نماذج الذرة
درس «نماذج الذرة» — من طومسون ورذرفورد إلى بور والنظرية الذرية الحديثة، مع تجربة رذرفورد وطيف الانبعاث والسحابة الإلكترونية.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
درس «نماذج الذرة» — من طومسون ورذرفورد إلى بور والنظرية الذرية الحديثة، مع تجربة رذرفورد وطيف الانبعاث والسحابة الإلكترونية.
- ✓يتعرف نموذج طومسون
- ✓يتعرف نموذج رذرفورد
- ✓يحدد أسباب قصور النموذج الذري لـ «بور»
- ✓يفسر أهم التعديلات التي أدخلتها النظرية الذرية الحديثة على تركيب الذرة
- ✓يقدر جهود العلماء في التعرف على بنية الذرة
تعددت محاولات العلماء للتعرف على تركيب الذرة ومن هذه المحاولات:
- نموذج ذرة طومسون
- نموذج ذرة رذرفورد
- نموذج ذرة بور
- أسس النظرية الذرية الحديثة
كيف يمكن لمجموعة من التجارب البسيطة أن تغيّر تصورنا لشيء لا نراه بالعين المجردة؟
أعد التجربة التي أجراها جيجر وماري سدن بناءً على اقتراح رذرفورد: أطلق جسيمات (نواة ) على صفيحة ذهب رقيقة وراقب الشاشة المبطنة بكبريتيد الخارصين.
يُسمى هذا النموذج «كرة الخوخ»: كتلة موجبة موحدة وإلكترونات سالبة موزعة داخلها.
أجرى الباحثان جيجر وماري سدن بناءً على اقتراح رذرفورد (Rutherford) تجربة رذرفورد المعملية الشهيرة باستخدام الجهاز المبين في كتاب الوزارة.
- سمح رذرفورد لحزمة من جسيمات ألفا موجبة الشحنة (نواة ذرة الهيليوم ) أن تصطدم باللوح المعدني المبطن بطبقة من كبريتيد الخارصين (يُعطى وميضًا عند مكان اصطدام جسيمات ألفا) في عدم وجود صفيحة الذهب، وتمكن من تحديد موضع وعدد جسيمات ألفا المصطدمة باللوح وذلك من شدة الومضات التي تظهر عليه.
- وضع رذرفورد صفيحة رقيقة جدًا من الذهب بحيث تعترض مسار جسيمات ألفا قبل اصطدامها باللوح وخرج رذرفورد من مشاهداته بالاستنتاجات التالية.
- معظم جسيمات ألفا ظهر أثرها في نفس المكان الأول الذي ظهرت فيه قبل وضع صفيحة الذهب.
- نسبة قليلة جدًا من جسيمات ألفا لم تنفذ من صفيحة الذهب وارتدت في عكس مسارها وظهرت بعض الومضات على الجانب الآخر من اللوح.
- ظهرت بعض ومضات على جانب الموضع الأول.
- معظم الذرة فراغ وليست كرة مصمتة، كما صورها طومسون.
- يوجد بالذرة جزء كثافته كبيرة ويشغل حيزًا صغيرًا جدًا أطلق عليه نواة الذرة.
- لابد أن تكون شحنة الجزء الكثيف في الذرة والذي تتركز فيه معظم كتلتها مشابهة لشحنة جسيمات ألفا الموجبة، لذا تنافرت معه.
من التجربة السابقة وتجارب أخرى لغيره من العلماء تمكن رذرفورد من وضع النموذج التالي:
إلا أن نظرية رذرفورد لم توضح النظام الذي تدور فيه الإلكترونات حول النواة.
يظهر هذا الطيف عند فحصه بجهاز المطياف على هيئة عدد صغير محدد من خطوط ملونة لكل منها طول موجي وتردد خاصين به تفصل بينها مساحات معتمة لذا يسمى بالطيف الخطي.
وقد وجد بالتجربة أن الطيف الخطي لأي عنصر هو خاصية أساسية ومميزة له فلا يوجد عنصران لهما نفس الطيف الخطي.
تعتبر دراسة الطيف الذري وتفسيره هي المفتاح الذي حل لغز التركيب الذري وهو ما قام به العالم الدنماركي نيلز بور (Niels Bohr) سنة واستحق عليه جائزة نوبل في الفيزياء سنة .
استخدم بور بعض فروض رذرفورد عن تركيب الذرة:
- توجد في مركز الذرة نواة موجبة الشحنة.
- عدد الإلكترونات السالبة يساوي عدد الشحنات الموجبة التي تحملها النواة.
- أثناء دوران الإلكترون حول النواة تنشأ قوة طاردة مركزية تتعادل مع قوة جذب النواة للإلكترون.
ثم أضاف بور إلى فروض رذرفورد:
- تتحرك الإلكترونات حركة سريعة حول النواة دون أن تفقد أو تكتسب أي قدر من الطاقة.
- تدور الإلكترونات حول النواة في عدد من مستويات الطاقة المحددة والثابتة وتعتبر الفراغات الموجودة بين هذه المستويات منطقة مُحرمة تمامًا لدوران الإلكترونات.
- يكون للإلكترون أثناء حركته حول النواة طاقة معينة تتوقف على بُعد مستوى طاقته عن النواة، وتتزايد طاقة المستوى كلما زاد نصف قطره — ويُعبر عن طاقة كل مستوى بعدد صحيح يُسمى عدد الكم الرئيسي .
- يبقى الإلكترون في أقل مستويات الطاقة المتاحة في الحالة المستقرة، ولكن إذا اكتسب الإلكترون قدرًا معينًا من الطاقة (يُسمى كم أو كوانتم) عن طريق التسخين أو التفريغ الكهربي تصبح الذرة مثارة وينتقل الإلكترون (مؤقتًا) إلى مستوى طاقة أعلى.
- يكون الإلكترون في المستوى الأعلى في وضع غير مستقر لا يلبث أن يعود إلى مستواه الأصلي ويفقد نفس الكم من الطاقة الذي كان قد اكتسبه أثناء إثارته على هيئة إشعاع من الضوء له طول موجي وتردد مُميز ينتج طيفًا خطيًا مُميزًا.
- هناك كثير من الذرات تمتص كمات مختلفة من الطاقة في نفس الوقت الذي تشغّ فيه الكثير من الذرات كمات أخرى من الطاقة — ونتيجة لذلك تنتج خطوط طيفية تدل على مستويات الطاقة التي تنتقل الإلكترونات منها، وذلك يُفسر خطوط الطيف لذرة الهيدروجين.
أما عند عودة الإلكترون المثار إلى مستوى الطاقة الأول فيكون الطيف في منطقة الأشعة فوق البنفسجية، فلا يُرى بالعين المجردة.
يتكون الطيف الخطي المرئي للهيدروجين من أربعة خطوط ملونة.
(أ) تفسير الطيف الخطي لذرة الهيدروجين تفسيرًا صحيحًا.
(ب) أدخلت نظرية بور فكرة الكم في تحديد طاقة الإلكترونات في مستويات الطاقة المختلفة لأول مرة.
رغم الجهود العظيمة التي بذلها بور لوضع تصور للنموذج الذري إلا أن الحسابات الكمية لنظريته لم تتوافق مع نتائج تجريبية كثيرة.
النموذج الذري وضعه بور كان ينصب أساسًا على ذرة الهيدروجين — فسر بنجاح خطوط طيف الهيدروجين فقط، وفشل في تفسير طيف أي عنصر آخر حتى ذرة الهيليوم (إلكترونان فقط).
اعتبر أن الإلكترون مجرد جسيم مادي سالب ولم يأخذ في الاعتبار أن له أيضًا خواص موجية.
افترض أنه يمكن تعيين كل من مكان وسرعة الإلكترون بكل دقة في نفس الوقت — والواقع أن هذا يستحيل عمليًا.
بينت معادلات نظرية بور أن الإلكترون يتحرك في نظام دائري مستوي — أي أن ذرة الهيدروجين مسطحة، وقد ثبت بعد ذلك أن الذرة لها الاتجاهات الفراغية الثلاثة.
الذرة كرة مصمتة كما في طومسون
معظم حجم الذرة فراغ — النواة صغيرة جدًا (رذرفورد)
الإلكترون يدور بين المدارات ببطء
الفراغ بين المستويات محرّم — الإلكترون يقفز فقط (بور)
اختبر نماذج الذرة
النتيجة: ٠ / ٦نموذج طومسون () يُسمى:
عرض الحل
كرة مصمتة موجبة وإلكترونات سالبة مطمورة — كرة الخوخ.
تجربة رذرفورد استخدمت حزمة من:
عرض الحل
جسيمات ألفا موجبة ( نواة).
معظم جسيمات ألفا في تجربة رذرفورد:
عرض الحل
معظمها يمر مباشرة → الذرة فراغ.
مقدار الطاقة المكتسبة أو المنطلقة عند انتقال الإلكترون:
عرض الحل
يُسمى الكم (كوانتم).
بور فسر الطيف الخطي لذرة:
عرض الحل
ذرة الهيدروجين بنجاح فقط.
أي استنتاج من تجربة رذرفورد؟
عرض الحل
فراغ + نواة صغيرة موجبة كثيفة.
الدرس التالي: التركيب الإلكتروني — السحابة الإلكترونية، الأوربيتالات، أعداد الكم، ومبادئ توزيع الإلكترونات.