متماثلة فيخواصها الفيزيائية والكيميائية ولها نفس الوزن كما أن ذرات العناصر المختلفة تختلففي أوزانها وخواصها الفيزيائية والكيميائية.
3/تتم الإنحادات بين عنصرين أو أكثرعن طريق اتحاد ذرات هذه العناصر بنسب عددية بسيطة مثل(2:1) في حالة H2O و(2:3) فيحالة Al2O3.
4/يمكن لذرات العنصر نفسه أن تتحد بذرات عنصر آخر في أكثر من نسبةلتكون أكثر من مركب ،مثلا تتحد ذرات الأكسجين بذرات النحاس بالنسبة(1:1) في أكسيدالنحاس الثنائي CuO أ و بنسبة (2:1) كما في أكسيد النحاس الأحادي Cu2O والأمثلةكثيرة على ذلك.
ولقد هذه الفرضية اهتمام العديد من الكيميائيين والفيزيائيينفأدخلت عليها تعديلات وتغيرات حتى استقرت على ما هي عليه اليوم.
وقد كان لهذهالنظرية أثرها في مجال البحث والدراسة إذ استطاع (مندليف) اعتمادا على هذه الفرضيةترتيب العناصر ترتيبا دوريا وفقا لأوزانها الذرية .
*مكوناتالذرة:
خلافا لما افترضه (دالتون) 1808م فلقد أدت الاكتشافات في نهاية القرنالتاسع عشر أن الذرة تتكون من دقائق غاية في الصغر ففي عام 1895م اكتشفت الأشعةالسينية وفي عام 1896م عرفت ظاهرة النشاط الإشعاعي ثم تم في عام 1897م اكتشافالالكنرون رغم أن تجربة (ميشال فراداي) التي درس فيها توصيل المحاليل المختلفةللتيار الكهربائي والتي توصل منها إلى آن هناك وحدات مسئولة عن نقل التيار ولكنه لميستطع تحديد نوع هذه الوحدات كانت كافية للدلالة على الالكنرونات ولدى متابعة (استوني وهلمهولتز) بحث فراداي في فترات مختلفة استنتج (هلمهولتز) أن الكهرباءكالمادة له طبيعة ذرية أي أنها مكونة من دقائق هي وحدة الكهرباء أطلق عليها(استوني ) عام 1897م اسم إلكترون ولقد سبق أن عرف الالكنرون في أنابيب التفريغ إذ سميتالأعداد الكبيرة منه التي تنتج في هذه الأنابيب بأشعة المهبط.
*أشعة المهبطوالتأثير الضوئي الكهربي:
من المعروف أن التيار الكهربائي لا يمر في الهواءولكنه يمر في أنبوبة فرغت منه بواسطة مخلخلة الهواء، إذ تتكون شرارة كهربائية داخلالأنبوبة إذا ما لحم سلك في طريق الأنبوبة ووصل بمصدر كهربي.
هذا ولقد اكتشفالعالم(بلوكر) عام 1858م أن الأنبوبة تمتلئ بأشعة غير مرئية إذا انخفض الضغط داخلالأنبوبة إلى 0.01-0.001mmHg وسمى هذه الأشعة بأشعة المهبط لأنها تنبعث من المهبطعند إمرار شحنة كهربية في أنبوبة تحتوي على غاز تحت ضغط منخفض.
ولقد استدل علىهذه الأشعة غي المرئية بما تحدثه من تلألؤ أخضر مصفر على جدار أنبوبة التفريغالممزوج بشيء من النحاس يمكن أن يظهر أثرها على حواجز خاصة مطلية بكبريتيد التوتياء ZnS لأنها إذا لامست هذه الحواجز فانه ينبعث ضوء اخضر.
وتحدث جزيئات غاز النيونضوء ذو لون احمر إذا ملئت أنبوبة التفريغ بقليل من هذا الغاز أما جزيئات غازالهيليوم فإنها تطلق ضوء قرمزي .
وتتميز الأشعة المهبطية بالخواصالتالية
1/تسير في خطوط مستقيمة باتجاه بعيد عن المهبط وعمودية عليه ولا تتأثربمكان المصعد ،واستدل على ذلك عندما تكونت صورة كاملة للجسم الذي وضع فيه مسارالأشعة فلو كانت تسير في خطوط مائلة لما ظهرت الصورة كاملة .
2/عبارة عن جسيماتمتحركة لها كتلة.
3/ذات شحنة سالبة إذ تنحرف بالمجال الكهربائي أو المجالالمغناطيسي إلى ناحية القطب الموجب مما يدل على أنها تحمل شحنةسالبة.
يتضح مما تقدم أن أشعة المهبط هي جسيمات صغيرةذات كتلة وشحنة قد وجد أيضا أن هذه الكتلة وهذه الشحنة لا تختلف مهما اختلفت نوعيةالغاز الموجود داخل أنبوبة التفريغ بل تبقى ثابتة تساوي في مقدارها كتلة وشحنةالالكترونات لذا تعرف الأشعة المهبطية بأنها سيل من الالكترونات يسير نحو المصعدبعيدا عن المهبط (لان المهبط يحمل نفس الشحنة السالبة ) بسرعة مقدارها 1/10 من سرعةالضوء.
لا تعتمد طبيعة هذه الأشعة على نوع مادة المهبط أو نوع الغاز الموجودفي أنبوبة التفريغ أو نوع السلك الموصل للتيار الكهربي أو نوع المادة المستعملةلتوليد التيار الكهربي.
ولقد تبين مؤخرا أن هذه الالكترونات لا تقتصر علىأنابيب التفريغ حيث أطلقت بعض العناصر بعض الكترونات ذراتها ، عندما سلط عليها أشعةكهرومغناطيسية مثل الضوء العادي .
تعرف هذه الظاهرة (وهي إطلاق العنصر لبعضالكتروناته تحت تأثير الضوء) بظاهرة فعل الضوء الكهربي.
لا يتأثر إلا القليلمن العناصر المعدنية بفعل الضوء العادي وهناك عدد من المعادن تتأثر ذراتها إذاأسقطت عليها أشعة كهرومغناطيسية لها موجات أطوالها أقصر من طول موجة الضوء العادي،مثل الأشعة فوق البنفسجية ، فطاقة هذه الأشعة أكبر من طاقة الأشعة المرئية لذايمكنها انتزاع الالكترونات من الذرات ، أما الأشعة المرئية فتستطيع انتزاعالكترونات أغلب المواد لما تمتاز موجتها بالتناهي بالقصر.
*الالكترونات
الإلكترون جسيم متناهي في الصغر وهو أحد مكونات الذرةلا يرى بالعين المجردة يظهر أثره على الألواح المغطاة بكبريتيد التوتياء (تلألؤ،أخضر) والالكترونات متماثلة في جميع الذرات سواء كانت ذرات لغاز ما مثلالأكسجين أو ذرات معدن صلب مثل الحديد لأنها وحدات بناء جميع الذرات.
لم يكنبالمستطاع معرفة كتلة وشحنة الإلكترون لعدم توفر الأجهزة والإمكانيات لقياس مقاديرصغيرة ولقد كانت أولى المحاولات في عام 1897م إذ استطاع الفيزيائي الانجليزي (تومسون) أن يقدر النسبة بين شحن الإلكترون وكتلته( E/M)
حيث E شحنته وM كتلته،فوجدها تساوي( 1.7588×10( colomb\gr.
وفي عام 1913م استطاع الأمريكي (ميليكان) أن يقيس شحنة الإلكترونE
فوجدها تساوي( 1.6021×10( colomb\gr .
ووجد أيضا أنكتلته تساوي( 9.11×10gr ).
هذه الكتلة إذا قورنت بكتلة ذرة الهيدروجين تساوي (1/1838) من وزن ذرة الهيدروجين فإذا كان وزن ذرة الهيدروجين وحدة الأوزان الذريةفان كتلة الإلكترون تساوي (0.0005486 وحدة ذرية).
*البروتونات والأشعةالموجبة:
في عام 1886م لاحظ العالم (غولد شتاين) انه إذا استعمل مهبط مثبتفي أنبوبة تفريغ نحتوي على كمية من غاز أي أن الضغط داخل الأنبوبة يزيد على المطلوبلإنتاج أشعة المهبط فان أشعة أخرى ملونة غير أشعة المهبط تظهر على السطح الخلفيللمهبط تتحرك باتجاه المهبط أي بعكس أشعة المهبط التي تبتعد عن المهبط مما يدل علىأن هذه الأشعة تحمل شحنة عكس شحنة أشعة المهبط فهي إذا تحمل شحنة موجبة وبالفعل وجدلدى دراستها أنها تتألف من جسيمات تحمل شحنة موجبة ووجد أنها جسيمات غير متجانسة فيخواصها كذلك بعكس الالكترونات التي تكون أشعة المهبط فكتلتها وشحنتها تختلفان فيالمقدار باختلاف نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ وكذلك لون هذه الأشعة يختلفباختلاف الغاز المستخدم في أنبوبة التفريغ فاللون الذي يظهر في أنبوبة التفريغ التيتشمل صغيرة من غاز النيون يكون احمر أما غاز الهيليوم فانه يعطي لونا قرمزي وهكذابالنسبة لبقية الغازات .
يتضح مما تقدم أن الأشعة الموجبة عبارة عن ايونات موجبةلذرات الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ يمكن تفسير نشوء الأشعة الموجبة كمايلي:-
عند توصيل أنذرية.لتفريغ بالتيار الكهربائي تمتلئ بالالكترونات تتفرغمن المهبط أو من ذرات الغاز الملاصق للمهبط وتحت تأثير فوق الجهد العالي تتحرك فيخطوط مستقيمة مبتعدة عن المهبط ومشكلة بذلك أشعة المهبط تصدم اثنا سيرها بذراتالغاز الموجود في أنبوبة التفريغ بطاقة تكفي لانتزاع الكترونات ذرات الغاز الذييملأ الأنبوبة فتسير الالكترونات في نفس الاتجاه وتتحول الذرات إلى ايونات موجبةتسير في اتجاه معاكس لاتجاه سير الالكترونات أي أنها تتجه ناحية المهبط فإذا كانالمهبط مثقوبا (لان طاقة اختراقها صغيرة) فإنها تظهر خلف المهبط كما سبق أن ذكرناقدرت قيمة النسبة بين شحنة وحدة هذه الأشعة وكتلتلها بنفس الطرق التي استخدمت فيتقدير قيمة النسبة بين شحنة وحدة وكتلة أشعة المهبط ووجد أن قيمة (E/M) للأشعةالموجبة تختلف باختلاف نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ ولقد وجد أن اكبر قيمةلها عندما تملأ أنبوبة التفريغ بغاز الهيدروجين ذلك لان كتلة ذرات الغازات تختلفباختلاف نوع الغاز ومعلوم أن الهيدروجين هو أخفها فلو فرض أن قيمة الشحنة (E) الموجبة ثابتة فتكون قيمة(E/M) اكبر ما يمكن عند استخدام اصغر قيمة ممكنة (M) وفيخالة استخدام غاز الهيدروجين ينشأ بروتونات لدى انتزاع الكترونات الذرات وذلك لانذرة الهيدروجين مكونة من إلكترون وبروتون فقط والبروتونات هي عبارة عن جسيمات صغيرةتوجد في انويه الذرات تحمل شحنة موجبة تساوي في مقدارها شحنة الالكنرون ولكن كتلةالبروتون اكبر من كتلة الإلكترون ب 1836 مرة وهي تساوي (1.00728) كتلةذرية.
*النيترونات :
هي نوع ثالث من الجسيمات الصغيرة التي تألفمكونات الذرة التي اكتشفت عام 1932م حيث اكتشف العالم الفيزيائي الانجليزي (شادويك) أن ذرات بعض العناصر (مثل ذرات معدن البريليوم Be إذا قذفت بجسيمات ألفا ذات السرعةالعالية فان ذرات هذه العناصر تطلق جسيمات صغيرة تختلف عن الالكترونات والبروتوناتالتي سبق ذكرها سماها (شادويك) النيترونات وقد وجد أنها متعادلة كهربائيا بمعنىأنها لا تحمل أي شحنة .
كتلة النيترون منها تساوي(1.0087)كتلة ذرية وقد وجدمؤخرا أن هذه النيترونات يمكن أن تنقسم إلى جسمين احدهما شيبه الالكنرون والثانييشبه البروتون ، بمعنى آخر أن النيترون الذي لا يحمل شحنة مكون من إلكترون ذو شحنة (-1) وبروتون ذو شحنة(+1) لذا فان النيترون متعادل .
مما تقدم يتضح أن وحداتمكونات الذرة هي الكترونات وبروتونات ونيترونات وهي عبارة عن جسيمات صغيرة تكون فيمجموعها الذرة وفيما يلي دراسة لكيفية تواجد هذه الجسيمات مع بعضهاالبعض..
ولقد كانت تجربة رذرفورد أولى التجارب التي أوضحتذلك.
*تجربة رذرفورد:
لقد ساد الاعتقاد بعد أن عرفت مكونات الذرة أنتركيب الذرة لا يمكن له أن يكون متجانسا إلا أن هذا لم يتحقق إلا عام 1911م وذلكبعد أن استخدمت المواد المشعة التي كان لها الأثر الأكبر في دراسة تركيبالذرة.
في عام 1901_1908م كان (جايجر ومارسدن) يشتغلان تحت إشراف الفيزيائيالانجليزي (أرنست رذرفورد) وكان بحثهما يتعلق بدراسة اختراق الأشعة المختلفةللأجسام الصلبة فوجدا أن جسيمات الغاز التي تنطلق بسرعة (10000ميل/ثانية) تستطيع أنتخترق رقاقة من الذهب سمكها (10.00004سم) ولكنهما لاحظا أيضا عن طريق الوميض الذيتعملها هذه الأشعة أن جزءا بسيطا من هذه الأشعة (التي هي عبارة عن جسيمات صغيرةقوية الاختراق) قد انحرف عن مساره المستقيم وجزءا آخر ابسط انعكس وارتد عن مسارهولقد كان لهذه الملاحظات أعظم الأثر في حقل التجارب إذ أثبتت بصورة رئيسية الشكلالتي توجد عليه مكونات الذرة.
ولقد اختير الذهب في تجربة (جايجر ومارسدن) لأنهمن أكثر المعدن مرونة حيث يمكن طرقه إلى صفائح رقيقة جدا سمك الواحدة منها حوالي (100 ذرة) كما أن ذرات الذهب كبقية المعادن متماسكة بحيث لا يمكنضغطها.
يتألف الجهاز الذي استخدم في هذه التجربة من أنبوبة زجاجية مفرغةبداخلها معوجة من الرصاص توضع بها المادة المشبعة (عنصر الرادون ) التي تطلق أشعةألفا وفي مسار جسيمات ألف المنطلقة يوضع قرص من الرصاص به فتحة في الوسط لتجميعالأشعة وجعلها تسير في خط مستقيم واحد .
ويحتوي الجهاز أيضا على حامل تثبت عليهرقاقة الذهب التي توضع في مسار الأشعة المجمعة ولما كانت جسيمات ألفا تحدث وميضاإذا سقطن على كبريتيد التوتياء فقد وضع أمام رقاقة الذهب صفائح مغطاة بكبريتيدالتوتياء (ZnS) إذا اصطدمت الأشعة برقاقة الذهب تمر خلالها وبخط مستقيم معظم الأشعةوالذي استرعى انتباههم أن جزءا ضئيلا من هذه الأشعة انحرف بعد مروره وجزء آخر اصطدموانعكس ولم يتمكن من تفسير ذلك حتى عام 1911م حيث علل(رذرفورد) السبب وأرجعه إلىتركيب ذرات الذهب وفسر نتائج التجربة بما يلي :-
1/لما كانت معظم الأشعةاخترقت صفيحة الذهب وسارت بخط مستقيم فهذا يعني أن هناك فراغا كبير ضمن ذرات الذهبالتي تؤلف الصفيحة حيث أن الذرات متلاصقة مع بعضها البعض.
2/انحراف جزء منالأشعة يعني أنها مرت بجوار كتلة ذات شحنة مماثلة لشحنة جسيماتالأشعة.
3/انعكاس بعض الأشعة يعني أنها اصطدمت بنفس الكتلة المذكورةسابقا.
يتضح مما تقدم أن مكونات الذرة بروتونات ونيوترونات موجودة في حيزصغير للغاية في وسط الذرة يعرف بنواة الذرة.
أما بقية المجال الذي تشغله الذرةفهو فراغا تسبح فيه الإلكترونات.
لهذا تعرف نظرية (راذرفورد) بالنظرية النوويةللذرة.
وبالطبع فإن وزن الذرة يتمركز في نواتها التي بها أثقل المكونات ولماكانت الذرة متعادلة كهربائيا فإن عدد الكتروناتها يساوي عدد البروتونات هذا وقدافترض (راذرفورد) أن الإلكترونات السابحة في فراغ الذرة تدور حول نفسها وحول النواةوأن هناك قوة طاردة مركزية تبعدها عن النواة وقوة تجاذب كهربي تقربها من النواةوهما متساويان متعادلان وقد أوضحت الدراسات التفصيلية التي أجريت فيما بعد علىتركيب الذرة ،والتي استخدمت فيها أشعة اكس أن:-
1/قطر النواة يبلغ حوالي (1/10000) من قطر الذرة نفسها.
2/قطر الذرة يبلغ حوالي (10سم) وقطر النواة (10سم).
وقد أوضح رذرفورد من تجاربه السابقة أن:-
1/عدد الشحناتالوجبة الموجبة داخل نواة الذرة (عدد البروتونات) في حالات كثيرة يساوي تقريبا نصفالوزن الذري لذلك العنصر.
2/عدد الشحنات الموجبة في نواة ذرة أي عنصر يساويالعدد الذري لذلك العنصر.
*نظرية بور:
لقد عرف قبل نتائج تجربةراذرفورد أن هناك نظرية قديمة تعرف بنظرية (مكسويل) للمجال المغناطيسي ظهرت عام 1864م تنص على أنه(إذا تحرك جسم مشحون بشحنة كهربائية في مدار حول جسم آخر مشحونبشحنة كهربائية مضادة فإن الجسم المتحرك يصدر إشعاعات تشبه موجات اللاسلكي وهذهتكون سببا في تناقص طاقة الجسم المتحرك وبالتالي يتضاءل مداره تدريجيا تبعا لتناقصالطاقة حتى يتلاصق مع الجسم الثابت ) ولو طبقنا هذه النظرية على تركيب الذرة لوجدأنها تعاكس ما استنتج من تجربة (رذرفورد) لأنه طبقا لنظرية (مكسويل) فإنالإلكترونات ذات الشحنة السالبة التي تتحرك حول البروتونات ذات الشحنة الموجبةستقترب منها تدريجيا حتى تسقط فيها وبالتالي يختفي حجم الذرة تماما ولا يبقى إلاحجم النواة.
غير أن نظرية( بور) التي ظهرت عام 1913م أثبتت خطأ نظرية (مكسويل) حيث برهنت على أن الإلكترونات في الذرة تدور حول نفسها وحول النواة في مدارات ثابتةولا يختلف البعد بينهما إلا بمؤثر خارجي وقد تعود إلى حالتها الطبيعية بعد زوالالمؤثر وللبرهنة على ذلك اختار العالم (بور) ذرة الهيدروجين لأنها أبسط الذراتفتركيبها عبارة عن إلكترون واحد يدور في مدار دائري حول نواة فيها بروتون واحد ولاتوجد في هذه الذرة نيترونات ولثبات الإلكترون هذا في مداره يجب أن تتساوى القوىالتي تبعده عن النواة مع القوة التي تعمل على تقريبه إلى النواة.
فالقوةالتي تبعد الإلكترون عن النواة يولدها دوران الإلكترون حول النواة وتعرف بالقوةالنابذة وهي تساوي حاصل ضرب مربع سرعة الإلكترون في كتلته مقسومة على البعد بينهوبين النواة ، أما القوة التي تعمل على تقريب الإلكترون من النواة فهي نوعين :
1/قوة الجاذبية نتيجة لوزن الإلكترون لأن الإلكترون الموجود خارج النواةفي الفراغ يعمل وزنه على تقريبه من النواة وهذه القوة متناهية في الصغر لأن وزنالإلكترون صغير جدا ويمكن إهمال هذه القوة.
2/قوة تجاذب كهربي بين الإلكترونالذي يحمل شحنة سالبة وبين البروتون الذي يحمل شحنة موجبة وهي القوة المؤثرة فعلاوتساوي مربع شحنة الإلكترون مقسومة على مربع نصف قطر المدار الذي يوجد به الإلكترونحول النواة وكما سبق فإن الإلكترون لا يبقى على نفس البعد من النواة إلا إذا تساوتالقوة النابذة مع القوة الجاذبة.
وللإلكترون في فلكه وهو يدور حول نفسه وحولالنواة طاقة كلية نرمز لها بالحرفE وهي عبارة عن نوعين من الطاقة :
1/طاقةحركية ناتجة عن حركة الإلكترون.
2/طاقة كامنة ناتجة عن التجاذب الكهربي بينهوبين النواة.
والطاقة الكلية للإلكترون تساوي مجموع الطاقتين المذكورتين .
وقد وجد أن الطاقة الحركية تساوي نصف كتلة الإلكترون مضروبة في مربعسرعته.
وأن الطاقة الكامنة له تساوي مربع شحنته مقسومة على بعد عن النواةمسبوقة بإشارة سالبة.
الطاقة الكلية للإلكترون تنقص كلما زاد بعده عن النواةبمعنى أن الإلكترون البعيد عن النواة يحتاج إلى طاقة أقل لانتزاعه منالذرة.
ولقد افترض (بور) أن كمية الحركة الزاوية للإلكترون( التي تساوي حاصلضرب كتلة الإلكترون بسرعته في بعده عن النواة) أن لها قيما معينة أو بعبارة أخرىفإن هناك مدارات أو أفلاكا معينة يمكن أن تكون الإلكترونات موجودة عليها فيالذرة.
وقد توصل بور إلى توضيح التركيب الإلكتروني للذرة ونال بذلك جائزةنوبل عام 1922م.
*الأطياف الذرية:
اعتمد بور في دراستهلتركيب الذرة ووصوله إلى النموذج الذي وضعه لذرة الهيدروجين على دراسة الأطيافالذرية التي يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع:
1/أطياف اللهب:-
منالمعروف أن بعض العناصر تكسب عندما تسخن في لهب مصباح (بنزن)اللهب لونا خاصا مميزاينشأ هذا اللون نتيجة لتأثير ذرات هذا العنصر بالطاقة الموجودة في لهب المصباح لذلككان طيف اللهب من الأطياف الذرية فالصوديوم يكسب اللهب لونا أصفر والبوتاسيوم يكسبهلونا بنفسجيا وهكذا ....
هذا وقد استعملت هذه الطريقة للكشف عن بعض العناصر فيبعض المواد.
وتتلخص هذه الطريقة بأن يعرض جزء صغير من المادة أو محلولها على طرفسلك من البلاتين للهب مصباح (بنزن)فيكتسب اللهب اللون المميز للعنصر إذا كان موجودافي المادة .
والجدول التالي يبين الألوان المميزة لبعضالعناصر:
العنصر الرمز لون اللهب العنصر الرمز لون اللهب
ليثيوم Li أحمركالسيوم Ca أحمربرتقالي
صوديوم Na أصفر استرانسيوم Sr أحمرطوبي
بوتاسيوم K بنفسجي باريوم Ba أخضر
روبيديوم RB أحمر سيزيوم Cs أزرق
قد لاتستطيع العين المجردة تمييز هذه الألوان بدقة في بعض الأحيان إذ يصعب مثلا التمييزبين لهب الليثيوم والاسترانسيوم لذا يستعان في التغلب على ذلك بجهاز يسمى (المطياف) الذي يتألف في أبسط صورة من مؤشر يعمل على كسر الضوء المار خلاله بدرجات مختلفةالألوان المختلفة بحيث تتباعد هذه الألوان عن بعضها العض فتكون أكثروضوحا.
2/أطياف الانبعاث :-
تعطي العناصر عندما تمتص كمية كافية من الطاقة طيفا يسمى طيف الانبعاث فلو سخن عنصر ما باللهب أو بواسطة قوس كهربائي فإن الطاقة التي يمتصها هذا العنصر تؤدي إلى تهيج ذراته بمعنى أن هذه الطاقة التي سلطت على ذرات العنصر أدت إلى اختلاف مواضع الإلكترونات في تلك الذرات أو بعبارة أخرى فإن ذرات العنصر تحتوي في الظروف العادية على أقل كمية من الطاقة فهي مستقرة لذلك تسمى هذه الحالة بحالة الاستقرار أو الحالة الأساسية، أما إذا تعرضت لكمية من الطاقة فإن الإلكترونات وخصوصا الموجودة بعيدا عن النواة تمتص كمية من هذه الطاقة مما يجعله يقذف إلى مستوى طاقة أعلى من المستوى الذي كان عليه وفي هذه الحالة يقال أن الذرات في حالة تهيج وعندما تعود الذرات من حالة التهيج إلى حالة الاستقرار ثانية بعد زوال المؤثر الخارجي (الطاقة) فإنها تطلق الطاقة التي امتصتها على شكل إشعاع يكون في بعض الأحيان في مجال الضوء المرئي وفي البعض الآخر يكون على هيئة إشعاع غير مرئي وأيا كانت الحالة فإن الإشعاع المنطلق هذا يسمى طيف الانبعاث وإذا مر هذا الطيف خلال مؤشر (جهاز المطياف) فإنه يتحلل إلى مكوناته من موجات .
يتألف طيف الانبعاث عادة من نوعين :-
الطيف المستمر والمتقطع ،يظهر الطيف المتقطع على شكل حقل مظلم به خطوط متباعدة مضيئة تلعب أطياف الانبعاث دورا مهما في التعرف على العناصر المختلفة.
إذ لكل عنصر طيف انبعاث مميز له وقد أدى هذا إلى اكتشاف بعض العناصر من ذلك مثلا أنه نم اكتشاف العناصر التالية ما بين سنة 1860م وسنة1879م ،الربيديوم والسيزيوم والثاليوم والانديوم والجاليوم والإسكنديوم ،وذلك لأن بعض المواد الخام أعطن عندما فحصت بواسطة (المطياف) خطوط لا تشبه خطوط العناصر المعروفة في ذلك الوقت كما أن طيف الانبعاث أدى إلى اكتشاف غاز الهيليوم في الشمس عام 1868م ولم يعرف وجوده في الأرض إلا عام 1895م.
3/أطياف الامتصاص :-
تعطي معظم المواد الصلبة إذا سخنت إلى درجة حرارة عالية جدا لهبة بيضاء ساخنة وينطلق منها إشعاع طول موجته مساوي لطول موجة الضوء المرئي يؤلف هذا الإشعاع عادة طيفا مستمرا فلا يشكل مناطق مظلمة .
لحصول على الطيف المستمر تستعمل العناصر أو المركبات ذات درجة الانصهار العالية ومن أهم هذه العناصر عنصر التنجستن المستعمل مصابيح الإضاءة الكهربائية حيث يسخن بالكهرباء لدرجات حرارة عالية فيتوهج ويعطي الضوء الأبيض المعروف ذو الطيف المستمر والموجات الكهرومغناطيسية .
إذا نفذ خلال مادة ما فإن بعض موجات هذا الطيف تمتص وتعتبر هذه الموجات الممتصة مميزة للمادة التي امتصتها وبعبارة أخرى فإن كل مادة تمتص موجات ذات أطوال معينة خاصة بها أما الشكل الناتج للطيف بعد نفوذه
فلا يبقى مستمرا إذ يتألف من خطوط لذلك يسمى بطيف الامتصاص.
ولقد أدت دراسة أطياف الانبعاث للغازات إلى تطوير طرق اختبار المواد المجهولة سواء أكانت سائلة أو غازية أو صلبة ملونة أو عديمة اللون إذ أنها تمتص موجات ذات أطوال معينة من الضوء الأبيض.
والمواد التي لا تمتص الضوء الأبيض يمكن أن تمتص موجات ذات أطوال مميزة من الأشعة الحمراء أو فوق البنفسجية وهي طريقة أخرى لمعرفة وجود العنصر أو المركب في المادة.
*طاقة تأين الذرات:
قام الفيزيائيان ((فرانك وهرتز)) عام 1914م بتجربة كانت لها أهمية بالغة في تأكيد صحة نظرية بور،تعتمد على انتزاع إلكترون من الذرة .
ولقد استخدما في ذلك الأشعة المهبطية لما تمتاز بطاقة حركية عالية تكفي لانتزاع بعض الكترونات الذرات المتوفرة في أنبوبة التفريغ (تحت ضغط منخفض جدا) .
هذا وقد استعملا بخار الزئبق ولاحظا أن شدة التيار تزداد مع ازدياد فرق الكمون(الجهد) بين المسريين حتى إذا وصل الفرق إلى 4.9 فولت ،خبت شدة التيار وكادت تصل الصفر ثم لا تلبث أن ترتفع بازدياد فرق الكمون أكثر من 4.9 ثم تخبو شدة التيار مرة أخرى عندما يصل فرق الكمون إلى 9.8 فولت أي ضعف فرق الكمون الأول.
ولقد نشأ من ذلك خط طيفي ،وفي كل مرة يصل فيها فرق الكمون شدة التيار نهاية عظمى ،فجأة ينتزع إلكترون من الذرات المتوفرة في أنبوبة التفريغ وكلنا زاد فرق الكمون كلما أمكن انتزاع إلكترون آخر.
*التركيب الإلكتروني للذرات:
1/الأغلفة(المستويات) الإلكترونية:-
يتضح من النموذج الذي وضعه (بور) للذرة بأنها تشبه النظام الشمسي حيث توجد النواة كجسم صغير جدا وحوله الإلكترونات سابحة في الفراغ ومرتبة في مستويات طاقة معينة تسمى هذه المستويات بالأغلفة الإلكترونية ويرمز لها بالحروف K .L.M.N.O.P.Q. 1.2.3…… وتعرف هذه الأرقام الآن بأرقام الكم الرئيسي ويرمز لها بالحرف N (ن) فإن كانت ن=1 فإنها ترمز لأول غلاف إلكتروني أما إذا كانت ن=2 فهذا يرمز للغلاف الإلكتروني الثاني ، وهكذا وقد جد أن عدد الإلكترونات التي يمكن أن يستوعبها الغلاف الإلكتروني يعتد على رقمه (بعده عن النواة) ومقدار عدد الإلكترونات بعين بالقانون التالي( 2×مربع عدد الغلاف) .
فعدد إلكترونات الغلاف الأول تساوي 2×(1×1)=2 .
والغلاف الثاني يساوي 2×(2×2)= 2×4=8 وهكذا...............
ولقد استنتجت هذه الأغلفة من دراسة الظواهر الفيزيائية وأهمها طيف الانبعاث الذي سبق ذكره إذ يحدد عدد الأغلفة الموجودة في ذرة ما بعدد الخطوط التي يعطيها طيف الانبعاث من هذه الذرة حيث أن الذرة تتهيج عندما تمتص كمية من الطاقة فتقفز إلكتروناتها إلى مستويات طاقة أعلى فإذا هدأت وعادت إلى الحالة الأساسية رجعت الإلكترونات إلى مستويات طاقة أقل مصحوبة بانطلاق طاقة على هيئة إشعاع يظهر كخطوط تحدد هذه المستويات ولدى الدراسة التفصيلية للصور الفوتوغرافية لأشعة الطيف وجد أن طيف الانبعاث لأي ذرة يحتوي عادة على عدد من الخطوط يزيد على العدد الذي ينتج من قفز الإلكترونات من غلاف إلى آخر وقد فسر ذلك فيما بعد بأن الأغلفة الإلكترونية الأساسية السابقة الذكر مقسمة إلى عدد من المستويات سميت(بتحت أغلفة) وانتقال الإلكترون بين تحت الأغلفة هذه يصحبه انطلاق كمية من الطاقة هي السبب في ظهور بعض هذه الخطوط في طيف الانبعاث .
ويعتقد أن شكل تحت الغلاف S كروي يغلف النواة ذات الشحنة الموجبة.
أما تحت الغلاف P فيعتقد أن شكله عبارة عن ستة كور كل اثنين منهما يتواجدان على محور من المحاور الإحداثية الثلاثية المتعامدة (X.Y.Z) وهي بهذا تشبه ما يسمى بالدومبل (وهو عبارة عن كرتين من الحديد بينهما قضيب تمرن بها العضلات).
أما النواة الموجبة الشحنة فتقع عند نقطة التقائها، هكذا.
أما تحت الغلاف d وتحت الغلاف F فإن أشكالهما أكثر تعقيدا من شكل تحت الغلاف P سابق الذكر.
*تحت الأغلفة(المجالات الفرعية):
لقد توصل من دراسة الطيف السابقة إلى أن كل غلاف إلكتروني ينقسم إلى عدد من تحت الأغلفة ويعتمد هذا العدد على رقم الغلاف فالغلاف الإلكتروني الأول الذي رقمه الكمي 1يحتوي على تحت غلاف واحد يرمز له بالحرف (S) أما الغلاف الإلكتروني الثاني ذو الرقم 2 فيحتوي على تحت غلافين هما (S.P) والثالث على ثلاثة هي (S.P.D)والرابع على أربعة (S.P.D.F) وهكذا....
*المدارات الذرية:
يشغل الإلكترون أثناء دورانه حول محوره حيزا صغيرا يسمى دارة وكل تحت من تحت الأغلفة الإلكترونية السابقة الذكر تحتوي على عدد من الدارات فتحت الغلاف (S)مثلا يحتوي على دارة واحدة وتحت الغلاف (P) على ثلاث دارات وتحت الغلاف(D) يحتوي على خمسة دارات وهكذا كل تحت غلاف يزيد بدارتين عن تحت الغلاف الذي يسبقه .
ولقد وجد من دراسة الخواص المغناطيسية أن الإلكترونات تدور حول محاورها وتختلف في دورانها فبعضها يدور في اتجاه عقارب الساعة وبعضها الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة وكل دارة من الدارات السابقة لا تتسع إلا لإلكترونين يكونان متزاوجين أي أنهما مختلفين في دورانهما الذاتي وعليه فإن عدد الإلكترونات الموجودة في تحت الغلاف (S) هي إلكترونان فقط لأنه لا يحتوي إلا على دارة واحدة أما تحت الغلاف (P) فيكون به ستة إلكترونات لأنه يحتوي على ثلاثة دارات وتحت الغلاف (D) على عشرة إلكترونات لأنه يشمل خمسة دارات وهكذا ويكون عدد الإلكترونات الموجودة في الغلاف الإلكتروني الأول (K)الذي رقمه الكمي ن=1 إلكترونان يتواجدان في الدارة الوحيدة التابعة لتحت الغلاف (S) الذي يكون هذا الغلاف أما الغلاف الإلكتروني الثاني(L) الذي رقمه الكمي ن=2 فيحتوي 8إلكترونات اثنان منهما في تحت الغلاف (S) وستة في تحت الغلاف (P) وهكذا بالنسبة لبقية الأغلفة يكتب رقم الغلاف عادة أمام رمز تحت الغلاف ليميزه أما عدد الإلكترونات التي يحتويها تحت الغلاف هذا فتكتب بأرقام صغيرة أعلى الرمز ناحية اليمين هكذا...
3S2
حيث 3 هو رقم الغلاف.
وS هو رمز تحت الغلاف.
و2 هو عدد الإلكترونات التي يحتويها تحت الغلاف.
*مخطط مستوى الطاقة:
مع أنه لا يمكن رسم مستويات الطاقة للإلكترونات بدقة إلا أنه يمكن وضع مخطط يبين هذه المستويات بشكل تقريبي.
*ترتيب ملء الذرات:
إذا رتبت تحت الأغلفة حسب تتابعها في الأغلفة المختلفة فيأخذ ترتيبها الشكل التالي:
K: 1S. L: 2S2P. M: 3S3P3d. N: 4S4P4d4F.
وكما ذكرنا في السابق فإنه يلاحظ أن الفرق بين مستويات الطاقة يقل ،وتتراكم بعض تحت الأغلفة فيختلف الترتيب في ملئها إذ يلاحظ كذلك أنه مع زيادة العدد الذري فإن تحت الغلاف (5S)يمتلئ قبل (4d) و(4f).
ويمكن على هذا الأساس ترتيب تحت الأغلفة حسب ملئها هكذا :
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p8s .
*قاعدة هند:
استطاع العالم(هند)لدى دراسته الخواص المغناطيسية أن يضع قاعدته التي وضح فيها بأن الإلكترونات لا تتزاوج في تحت الغلاف الواحد إلا إذا كان عددها أكبر من عدد الدارات المكونة لتحت الغلاف المذكور.
*فوائد الترتيب الإلكتروني:
يمكن كتابة الترتيب الإلكتروني لأي ذرة إذا عرف العدد الذري لتلك الذرة فلو أخذت ذرة عنصر الكالسيوم مثلا والتي يأخذ عددها الذري رقم (20)
أي أنها تشمل على 20 إلكترون يأخذ ترتيبها الشكل التالي:
1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 .
وللاختصار يكتب الترتيب الإلكتروني هكذا :
(Ar) 4S2
وهذا الاختصار مبني على أن تحت الأغلفة الأخيرة مليئة في ذرات الغازات الخاملة وتمثل ترتيبا ثابتا أما الغازات الخاملة فهي:
الغاز رمزه العدد الذري الترتيب الإلكتروني
الهيليوم He 2 1S2
النيون Ne 10 2S2 2P6
الآرجون Ar 18 3S2 3P6
الكربتون Kr 36 8D10 4S2 4P6
الزينون Xe 54 4D10 5S2 5P6
الرادون Rn 86 4F14 5D10 6S2 6P6
ومن أهم فوائد الترتيب الإلكتروني أنه يعطي فكرة واضحة عن تكافؤ العنصر من حيث النوع والكم فالنظرة الأولى إلى الترتيب الإلكتروني لذرة الكالسيوم سابقة الذكر توحي أن تكافؤ العنصر ثنائي موجب لأنه من السهل على مثل هذه الذرة أن تفقد الإلكترونين الموجودين في تحت الغلاف 4S2 إذ يصعب ملء الغلاف الرابع الذي لا يتوفر فيه إلا إلكترونين وهو يستوعب الثلاثين إلكترون .
كذلك فإن الترتيب الإلكتروني لذرة الأكسجين ذات العدد الذري 8 2s2 2p4
يوحي أن هذه الذرة بحاجة إلى إلكترونين حتى يكتمل ملء الغلاف الأخير فيها(الغلاف الثاني) لذا فإن تكافؤها ثنائي سالب .
*قاعدة عدم التأكد ل(هايزن برغ):
واجهت نظرية بور عقبات من أهمها قياس سرعة ومكان الإلكترون في الذرة حيث أنه لا يمكن إجراء هذا القياس بالدقة المطلوبة والسبب هو أن الدقة تعتمد على مهارة مجرى القياس وعلى دقة الأجهزة المستعملة في هذا الغرض حتى ولو توفر الاثنان معا فإن مثل هذه القياسات تصاحبها صعوبات فنية لا يمكن التغلب عليها وهي تجاذب الإلكترون مع هذه الأجهزة المستعملة في قياس سرعته ومكانه ولإيضاح ذلك نقول أن الأشياء الموجودة في الطبيعة تكون في العادة ذات أوزان كبيرة بحيث لا يدرك التجاذب الذي يحدث بينها وبين الضوء العادي الذي يظهرها لأعيننا فلا يغير ذلك في مكانها أو كمية حركتها ولكن الأمر يختلف تماما في حالة الأشياء المتناهية في الصغر مثل مكونات الذرة.
فمثلا يمكن تحديد مكان الإلكترون بدقة إذا استخدم ضوء فوتوناته ذات أطوال موجات قصيرة وفي هذه الحالة فإن للفوتونات كمية من الطاقة فتأثر هذه الطاقة على الحركة الكاملة للإلكترون ولتقليل هذا التأثير لابد من استخدم ضوء فوتوناته ذات أطوال موجات أطول من السابقة غير أن هذا سيؤثر على الدقة التي يمكن بها تحديد مكان الإلكترون وقد عمم هذه المشكلة العالم (هايزن برغ) عام 1927م ووصل إلى حل لها حيث أوضح أن قياس المكان والسرعة نفس اللحظة للإلكترون لابد أن يصحبه مقدار من عدم التأكد (الخطأ) مهما كانت دقة الأجهزة ومهما عدلت ظروف القياس فإن كمية الخطأ لا تقل عن (2h) حيث h هو ثابت بلانك وهذا التعميم يعرف بقاعدة عدم التأكد وهو مقدار الخطأ في قياس مكان وسرعة الإلكترون في وقت واحد نتيجة لتأثر الإلكترون بفوتونات الضوء المستخدم في جهاز القياس.
*أرقام الكم:
توصف كمية حركة الإلكترون في أي ذرة أثناء وجوده في داره معينة حول النواة بكميات.
هذه الكميات هي عبارة عن أرقام تعرف بأرقام الكم وهذه الأرقام أربعة أنواع تصف بعد الإلكترون عن النواة وشكل الدارة التي يوجد بها الإلكترون واتجاه هذه الدارة بالنسبة للنواة وأخيرا اللف الحلزوني الذاتي للإلكترون .
والأنواع الأربعة هي:-
1/رقم الكم الرئيسي (الأساسي)
يرمز لهذا الرقم بالحرف ن(N) ويدل على حجم الفراغ الأساسي الذي يتحرك فيه الإلكترون أي أنه يصف بعد الإلكترون عن النواة فكلما زادت قيمة هذا الرقم العددية دل على زيادة طاقة الإلكترون ومن ثم طاقة المستوى الذي يتحرك فيه ذلك الإلكترون ويزداد تبعا لذلك متوسط بعد الإلكترون عن النواة وتكون قيم هذا الرقم عادة أعداد كاملة تبدأ من 1 إلى ما لا نهاية ، وهي تقابل الأغلفة الإلكترونية السابقة الذكر :
قيم رقم الكم الرئيسي الأغلفة الإلكترونية
1 K
2 L
3 M
4 N
5 O
6 P
7 Q
2/رقم الكم الثانوي (السمتي):-
يرمز لهذا الرقم بالحرف ل(L) وهو كمية تتعلق بشكل المنطقة التي يشغلها الإلكترون ويتحرك فيها وقيم هذا الرقم أيضا أعداد كاملة تبدأ من الصفر إلى ن-1
لذا فإن قيم هذا الرقم مرتبطة بقيم رقم الكم الرئيسي على النحو الآتي:-
إذا كانت قيمة ن=1 فإن قيمة ل= صقر وإذا كانت قيمة ن=2 فإن ل= ا أو صفر وهكذا .
وعلى العموم فإن قيم رقم الكم الثانوي تقابل تحت الأغلفة الإلكترونية ويمكن توضيح ذلك بالجدول التالي :
رقم الكم الثانوي تحت الغلاف
0 s
1 p
2 d
3 f
4 g
5 h
3/رقم الكم المغناطيسي:-
يرمز عادة لهذا الرقم بالحرف (M) ويدل على الاتجاه الذي يسلكه الإلكترون وهو اتجاه الدارة بالنسبة للنواة وقيم هذا الرقم أعداد كاملة أيضا تبدأ من –ل إلى +ل مرورا بالصفر.
وهذا يعني أن قيم هذا الرقم مرتبطة بقيم رقم الكم الثانوي فإذا كانت L=0 فإن M=0 وإذا كنت L=1 فإن M= +1.0.-1 ........وهكذا.
4/رقم الكم المغزلي :-
يرمز له بالحرف S ويتعلق باللف المغزلي (الحلزوني ) للإلكترون حول محوره أثناء دورانه حول النواة ، وتنقسم الإلكترونات بالنسبة لهذه الخاصية إلى نوعين
أ)نوع يلف في اتجاه عقارب الساعة.
ب)نوع يلف في عكس اتجاه عقارب الساعة.
لذا فإن كل إلكترونين موجودين في دارة واحدة يكونان مختلفين في لفهما المغزلي ويكونان متزاوجين ، ولقد أعطي رقم الكم المغزلي قيما افتراضية هي
(+0.5 و-0.5).
ولو تساوت قيم أرقام الكم الثلاثة فإن الاختلاف يكون في مقدار رقم الكم المغزلي وفقا لقاعدة (هوند).
فإن كل إلكترون يدخل مدارا معينا له لف مغزلي خاص به قبل أن يتزاوج مع إلكترون آخر.
*تحديد الإلكترون بواسطة قيم أرقام الكم:
لا يوجد حسب قاعدة (باولي ) إلكترونان في ذرة ما لهما قيم أرقام الكم الأربع نفسها فعندما تكون القيمة العددية لرقم الكم الرئيسي ( N) =1 فإنL=0 وM= 0 أما
S= (+0.5أو -0.5) وعلى هذا فإن الإلكترون الذي قيمة رقمه الكمي الرئيسي =1 يمكن تمييزه بمجموعتين على النحو الآتي:
S M L N
+0.5 0 0 1
-0.5 0 0 1
