مكونات الذرة
تعتبر الذرة (بالإنجليزية: Atoms) الوحدة الأساسية لبناء المادة، حيث لا يمكن تقسيمها باستخدام أي وسيلة كيميائية. تشكل الذرة المكونات الأساسية لكل العناصر الموجودة في الجدول الدوري، مثل الهيدروجين والهيليوم والأكسجين واليورانيوم. تتكون الذرة النموذجية من ثلاثة مكونات رئيسية؛ وهي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، وسنستعرض هذه المكونات بالتفصيل أدناه.
البروتونات
البروتونات (بالإنجليزية: Protons) تعد حجر الزاوية في الذرات، إذ تستطيع الذرات الحصول على الإلكترونات والنيوترونات وفقدانها. يتم الإشارة إلى عدد البروتونات بالرمز (Z)، الذي يمثل الهوية الفريدة للذرة ويعرف بالعدد الذري (بالإنجليزية: Atomic Number). يحمل البروتون شحنة موجبة ووزنه يقدر بحوالي 1.673 × 10-27 كغ.
يتم ترتيب العناصر في الجدول الدوري بناءً على زيادة العدد الذري. تتكون البروتونات من ثلاثة كواركات؛ اثنين منهم من النوع العلوي يحملان شحنة موجبة، والأخير كوارك سفلي يحمل شحنة سالبة، وترتبط هذه الكواركات معًا بواسطة جسيمات دون ذرية تعرف بالغلوونات (بالإنجليزية: Gluon).
النيوترونات
يمثل عدد النيوترونات (بالإنجليزية: Neutrons) في الذرة بالرمز (N)، ويعبر العدد الكتلي عن مجموع النيوترونات والبروتونات (Z+N). تساعد القوة النووية القوية على ربط النيوترونات والبروتونات معًا لتشكيل نواة الذرة. يحمل النيوترون شحنة متعادلة ولا يتأثر بالقوى الكهربية بين البروتونات أو الإلكترونات، ووزنه يقدر بحوالي 1.6749 × 10-27 كغ.
يتكون النيوترون مثله مثل البروتون من ثلاثة كواركات: اثنين من الكواركات السفلية اللذين يحملان شحنة سالبة، وواحد من الكوارك العلوي الذي يحمل شحنة موجبة.
الإلكترونات
الإلكترونات (بالإنجليزية: Electrons) أصغر بكثير من البروتونات والنيوترونات، وتدور حول النواة مكونةً نظامًا جذابًا بفضل الشحنة السالبة التي تحملها. تناسب شحنة الإلكترون شحنة البروتون ولكنها تحمل إشارة معاكسة، ووزنها حوالي 9.109 × 10-31 كغ.
تتواجد الإلكترونات في أغلفة (بالإنجليزية: Shells) تدل على المناطق التي يمكن العثور فيها على الإلكترونات، حيث تظهر النماذج البسيطة الإلكترونات وهي تدور حول النواة في مدارات شبه دائرية مشابهة لمدارات الكواكب حول النجوم، على الرغم من أن سلوكها الحقيقي أكثر تعقيدًا مما هو عليه.
بعض أغلفة الإلكترونات تشبه شكل الكرة، بينما تشبه أخرى الأجراس الصماء، أو أشكال أخرى، ويمكن العثور على الإلكترونات في أي مكان داخل الذرة. وقد تم اكتشاف الإلكترون على يد العالم جوزيف جون طومسون في عام 1897.
الكواركات
يعتبر الكوارك حاليًا أبسط مكونات المادة، وهي جسيمات أولية دون ذرية تتواجد في ستة أنواع تختلف من حيث الكتلة والشحنة: الكواركات العلوية والسفلية (بالإنجليزية: Up and Down)، والقمة والحضيض (بالإنجليزية: Top and Bottom)، والغريب والجذاب (بالإنجليزية: Charm and Strange)، وهذه الكواركات ترتبط وتتشكل لتكون البروتونات والنيوترونات.
لكي نفهم الكواركات، يجب أن ندرك أنها ليس لديها تركيب واضح ولا يمكن تحليلها إلى مكونات أصغر منها. غالبًا ما تتجمع الكواركات مع كواركات أخرى أو مع الكواركات المضادة (بالإنجليزية: Antiquarks) لتشكل الهادرونات (بالإنجليزية: hadrons)، مثل الميزونات (بالإنجليزية: Mesons) والباريونات (بالإنجليزية: Baryons)، التي تضم ثلاثة كواركات، وأشهرها البروتونات والنيوترونات.
كيفية تشكّل الذرة
أصل اسم “ذرة” (atom) يأتي من الكلمة اليونانية التي تعني غير قابل للتجزئة، وذلك لأن الاعتقاد السائد في ذلك الوقت هو أنها أصغر وحدات المادة ولا يمكن تقسيمها. في الوقت الحالي، تمكن العلماء من تحديد المكونات الأساسية للذرة وهي الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، التي تتألف من جسيمات أصغر يُطلق عليها الكواركات (بالإنجليزية: quarks).
تشكلت الذرات بعد الانفجار العظيم الذي وقع قبل حوالي 13.7 مليار عام. بعد أن انخفضت درجة حرارة الكون المليء بالطاقة والكثافة، أصبحت الظروف ملائمة لتشكل الإلكترونات والكواركات، التي تفاعلت مع بعضها لتكوين النيوترونات والبروتونات، وبالتالي تشكلت نواة الذرة خلال الدقائق الأولى من بداية الكون.
استغرق الكون حوالي 380,000 عام حتى خفت حرارته بشكل كافٍ، مما ساعد الإلكترونات على الاستقرار واستيعابها من قِبَل النواة لتشكيل أول ذرة في الكون، وكانت ذرات الهيدروجين والهيليوم هي الأولى في ذلك، ولا تزال حتى الآن من أكثر العناصر شيوعًا في الكون.
حقائق عامة عن مكونات الذرة
فيما يلي بعض الحقائق الأساسية حول مكونات الذرة:
- البروتونات والنيوترونات متشابهة تقريبًا في الحجم، وهما أكبر بكثير من الإلكترونات، حيث تزن البروتون حوالي 1840 ضعف وزن الإلكترون.
- تحتوي النواة على كلاً من البروتونات والنيوترونات، وهي ذات شحنة موجبة.
- الذرات صغيرة جدًا، حيث يقدر متوسط حجمها بحوالي 100 بيكومتر.
- تشكل النواة (بالإنجليزية: Nucleus) الجزء الأكبر من كتلة الذرة، بينما تشغل الإلكترونات مساحة واسعة من حجم الذرة.
- تتألف النظائر المختلفة من عنصر معين (بالإنجليزية: Isotopes) نتيجة اختلاف عدد النيوترونات، بينما تنتج الأيونات (بالإنجليزية: Ions) عن اختلاف عدد الإلكترونات، مما يؤدي إلى تكوين ذرات مشحونة كهربائيًا. تشكل النظائر والأيونات لنفس العنصر الكيميائي بأعداد بروتونات ثابتة أشكالًا متنوعة.
- إضافة أو إزالة الإلكترونات من الذرة يعد أسهل بكثير مقارنة بإزالة البروتونات أو النيوترونات. تشمل التفاعلات الكيميائية ذرات أو مجموعات من الذرات، متمحورة حول تفاعل إلكتروناتها.
- تمتلك الذرات دائمًا عدد متساوي من البروتونات والإلكترونات.
- تم اكتشاف النواة في عام 1911 على يد الفيزيائي إرنست رذرفورد، الذي أطلق على الجسيمات موجبة الشحنة في الذرة اسم البروتون، بينما تم التعرف على الجسيمات المتعادلة في النواة في عام 1932 على يد الفيزيائي جيمس شادويك.
