بحث عن بنية الذرة

[medo_mansour]

ي عام 1885 وضع الفيزيائي السويسري بالمر قانونا محددا لترتيب خطوط الطيف لذرة الهيدروجين - سلسلة بالمر - ثم وجدت في طيف الهيدروجين فيما بعد سلاسل أخرى مثل سلسلة ليمان وسلسلة باشين

وتم بعد ذلك اثبات أن الذرات الاخرى لها طبيعة مماثلة في ترتيب خطوط الطيف ولكن بشكل أكثر تعقيدا من ذرة الهيدروجين ولم تتمكن الفيزياء الكلاسيكية من تفسير هذه النتائج التجريبية وأيضا لم يستطع رذرفورد بنموذجه من تفسير الطبيعة الطيفية وتفسير الخطوط الطيفية ولم يستطع أيضا تفسير استقرار الذرة نفسها

لتفسير التناقض بين نتائج التجارب العملية وبين الفيزياء التقليدية كان من الضروري الاعتراف بمحدودية تطبيق قوانين الفيزياء التقليدية على الذرات وهنا جاء بوهر ( واحد من أبرز علماء الفيزياء في القرن العشرين ) وهو عالم دانمركي وأدخل أفكار نظرية الكم في النموذج النووي للذرة ( نموذج رذرفورد ) ووضع ثلاثة فروض للتغلب على المشاكل التي اعترضت نموذج رذرفورد


الذرة وحدة بناء الكون

ساد في القدم الاعتقاد بأن الذرة تعني الجوهر الذي لا يتجزأ إلى ما هو أصغر. وقد ظل هذا الاعتقاد قائمًا حتى عام 1789، عندما عثر العالم الألماني "مارتن كلابروث" على عنصر يصدر ومضات ضوئية في الظلام، لكنه لم يتمكن هو أو غيره من العلماء من وضع تفسير لهذه الظاهرة الغريبة. وتكريما لكوكب يورانوس أو أورانوس الذى كان قد اكتشف في نفس التوقيت أطلق عليه اسم "يورانيوم".

مضى قرن من الزمان والمادة الجديدة في عزلتها كما لو كانت أعجوبة في معامل الأبحاث، حتى استطاعت العالمة البولندية ماري كوري اكتشاف عناصر الثوريوم والبولونيوم والراديوم، وبذا تأكدت ظاهرة النشاط الإشعاعي الذاتي لبعض العناصر الموجودة في الطبيعة.

استفاد رذرفورد أبو الطاقة الذرية من هذه الظاهرة في دراسة تركيب الذرة، وقد عرف فيما بعد أن المواد المشعة تقذف بجسيمات يطلق عليها "ألفا" أو إشعاع بيتا وجاما؛ وفكر رذرفورد فيما سيحدث لو قام بتعريض رقاقة من الذهب لمصدر يقذف بجسيمات ألفا. وقد كان من المتوقع أحد احتمالين: الأول أن تنفذ جسيمات ألفا من رقاقة الذهب مخترقة إياها، أو أن تنفذ بداخلها وتستقر بها محدثة بعض التغييرات في تركيبها. ولكن كانت المفاجأة في نتائج التجربة..

ففي الوقت الذي نفذ فيه عدد كبير من جسيمات ألفا خلال الرقاقة دون أن تغير من اتجاهها انحرف البعض بزاويا مختلفة، كما ارتد البعض الآخر عائدًا للخلف. وقد استغرب رذرفورد النتائج، وعلق عليها قائلا: "لقد كان الأمر غريبا، تمامًا كما أطلقت قذيفة من عيار 15 بوصة على ورقة رقيقة، فلم تنفذ خلالها، وإنما ارتدت إليك لتصيبك".

وبعد تفكير عميق استنتج أن الظاهرة تعود إلى أن جسيمات ألفا موجبة الشحنة قابلت في طريقها في رقاقة الذهب جسمًا آخر له نفس الشحنة؛ وهو ما يعد


تطبيقًا لقاعدة علمية؛ مفادها أن "الأجسام متشابهة الشحنة تتنافر، والأجسام مختلفة الشحنة تتجاذب".

واستنتج رذرفورد أن كتلة وشحنة هذا الجسم الموجود داخل نطاق ذرات الذهب كانتا كبيرتين ومركزتين جدًا؛ لدرجة أن جسيمات ألفا قد انحرفت جانبا، بل وإلى الخلف على الرغم من سرعتها الكبيرة التي تصل لحوالي 20 ألف كم في الثانية.

وبعد سنتين من البحث تم فيهما قذف كل مكان محتمل بالذرة، تم التأكد من صحة الاستنتاج، وقد أطلق على هذا الجزء "النواة"، وتبين أنها تشغل حيزا صغيرا جدا داخل الذرة، إلا أنها تتركز فيها غالبية كتلتها، وكان هذا أول باب يفتح أعين العلماء على أن الذرة تتألف من مكونات أصغر، ولكن يبقى السؤال: ماذا يشغل الجزء الباقي من الذرة؟

فروض بوهر الثلاثة

يدور الالكترون حول النواة في مدارات ثابتة ذات أنصاف أقطار محددة

كمية التحرك الزاوي للالكترون كمية مكممة



لا يشع الالكترون طاقة الا اذا انتقل من مدار بعيد عن النواة الى مدار أقرب منه

ملاحظات

أولا : طبق بوهر قوانين الفيزياء التقليدية على الذرة ولكن وضع عليها قيودا تنحصر في الربط الكمي للمدارات وتفسير استقرار الذرة

ثانيا قام بوهر بحساب الطاقة الكلية للالكترون وايضا بايجاد أنصاف أقطار مدارات الالكترونات المسموح بها في ذرة الهيدروجين وحساب مستويات الطاقة المناظرة لها

نموذج دالتون

تتألف المادة من دقائق صغيرة جدا لا تتجزأ تسمى الذرات

تتشابه ذرات العنصر الواحد وتتساوى في الكتلة بينما تختلف ذرات العناصر المختلفة

تتفاعل ذرات العناصر مع بعضها بنسب ثابتة لتشكيل المركبات

نموذج طومسون

الذرة كرة مصمتة موجبة الشحنة

تتخلل الالكترونات السالبة الذرة ( كما تتخلل البذور ثمرة البرتقال )

الذرة متعادلة كهربيا

نموذج راذرفورد

الذرة تشبه المجموعة الشمسية ( نواة مركزية يدور حولها على مسافات شاسعة الالكترونات سالبة الشحنة )

الذرة معظمها فراغ ( لأن الذرة ليست مصمتة وحجم النواة صغير جدا بالنسبة لحجم الذرة )

تتركز كتلة الذرة في النواة ( لأن كتلة الالكترونات صغيرة جدا مقارنة بكتلة مكونات النواة من البروتونات والنيوترونات )

يوجد بالذرة نوعان من الشحنة ( شحنة موجبة بالنواة وشحنات سالبة على الالكترونات

الذرة متعادلة كهربيا لأن عدد الشحنات الموجبة ( البروتونات ) يساوي عدد الشحنات السالبة ( الالكترونات )

تدور الالكترونات حول النواة في مدارات خاصة

يرجع ثبات الذرة الى وقوع الالكترونات تحت تأثير قوتين متضادتين في الاتجاه متساويتين في المقدار هما قوة جذب النواة للالكترونات وقوة الطرد المركزي الناشئة عن دوران الالكترونات حول النواة


عيوب نموذج راذرفورد

الذرة ليست متزنة ميكانيكيا ( بما الالكترون يدور حول النواة في مسار دائري فانه حسب نظرية ماكسويل يشع أمواجا كهرومغناطيسية ويفقد جزءا من طاقته وبالتالي يدور في مسار حلزوني حتى يلتصق بالنواة وهذا لايحدث

لم يستطع تفسير الطيف الخطي

معلومات أضافية

عيوب نموذج رذرفورد

اولا : الذرة ليست متزنة ميكانيكيا حيث أن النواة الموجبة تقوم بجذب الالكترونات السالبة وتلتحم وتتعادل بفرض أن الالكترونات سالبة

اذا كانت الالكترونات تدور حول النواة في مسار دائري تنشأ قوة مركزية تساوي ك ع2 / نق وبالتالي يتحرك الالكترون بتسارع مركزي ويكون مع النواة ثنائي متذبذب فيشع أمواجا كهرومغناطيسية ويدور في مسار حلزوني الى أن يسقط في النواة

ثانيا : بما أن الالكترون يدور حول النواة ويكون معها زوجا متذبذبا اذا الذرة تشع طيف مستمر متغير في التردد والطول الموجي وتتناقص طاقته تدريجيا وهذا يناقض مع التجارب العملية التي أثبتت أن الذرات تشع طيف خطي له طول موجي محدد بدقة


نموذج بور لتركيب الذرة

الأسس التي بنى عليها بور نموذجه

دراسة الطيف الخطي لذرة الهيدروجين ( سلسلة ليمان - سلسلة بالمر - سلسلة باشن ) ثم

نموذج رذرفورد لتركيب الذرة

النظرية الكمية لبلانك

فروض بور لتركيب الذرة

استخدم بور بعض فروض رذرفورد عن تركيب الذرة وهي

الذرة فراغ هائل تتوسطه نواة مركزية تدور حولها وبعيدا عنها بمسافات كبيرة الكترونات سالبة الشحنة

تتركز كتلة الذرة في النواة التي تحتوي على الشحنات الموجبة

الذرة متعادلة كهربيا لأن عدد الشحنات الموجبة في النواة يساوي عدد الشحنات السالبة التي تدور حولها

أثناء دوران الالكترون حول النواة تنشأقوة طرد مركزية تعادل قوة جذب النواة للالكترون

أضاف بور الفروض التالية

يدور الالكترون حول النواة في عدد محدد من مستويات الطاقة الثابتة والمحددة دون أن يفقد أو يكتسب طاقة في الحالة العادية للذرة

لكل الكترون أثناء دورانه حول النواة طاقة معينة تتوقف على بعد مستوى الطاقة الذي يدور فيه عن النواة حيث تتزايد طاقة المستوى بزيادة نصف قطره

أكبر عدد لمستويات الطاقة في الحالة العادية للذرة سبعة مستويات يعبر عن طاقة كل مستوى بعدد صحيح يسمى عدد الكم الرئيسي


في الحالة المستقرة للذرة يدور الالكترون في مستوى الطاقة المناسب لطاقته وعند اثارة الذرة اكساب الذرة طاقة سواء بالتسخين أو بالتفريغ الكهربي يقفز الالكترون مؤقتا الى مستوى الطاقة الأعلى- يتوقف على مقدار الكم المكتسب من الطاقة

بعد وقت قصيرجدا حوالي 10-8 ثانية يفقد الالكترون نفس الكم الذي اكتسبه من الطاقة وتتحول الذرة تلقائيا من حالة الاثارة الى الحالة الارضية المستقرة

ينبعث هذا الكم من الطاقة في صورة اشعاع من الضوء بطول موجي وتردد محدد مما ينتج طيفا خطيا مميزا ( سلسلة ليمان وسلسلة بالمر وسلسلة باشن ) ــــــــ

كانت نتائج حساب الأطوال الموجية التي حسبها بور بناء على هذه لفروض في حالة ذرة الهيدروجين مطابقة تماما للأطوال الموجية المقاسة عمليا لطيف الهيدروجين



الكوانتم: كمية من الطاقة المكتسبة أو المنطلقة عندما ينتقل الالكترون من مستوى طاقة أقل الى مستوى طاقة أعلى أو العكس

هام جدا

أولا : من حسابات بور لأنصاف أقطار مستويات الطاقة وطاقة كل مستوى اتضح أن فرق الطاقة بين المستويات في الذرة ليس متساويا حيث يقل كلما بعد المستوى عن النواة وبالتالي كم الطاقة الذي يلزم لنقل الكترون بين مستويات الطاقة المختلفة ليس متساويا

ثانيا : لا ينتقل الالكترون من مستوى الى اخر الا اذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أو المفقودة مساوية لفرق الطاقة بين المستويين

لا ينتقل الالكترون من مستواه اذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أقل من كم كامل من الطاقة بمعنى أن الكم لا يتجزأ وذلك بسبب أن الكم كمية محددة من الطاقة وللتوضيح يمكن تمثيل مستويات الطاقة بطوابق في عمارة وتشبيه الالكترون بالمصعد الذي لا يتوقف بين الطوابق ولكن فقط عند طابق معين

ولزيادة التوضيح يمكن تمثيل مستويات الطاقة بدرجات سلم وتشبيه الكترون بكرة حيث نلاحظ أن الكرة لا تستقر بين درجات السلم وكذلك الالكترون لا يستقر في أي مسافة بين مستويات الطاقة

عيوب نموذج رذرفورد

اولا : الذرة ليست متزنة ميكانيكيا حيث أن النواة الموجبة تقوم بجذب الالكترونات السالبة وتلتحم وتتعادل بفرض أن الالكترونات سالبة

اذا كانت الالكترونات تدور حول النواة في مسار دائري تنشأ قوة مركزية تساوي ك ع2 / نق وبالتالي يتحرك الالكترون بتسارع مركزي ويكون مع النواة ثنائي متذبذب فيشع أمواجا كهرومغناطيسية ويدور في مسار حلزوني الى أن يسقط في النواة

ثانيا : بما أن الالكترون يدور حول النواة ويكون معها زوجا متذبذبا اذا الذرة تشع طيف مستمر متغير في التردد والطول الموجي وتتناقص طاقته تدريجيا وهذا يناقض مع التجارب العملية التي أثبتت أن الذرات تشع طيف خطي له طول موجي محدد بدقة


هام جدا

أولا : من حسابات بور لأنصاف أقطار مستويات الطاقة وطاقة كل مستوى اتضح أن فرق الطاقة بين المستويات في الذرة ليس متساويا حيث يقل كلما بعد المستوى عن النواة وبالتالي كم الطاقة الذي يلزم لنقل الكترون بين مستويات الطاقة المختلفة ليس متساويا

ثانيا : لا ينتقل الالكترون من مستوى الى اخر الا اذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أو المفقودة مساوية لفرق الطاقة بين المستويين

لا ينتقل الالكترون من مستواه اذا كانت كمية الطاقة المكتسبة أقل من كم كامل من الطاقة بمعنى أن الكم لا يتجزأ وذلك بسبب أن الكم كمية محددة من الطاقة وللتوضيح يمكن تمثيل مستويات الطاقة بطوابق في عمارة وتشبيه الالكترون بالمصعد الذي لا يتوقف بين الطوابق ولكن فقط عند طابق معين

ولزيادة التوضيح يمكن تمثيل مستويات الطاقة بدرجات سلم وتشبيه الكترون بكرة حيث نلاحظ أن الكرة لا تستقر بين درجات السلم وكذلك الالكترون لا يستقر في أي مسافة بين مستويات الطاقة

نقد نموذج بور

أوجه النجاح

أولا : تفسير الأطياف الذرية لذرة الهيدروجين والذرات والايونات المشابهة مثل طيف ذرة الديوتيريوم وأيون الهيليوم وحساب طاقة التأين لهذه الذرات

ثانيا : استخدم بور فكرة الكم في تحديد طاقة الالكترونات في مستويات الطاقة المختلفة

ثالثا : التوفيق بين نموذج راذرفورد ونظرية ماكسويل حيث أكد نموذج بور أن الالكترونات أثناء دورانها حول النواة في الحالة المستقرة لا تشع طاقة وبالتالي لا تسقط في النواة


أوجه القصور

لم يستطع نموذج بور تفسير أطياف الذرات الاكثر تعقيدا من ذرة الهيدروجين التي تحتوي على الكترونات واحد

افترض أن الالكترون يدور في مدارات محددة وفي مستوى واحد حول النواة مما يعني أن ذرة الهيدروجين مسطحة مما ينافى مع ما ثبت بعد ذلك من أن الذرة مجسمة

افترض ان الالكترون جسيم مادي ولم يعتبر الطبيعة الموجية للالكترونات

افترض أنه يمكن تعيين كلا من مكان وسرعة الالكترون في نفس الوقت بدقة وهذا عمليا مستحيل لأن جهاز القياس المستخدم سوف يغير المكان او السرعة

لم يعتبر بور احتمال تجاوز الالكترون للمدارات الثابتة التي حددها واحتمال وجوده في منطقة حول هذا المدار الثابت


المراجع
بكل صدق وامانه تم اخد المعلومات من موقع على شبكة الانترنت بعنوان


http://www.geocities.com/dyaa70/atomic.html

http://www.geocities.com/dyaa70/bohr07.html


الخاتمة

و قد استعرضنا فى هدا البحت مكونات الذرة
و تركيبها و نمادج الذرة مثل نمودج بوهر
و رادفورد وغيرها وكما استعرضنا تاريخ اكتشاف الذرة وكدالك الراوبط التى بينها واستعرضنا عيوب
و خصائص نمودج رادفورد و بوهر و نامل ان يفيد حضارتكم