** الــــذره الحديثـــه **

[همس الليل]

النظرية الذرية الحديثة


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 جسيم لا يتجزأ سمي (الذرة) لكنه لم يؤخذ بها على المدى البعيد لأنها كانت محض نظريات فلسفية تختلف معها نظريات فلسفية أخرى واستمر الوضع كذلك حتى مطلع القرن التاسع عشر حيث ظهرت فرضية (دالتون) الذرية التي جاء بها مفسرا قانون النسب الثابتة للعالم بروست ((عندما يجري اتحاد كيميائي بين عنصرين فان اتحادهما يتم وفق نسبه وزنيه معينة وينتج مركب لا يختلف في كل مرة باختلاف الطريقة التي اتخذت في تحضيره)) وقد قادته هذه الفرضية إلى قانون النسب المضاعفة لدالتون((أوزان عنصر يتحد مع عنصر آخر ويكون معه مركبات متنوعة تشكل فيما بينهما نسب عددية بسيطة)).

*فرضية دالتون:

يمكن تلخيص فرضية دالتون بالنقاط التالية:-

1/تتكون العناصر من وحدات صغيرة منفصلة غير قابلة للانقسام أو الانضغاط تسمى ذرات وهذه الذرات تبقى ثابتة في كل التغيرات الطبيعية والكيميائية.
2/ذرات العنصر الواحد متماثلة في خواصها الفيزيائية والكيميائية ولها نفس الوزن كما أن ذرات العناصر المختلفة تختلف في أوزانها وخواصها الفيزيائية والكيميائية.
3/تتم الإنحادات بين عنصرين أو أكثر عن طريق اتحاد ذرات هذه العناصر بنسب عددية بسيطة مثل(2:1) في حالة H2O و(2:3) في حالة Al2O3.
4/يمكن لذرات العنصر نفسه أن تتحد بذرات عنصر آخر في أكثر من نسبة لتكون أكثر من مركب ،مثلا تتحد ذرات الأكسجين بذرات النحاس بالنسبة(1:1) في أكسيد النحاس الثنائي CuO أ و بنسبة (2:1) كما في أكسيد النحاس الأحادي Cu2O والأمثلة كثيرة على ذلك.

ولقد هذه الفرضية اهتمام العديد من الكيميائيين والفيزيائيين فأدخلت عليها تعديلات وتغيرات حتى استقرت على ما هي عليه اليوم.
وقد كان لهذه النظرية أثرها في مجال البحث والدراسة إذ استطاع (مندليف) اعتمادا على هذه الفرضية ترتيب العناصر ترتيبا دوريا وفقا لأوزانها الذرية .

*مكونات الذرة:

خلافا لما افترضه (دالتون) 1808م فلقد أدت الاكتشافات في نهاية القرن التاسع عشر أن الذرة تتكون من دقائق غاية في الصغر ففي عام 1895م اكتشفت الأشعة السينية وفي عام 1896م عرفت ظاهرة النشاط الإشعاعي ثم تم في عام 1897م اكتشاف الالكنرون رغم أن تجربة (ميشال فراداي) التي درس فيها توصيل المحاليل المختلفة للتيار الكهربائي والتي توصل منها إلى آن هناك وحدات مسئولة عن نقل التيار ولكنه لم يستطع تحديد نوع هذه الوحدات كانت كافية للدلالة على الالكنرونات ولدى متابعة (استوني وهلمهولتز) بحث فراداي في فترات مختلفة استنتج (هلمهولتز) أن الكهرباء كالمادة 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 سميت الأعداد الكبيرة منه التي تنتج في هذه الأنابيب بأشعة المهبط.

*أشعة المهبط والتأثير الضوئي الكهربي:

من المعروف أن التيار الكهربائي لا يمر في الهواء ولكنه يمر في أنبوبة فرغت منه بواسطة مخلخلة الهواء، إذ تتكون شرارة كهربائية داخل الأنبوبة إذا ما لحم سلك في طريق الأنبوبة ووصل بمصدر كهربي.
هذا ولقد اكتشف العالم(بلوكر) عام 1858م أن الأنبوبة تمتلئ بأشعة غير مرئية إذا انخفض الضغط داخل الأنبوبة إلى 0.01-0.001mmHg وسمى هذه الأشعة بأشعة المهبط لأنها تنبعث من المهبط عند إمرار شحنة كهربية في أنبوبة تحتوي على غاز تحت ضغط منخفض.
ولقد استدل على هذه الأشعة غي المرئية بما تحدثه من تلألؤ أخضر مصفر على جدار أنبوبة التفريغ الممزوج 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 النيون ضوء ذو لون احمر إذا ملئت أنبوبة التفريغ بقليل من هذا الغاز أما جزيئات غاز الهيليوم فإنها تطلق ضوء قرمزي .
وتتميز الأشعة المهبطية بالخواص التالية
1/تسير في خطوط مستقيمة باتجاه بعيد عن المهبط وعمودية عليه ولا تتأثر بمكان المصعد ،واستدل على ذلك عندما تكونت صورة كاملة للجسم الذي وضع فيه مسار الأشعة فلو كانت تسير في خطوط مائلة لما ظهرت الصورة كاملة .
2/عبارة عن جسيمات متحركة لها كتلة.
3/ذات شحنة سالبة إذ تنحرف بالمجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي إلى ناحية القطب الموجب مما يدل على أنها تحمل شحنة سالبة.






يتضح مما تقدم أن أشعة المهبط هي جسيمات صغيرة ذات كتلة وشحنة قد وجد أيضا أن هذه الكتلة وهذه الشحنة لا تختلف مهما اختلفت نوعية الغاز الموجود داخل أنبوبة التفريغ بل تبقى ثابتة تساوي في مقدارها كتلة وشحنة الالكترونات لذا تعرف الأشعة المهبطية بأنها سيل من الالكترونات يسير نحو المصعد بعيدا عن المهبط (لان المهبط يحمل نفس الشحنة السالبة ) بسرعة مقدارها 1/10 من سرعة الضوء.

لا تعتمد طبيعة هذه الأشعة على نوع مادة المهبط أو نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ أو نوع السلك الموصل للتيار الكهربي أو نوع المادة المستعملة لتوليد التيار الكهربي.

ولقد تبين مؤخرا أن هذه الالكترونات لا تقتصر على أنابيب التفريغ حيث أطلقت بعض العناصر بعض الكترونات ذراتها ، عندما سلط عليها أشعة كهرومغناطيسية مثل الضوء العادي .
تعرف هذه الظاهرة (وهي إطلاق العنصر لبعض الكتروناته تحت تأثير الضوء) بظاهرة فعل الضوء الكهربي.

لا يتأثر إلا القليل من العناصر المعدنية بفعل الضوء العادي وهناك عدد من المعادن تتأثر ذراتها إذا أسقطت عليها أشعة كهرومغناطيسية لها موجات أطوالها أقصر من طول موجة الضوء العادي، مثل الأشعة فوق البنفسجية ، فطاقة هذه الأشعة أكبر من طاقة الأشعة المرئية لذا يمكنها انتزاع الالكترونات من الذرات ، أما الأشعة المرئية فتستطيع انتزاع الكترونات أغلب المواد لما تمتاز موجتها بالتناهي بالقصر.

*الالكترونات

الإلكترون جسيم متناهي في الصغر وهو أحد مكونات الذرة لا يرى بالعين المجردة يظهر أثره على الألواح المغطاة بكبريتيد التوتياء (تلألؤ،أخضر) والالكترونات متماثلة في جميع الذرات سواء كانت ذرات لغاز ما مثل الأكسجين أو ذرات معدن صلب مثل الحديد لأنها وحدات بناء جميع الذرات.

لم يكن بالمستطاع معرفة كتلة وشحنة الإلكترون لعدم توفر الأجهزة والإمكانيات لقياس مقادير صغيرة 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( colombgr.
وفي عام 1913م استطاع الأمريكي (ميليكان) أن يقيس شحنة الإلكترونE
فوجدها تساوي( 1.6021×10( colombgr .
ووجد أيضا أن كتلته 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 الذرية فان كتلة الإلكترون تساوي (0.0005486 وحدة ذرية).


*البروتونات والأشعة الموجبة:

في عام 1886م لاحظ العالم (غولد شتاين) انه إذا استعمل مهبط مثبت في أنبوبة تفريغ نحتوي على كمية من غاز أي أن الضغط داخل الأنبوبة يزيد على المطلوب لإنتاج أشعة المهبط فان أشعة أخرى ملونة غير أشعة المهبط تظهر على السطح الخلفي للمهبط تتحرك باتجاه المهبط أي بعكس أشعة المهبط التي تبتعد عن المهبط مما يدل على أن هذه الأشعة تحمل شحنة عكس شحنة أشعة المهبط فهي إذا تحمل شحنة موجبة وبالفعل وجد لدى دراستها أنها تتألف من جسيمات تحمل شحنة موجبة ووجد أنها جسيمات غير متجانسة في خواصها كذلك بعكس الالكترونات التي تكون أشعة المهبط فكتلتها وشحنتها تختلفان في المقدار باختلاف نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ وكذلك لون هذه الأشعة يختلف باختلاف الغاز المستخدم في أنبوبة التفريغ فاللون الذي يظهر في أنبوبة التفريغ التي تشمل صغيرة من غاز النيون يكون احمر أما غاز الهيليوم فانه يعطي لونا قرمزي وهكذا بالنسبة لبقية الغازات .
يتضح مما تقدم أن الأشعة الموجبة عبارة عن ايونات موجبة لذرات الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ يمكن تفسير نشوء الأشعة الموجبة كما يلي:-

عند توصيل أنذرية.لتفريغ بالتيار الكهربائي تمتلئ بالالكترونات تتفرغ من المهبط أو من ذرات الغاز الملاصق للمهبط وتحت تأثير فوق الجهد العالي تتحرك في خطوط مستقيمة مبتعدة عن المهبط ومشكلة بذلك أشعة المهبط تصدم اثنا سيرها بذرات الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ بطاقة تكفي لانتزاع الكترونات ذرات الغاز الذي يملأ الأنبوبة فتسير الالكترونات في نفس الاتجاه وتتحول الذرات إلى ايونات موجبة تسير في اتجاه معاكس لاتجاه سير الالكترونات أي أنها تتجه ناحية المهبط فإذا كان المهبط مثقوبا (لان طاقة اختراقها صغيرة) فإنها تظهر خلف المهبط كما سبق أن ذكرنا قدرت قيمة النسبة بين شحنة وحدة هذه الأشعة وكتلتلها بنفس الطرق التي استخدمت في تقدير قيمة النسبة بين شحنة وحدة وكتلة أشعة المهبط ووجد أن قيمة (E/M) للأشعة الموجبة تختلف باختلاف نوع الغاز الموجود في أنبوبة التفريغ ولقد وجد أن اكبر قيمة لها عندما تملأ أنبوبة التفريغ بغاز الهيدروجين ذلك لان كتلة ذرات الغازات تختلف باختلاف 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) وفي خالة استخدام غاز الهيدروجين ينشأ بروتونات لدى انتزاع الكترونات الذرات وذلك لان ذرة الهيدروجين مكونة من إلكترون وبروتون فقط والبروتونات هي عبارة عن جسيمات صغيرة توجد في انويه الذرات تحمل شحنة موجبة تساوي في مقدارها شحنة الالكنرون ولكن كتلة البروتون اكبر من كتلة الإلكترون ب 1836 مرة وهي تساوي (1.00728) كتلة ذرية.

*النيترونات :

هي نوع ثالث من الجسيمات الصغيرة التي تألف مكونات 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 السرعة العالية فان ذرات هذه العناصر تطلق جسيمات صغيرة تختلف عن الالكترونات والبروتونات التي سبق ذكرها سماها (شادويك) النيترونات وقد وجد أنها متعادلة كهربائيا بمعنى أنها لا تحمل أي شحنة .

كتلة النيترون منها تساوي(1.0087)كتلة ذرية وقد وجد مؤخرا أن هذه النيترونات يمكن أن تنقسم إلى جسمين احدهما شيبه الالكنرون والثاني يشبه 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 وحدات مكونات الذرة هي الكترونات وبروتونات ونيترونات وهي عبارة عن جسيمات صغيرة تكون في مجموعها الذرة وفيما يلي دراسة لكيفية تواجد هذه الجسيمات مع بعضها البعض..

ولقد كانت تجربة رذرفورد أولى التجارب التي أوضحت ذلك.

[همس الليل]

تجربة رذرفورد:

لقد ساد الاعتقاد بعد أن عرفت مكونات الذرة أن تركيب الذرة لا يمكن له أن يكون متجانسا إلا أن هذا لم يتحقق إلا عام 1911م وذلك بعد أن استخدمت المواد المشعة التي كان لها الأثر الأكبر في دراسة تركيب الذرة.

في عام 1901_1908م كان (جايجر ومارسدن) يشتغلان تحت إشراف الفيزيائي الانجليزي (أرنست رذرفورد) وكان بحثهما يتعلق بدراسة اختراق الأشعة المختلفة للأجسام الصلبة فوجدا أن جسيمات الغاز التي تنطلق بسرعة (10000ميل/ثانية) تستطيع أن تخترق رقاقة من الذهب سمكها (10.00004سم) ولكنهما لاحظا أيضا عن طريق الوميض الذي تعملها هذه الأشعة أن جزءا بسيطا من هذه الأشعة (التي هي عبارة عن جسيمات صغيرة قوية الاختراق) قد انحرف عن مساره المستقيم وجزءا آخر ابسط انعكس وارتد عن مساره ولقد كان لهذه الملاحظات أعظم الأثر في حقل التجارب إذ أثبتت بصورة رئيسية الشكل التي توجد عليه مكونات الذرة.
ولقد اختير الذهب في تجربة (جايجر ومارسدن) لأنه من 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 يمكن ضغطها.

يتألف الجهاز الذي استخدم في هذه التجربة من أنبوبة زجاجية مفرغة بداخلها معوجة من الرصاص توضع بها المادة المشبعة (عنصر الرادون ) التي تطلق أشعة ألفا وفي مسار جسيمات ألف المنطلقة يوضع قرص من الرصاص به فتحة في الوسط لتجميع الأشعة وجعلها تسير في خط مستقيم واحد .
ويحتوي الجهاز أيضا على حامل تثبت عليه رقاقة الذهب التي توضع في مسار الأشعة المجمعة ولما كانت جسيمات ألفا تحدث وميضا إذا سقطن على كبريتيد التوتياء فقد وضع أمام رقاقة الذهب صفائح مغطاة بكبريتيد التوتياء (ZnS) إذا اصطدمت الأشعة برقاقة الذهب تمر خلالها وبخط مستقيم معظم الأشعة والذي استرعى انتباههم أن جزءا ضئيلا من هذه الأشعة انحرف بعد مروره وجزء آخر اصطدم وانعكس ولم يتمكن من تفسير ذلك حتى عام 1911م حيث علل(رذرفورد) السبب وأرجعه إلى تركيب ذرات الذهب وفسر نتائج التجربة بما يلي :-

1/لما كانت معظم الأشعة اخترقت صفيحة الذهب وسارت بخط مستقيم فهذا يعني أن هناك فراغا كبير ضمن ذرات الذهب التي تؤلف الصفيحة حيث أن الذرات متلاصقة مع بعضها البعض.

2/انحراف جزء من الأشعة يعني أنها مرت بجوار كتلة ذات شحنة مماثلة لشحنة جسيمات الأشعة.

3/انعكاس بعض الأشعة يعني أنها اصطدمت بنفس الكتلة المذكورة سابقا.

يتضح مما تقدم أن مكونات الذرة بروتونات ونيوترونات موجودة في حيز صغير للغاية في وسط الذرة يعرف بنواة الذرة.
أما بقية المجال الذي تشغله الذرة فهو فراغا تسبح فيه الإلكترونات.
لهذا تعرف نظرية (راذرفورد) بالنظرية النووية للذرة.

وبالطبع فإن وزن الذرة يتمركز في نواتها التي بها أثقل المكونات ولما كانت الذرة متعادلة كهربائيا فإن عدد الكتروناتها يساوي عدد البروتونات هذا وقد افترض (راذرفورد) أن الإلكترونات السابحة في فراغ الذرة تدور حول نفسها وحول النواة وأن هناك قوة طاردة مركزية تبعدها عن النواة وقوة تجاذب كهربي تقربها من النواة وهما متساويان متعادلان وقد أوضحت الدراسات التفصيلية التي أجريت فيما بعد على تركيب 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 الشحنات الوجبة الموجبة داخل نواة الذرة (عدد البروتونات) في حالات كثيرة يساوي تقريبا نصف الوزن الذري لذلك العنصر.

2/عدد الشحنات الموجبة في نواة ذرة أي عنصر يساوي العدد الذري لذلك العنصر.

*نظرية بور:

لقد عرف قبل نتائج تجربة راذرفورد 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 مشحون بشحنة كهربائية مضادة فإن الجسم المتحرك يصدر إشعاعات تشبه موجات اللاسلكي وهذه تكون سببا في تناقص طاقة الجسم المتحرك وبالتالي يتضاءل مداره تدريجيا تبعا لتناقص الطاقة حتى يتلاصق مع الجسم الثابت ) ولو طبقنا هذه النظرية على تركيب الذرة لوجد أنها تعاكس ما استنتج من تجربة (رذرفورد) لأنه طبقا لنظرية (مكسويل) فإن الإلكترونات ذات الشحنة السالبة التي تتحرك حول البروتونات ذات الشحنة الموجبة ستقترب منها تدريجيا حتى تسقط فيها وبالتالي يختفي حجم الذرة تماما ولا يبقى إلا حجم 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 ثابتة ولا يختلف البعد بينهما إلا بمؤثر خارجي وقد تعود إلى حالتها الطبيعية بعد زوال المؤثر وللبرهنة على ذلك اختار العالم (بور) ذرة الهيدروجين لأنها أبسط الذرات فتركيبها عبارة عن إلكترون واحد يدور في مدار دائري حول نواة فيها بروتون واحد ولا توجد في هذه الذرة نيترونات ولثبات الإلكترون هذا في مداره يجب أن تتساوى القوى التي تبعده عن النواة مع القوة التي تعمل على تقريبه إلى النواة.

فالقوة التي تبعد الإلكترون عن النواة يولدها دوران الإلكترون حول النواة وتعرف بالقوة النابذة وهي تساوي حاصل ضرب مربع سرعة الإلكترون في كتلته مقسومة على البعد بينه وبين النواة ، أما القوة التي تعمل على تقريب الإلكترون من النواة فهي نوعين :

1/قوة الجاذبية نتيجة لوزن الإلكترون لأن الإلكترون الموجود خارج النواة في الفراغ يعمل وزنه على تقريبه من النواة وهذه القوة متناهية في الصغر لأن وزن الإلكترون صغير جدا ويمكن إهمال هذه القوة.

2/قوة تجاذب كهربي بين الإلكترون الذي يحمل شحنة سالبة وبين البروتون الذي يحمل شحنة موجبة وهي القوة المؤثرة فعلا وتساوي مربع شحنة الإلكترون مقسومة على مربع نصف قطر المدار الذي يوجد به الإلكترون حول النواة وكما سبق فإن الإلكترون لا يبقى على نفس البعد من النواة إلا إذا تساوت القوة النابذة مع القوة الجاذبة.

وللإلكترون في فلكه وهو يدور حول نفسه وحول النواة طاقة كلية نرمز لها بالحرفE وهي عبارة عن نوعين من الطاقة :

1/طاقة حركية ناتجة عن حركة الإلكترون.

2/طاقة كامنة ناتجة عن التجاذب الكهربي بينه وبين النواة.

والطاقة الكلية للإلكترون تساوي مجموع الطاقتين المذكورتين .

وقد وجد أن الطاقة الحركية تساوي نصف كتلة الإلكترون مضروبة في مربع سرعته.

وأن الطاقة الكامنة له تساوي مربع شحنته مقسومة على بعد عن النواة مسبوقة بإشارة سالبة.

الطاقة الكلية للإلكترون تنقص كلما زاد بعده عن النواة بمعنى أن الإلكترون البعيد عن النواة يحتاج إلى طاقة أقل لانتزاعه من الذرة.

ولقد افترض (بور) أن كمية الحركة الزاوية للإلكترون( التي تساوي حاصل ضرب كتلة الإلكترون بسرعته في بعده عن النواة) أن لها قيما معينة أو بعبارة أخرى فإن هناك مدارات أو أفلاكا معينة يمكن أن تكون الإلكترونات موجودة عليها في الذرة.

وقد توصل بور إلى توضيح التركيب الإلكتروني للذرة ونال بذلك جائزة نوبل عام 1922م.



*الأطياف الذرية:

اعتمد بور في دراسته لتركيب الذرة ووصوله إلى النموذج الذي وضعه لذرة الهيدروجين على دراسة الأطياف الذرية التي يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع:

1/أطياف اللهب:-

من المعروف أن بعض العناصر تكسب عندما تسخن في لهب مصباح (بنزن)اللهب لونا خاصا مميزا ينشأ هذا اللون نتيجة لتأثير ذرات هذا العنصر بالطاقة الموجودة في لهب المصباح لذلك كان طيف اللهب من الأطياف الذرية فالصوديوم يكسب اللهب لونا أصفر والبوتاسيوم يكسبه لونا بنفسجيا وهكذا ....
هذا وقد استعملت هذه الطريقة للكشف عن بعض العناصر في بعض المواد.
وتتلخص هذه الطريقة بأن يعرض جزء صغير من المادة أو محلولها على طرف سلك من البلاتين للهب مصباح (بنزن)فيكتسب اللهب اللون المميز للعنصر إذا كان موجودا في المادة .

والجدول التالي يبين الألوان المميزة لبعض العناصر:

العنصر الرمز لون اللهب العنصر الرمز لون اللهب
ليثيوم Li أحمر كالسيوم Ca أحمربرتقالي
صوديوم Na أصفر استرانسيوم Sr أحمرطوبي
بوتاسيوم K بنفسجي باريوم Ba أخضر
روبيديوم RB أحمر سيزيوم Cs أزرق


قد لا تستطيع العين المجردة تمييز هذه الألوان بدقة في بعض الأحيان إذ يصعب مثلا التمييز بين 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 مختلفة الألوان المختلفة بحيث تتباعد هذه الألوان عن بعضها العض فتكون أكثر وضوحا.

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 فإن L=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

وهكذا...........



منقووول للفائدة