أكثر

9.5: بنية الذرات - علوم الأرض

9.5: بنية الذرات - علوم الأرض


أهداف التعلم

  • صف الجسيمات الثلاث الرئيسية دون الذرية.
  • اذكر كيف يتم ترتيب الجسيمات دون الذرية في الذرات.

كانت هناك عدة تعديلات طفيفة ولكنها مهمة على نظرية دالتون الذرية. لسبب واحد ، اعتبر دالتون أن الذرات غير قابلة للتجزئة. نحن نعلم الآن أن الذرات لا يمكن تقسيمها فحسب ، بل تتكون أيضًا من ثلاثة أنواع مختلفة من الجسيمات ، الجسيمات دون الذرية، بخصائصها الخاصة التي تختلف عن الخواص الكيميائية للذرات.

الجسيمات دون الذرية

تم تحديد أول جسيم دون ذري في عام 1897 وأطلق عليه اسم الإلكترون. إنه جسيم صغير للغاية ، كتلته حوالي 9.109 × 10−31 كلغ. أظهرت التجارب على المجالات المغناطيسية أن للإلكترون شحنة كهربائية سالبة. بحلول عام 1920 ، أشارت الأدلة التجريبية إلى وجود جسيم ثان. يحتوي البروتون على نفس كمية شحنة الإلكترون ، لكن شحنته موجبة وليست سالبة. الفرق الرئيسي الآخر بين البروتون والإلكترون هو الكتلة. على الرغم من أن البروتون لا يزال صغيرًا بشكل لا يصدق ، إلا أن كتلة البروتون تبلغ 1.673 × 10−27 كجم ، وهو ما يقرب من 2000 مرة أكبر من كتلة الإلكترون. لأن الشحنات المعاكسة تجتذب بعضها البعض (بينما الشحنات المتشابهة تتنافر) ، تجذب البروتونات الإلكترونات (والعكس صحيح).

أخيرًا ، أشارت تجارب إضافية إلى وجود جسيم ثالث. أثبتت الأدلة التي تم إنتاجها في عام 1932 وجود النيوترون ، وهو جسيم له نفس كتلة البروتون تقريبًا ولكن بدون شحنة كهربائية. حيادي. نحن نفهم الآن أنه يمكن تقسيم جميع الذرات إلى جسيمات دون ذرية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. يسرد الجدول ( PageIndex {1} ) بعض خصائصها المهمة والرموز المستخدمة لتمثيل كل جسيم.

الجدول ( PageIndex {1} ): خصائص الجسيمات دون الذرية
جسيمرمزالكتلة (كلغ)الكتلة النسبية (بروتون = 1)المسؤول النسبي
بروتونص+1.673 × 10−271+1
نيوترونن01.675 × 10−2710
إلكترونه9.109 × 10−310.00055−1

النواة

كيف يتم ترتيب هذه الجسيمات دون الذرية؟ بين عامي 1909 و 1911 ، أجرى إرنست رذرفورد ، عالم فيزياء من جامعة كامبريدج ، ورفاقه هانز جيجر وإرنست مارسدن تجارب قدمت أدلة قوية بشأن البنية الداخلية للذرة. أخذوا رقائق معدنية رقيقة جدًا ، مثل الذهب أو البلاتين ، ووجهوا شعاعًا من الجسيمات المشحونة إيجابًا (تسمى جسيمات ألفا ، وهي عبارة عن توليفة من بروتونات ونيوترونين) من مصدر مشع باتجاه الرقاقة. يحيط بالرقائق كاشف - إما وميض (مادة تتوهج عند اصطدامها بهذه الجسيمات) أو بعض الغشاء غير المكشوف (الذي ينكشف حيث تصطدم به الجسيمات). سمح الكاشف للعلماء بتحديد توزيع جسيمات ألفا بعد تفاعلها مع الرقاقة. يعرض الشكل ( PageIndex {1} ) مخططًا للإعداد التجريبي.

الشكل ( PageIndex {1} ): إعداد جيجر-مارسدن التجريبي. تم استخدام التجارب باستخدام هذا الإعداد لفحص بنية الذرات. في هذه التجربة ، انتقلت معظم الجسيمات مباشرة عبر الرقاقة ، لكن بعض جسيمات ألفا انحرفت إلى جانب واحد. حتى أن البعض انحرف باتجاه المصدر. كان هذا غير متوقع. قال رذرفورد ذات مرة ، "لقد كان أمرًا لا يُصدق كما لو أنك أطلقت قذيفة مقاس 15 بوصة على قطعة مناديل ورقية وعادت وأصابتك. (CC SA-BY 3.0 ؛ كورزون).

اقترح رذرفورد النموذج التالي لشرح هذه النتائج التجريبية. تتركز البروتونات والنيوترونات في منطقة مركزية سماها النواة (جمع ، نوى) من الذرة. الإلكترونات خارج النواة وتدور حولها لأنها تنجذب إلى الشحنة الموجبة في النواة. تقع معظم كتلة الذرة في النواة ، بينما تمثل الإلكترونات المدارية حجم الذرة. نتيجة لذلك ، تتكون الذرة إلى حد كبير من مساحة فارغة. أطلق رذرفورد على وصفه اسم "النموذج الكوكبي" للذرة. يوضح الشكل ( PageIndex {2} ) كيف يشرح هذا النموذج النتائج التجريبية.

الشكل ( PageIndex {2} ): تجارب رذرفورد للرقائق المعدنية. أوضح رذرفورد نتائج تجارب الرقائق المعدنية من خلال اقتراح أن معظم الكتلة والشحنة الموجبة للذرة تقع في نواتها ، بينما تدور الإلكترونات منخفضة الكتلة نسبيًا حول النواة. تنتقل معظم جسيمات ألفا مباشرة عبر الفضاء الفارغ ، وينحرف عدد قليل من الجسيمات ، ولا يزال عدد أقل يرتد نحو المصدر. النواة أصغر بكثير نسبيًا مما هو موضح هنا.

حل النموذج الكوكبي للذرة محل نموذج حلوى البرقوق ، الذي كان فيه إلكترونات تطفو بلا هدف مثل البرقوق في "حلوى" ذات شحنة موجبة.

نموذج رذرفورد هو في الأساس نفس النموذج الذي نستخدمه اليوم لوصف الذرات ولكن مع تعديل واحد مهم. يشير نموذج الكواكب إلى أن الإلكترونات تحتل مدارات دائرية معينة حول النواة. نعلم الآن أن هذا النموذج مفرط في التبسيط. أفضل وصف هو أن الإلكترونات تشكل غيوم ضبابية حول النوى. يوضح الشكل ( PageIndex {3} ) نسخة أكثر حداثة من فهمنا للبنية الذرية.

الشكل ( PageIndex {3} ): تصوير حديث للبنية الذرية. إن الفهم الأكثر حداثة للذرات ، والذي ينعكس في تمثيلات الإلكترون في ذرة الهيدروجين ، هو أن الإلكترونات تشغل مناطق من الفضاء حول النواة ؛ ليسوا في مدارات منفصلة مثل الكواكب حول الشمس. (أ) كلما كان اللون أغمق ، زاد احتمال أن يكون الإلكترون عند تلك النقطة. (ب) في المقطع العرضي ثنائي الأبعاد للإلكترون في ذرة الهيدروجين ، كلما ازداد ازدحام النقاط ، زاد احتمال أن يكون الإلكترون عند تلك النقطة. في كل من (أ) و (ب) ، تكون النواة في وسط الرسم التخطيطي.

تمارين مراجعة المفاهيم

  1. ما هي الشحنات والكتل النسبية للجسيمات دون الذرية الثلاثة؟
  2. وصف بنية الذرة من حيث البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

الإجابات

  1. بروتون: +1 ، كبير ؛ نيوترون: 0 ، كبير ؛ الإلكترون: −1 ، صغير
  2. تقع البروتونات والنيوترونات في نواة مركزية ، بينما تدور الإلكترونات حول النواة.

الماخذ الرئيسية

  • تتكون الذرات من ثلاث جسيمات دون ذرية رئيسية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.
  • يتم تجميع البروتونات والنيوترونات معًا في نواة الذرة ، بينما تدور الإلكترونات حول النواة.

شاهد الفيديو: الذرة - علوم