مكونات الذرة
تعتبر الذرة (بالإنجليزية: Atoms) الوحدات الأساسية لبناء المادة، حيث لا يمكن تقسيمها باستخدام أي وسيلة كيميائية. وتتكون منها كافة عناصر الجدول الدوري، ومن أبرز هذه العناصر: الهيدروجين، الهيليوم، الأكسجين، واليورانيوم. تتألف الذرة القياسية من ثلاثة مكونات رئيسية: البروتونات، النيوترونات، والإلكترونات، وسنقوم بالتفصيل في هذه المقالة عن كل منها.
البروتونات
تمثل البروتونات (بالإنجليزية: Protons) الجوهر الأساسي للذرات، حيث يمكن للذرات اكتساب أو فقدان الإلكترونات والنيوترونات. يُشار إلى عدد البروتونات بالرمز (Z)، وهو ما يُعرف بالعدد الذري (بالإنجليزية: Atomic Number)، ويتميز البروتون بشحنة موجبة، وكتلته تساوي تقريبًا 1.673 × 10-27 كغ.
تم ترتيب العناصر في الجدول الدوري استنادًا إلى زيادة العدد الذري. يتكون البروتون من ثلاثة كواركات: كواركان علويان يحمل كل منهما شحنة موجبة، وكوارك سفلي يحمل شحنة سالبة، وترتبط هذه الكواركات بواسطة جسيمات دون ذرية تُعرف بالغلونات (بالإنجليزية: Gluons).
النيوترونات
عدد النيوترونات (بالإنجليزية: Neutrons) يُرمز له بالرمز (N)، ويمثل العدد الكتلي للذرة مجموع البروتونات والنيوترونات (Z+N). بفضل القوة النووية القوية، تتحقق عملية الربط بين النيوترونات والبروتونات لتشكل نواة الذرة. النيوترون متعادل الشحنة، مما يجعله غير مشحون، وكتلته تساوي تقريبًا 1.6749 × 10-27 كغ.
مثل البروتون، يتكون النيوترون من ثلاثة كواركات: كواركان سفليان يحمل كل منهما شحنة سالبة، وكوارك علوي واحد يحمل شحنة موجبة.
الإلكترونات
تعد الإلكترونات (بالإنجليزية: Electrons) الأصغر حجمًا مقارنة بالبروتونات والنيوترونات، وهي تدور حول النواة، حيث تنجذب إلى البروتونات. تحمل الإلكترونات شحنة سالبة، وتساوي شحنتها شحنة البروتون، إلا أنهما مختلفتان في الإشارة، وكتلتها تبلغ نحو 9.109 × 10-31 كغ.
تدور الإلكترونات حول النواة على مستويات مختلفة تُعرف بالأغلفة (بالإنجليزية: Shells)، وهي المناطق التي تتواجد فيها الإلكترونات. تعتبر النماذج البسيطة للإلكترونات كأنها تدور في مدارات شبه دائرية، على غرار الكواكب حول النجوم، ولكن سلوكها الفعلي أكثر تعقيدًا بكثير. بعض الأغلفة تأخذ شكل كريات، بينما تأخذ أخرى أشكالاً مثل الأجراس، ويمكن العثور على الإلكترونات في أي مكان ضمن الذرة، حيث اكتشفها العالم جوزيف جون طومسون عام 1897.
الكواركات
يُعتبر الكوارك أحد أبسط مكونات المادة، وهو جسيم أولي دون ذرة، ويتواجد منه ستة أنواع تختلف من حيث الكتلة والشحنة، وهي: العلوي والسفلي (بالإنجليزية: Up and Down)، والقمة والحضيض (بالإنجليزية: Top and Bottom)، والغريب والجذّاب (بالإنجليزية: Charm and Strange). تتجمع هذه الأنواع لتشكيل البروتونات والنيوترونات.
لا تمتلك الكواركات هيكلًا واضحًا ولا يمكن تحليلها إلى مكونات أصغر، وعادةً ما ترتبط الكواركات معًا أو مع الكواركات المضادة (بالإنجليزية: Antiquarks) لتشكل كل الهادرونات (بالإنجليزية: Hadrons)، والتي تضم الميزونات (بالإنجليزية: Mesons) والباريونات (بالإنجليزية: Baryons)، حيث تتكون الأخيرة من ثلاثة كواركات، ومن أبرزها البروتونات والنيوترونات.
كيفية تشكّل الذرة
اشتق اسم الذرة (atom) من الكلمة اليونانية التي تعني “غير القابل للتجزئة”، وذلك نظرًا للاعتقاد القديم بأنها أصغر مكونات الكون التي لا يمكن تقسيمها. وقد استطاع العلماء في الوقت الحالي اكتشاف المكونات الأساسية للذرة، وهي: الإلكترونات، البروتونات، والنيوترونات، التي تتكون بدورها من جسيمات أصغر تعرف باسم الكواركات (بالإنجليزية: Quarks).
تشكلت الذرات بعد الانفجار العظيم الذي وقع منذ حوالي 13.7 مليار سنة، إذ بعد انخفاض حرارة الكون الكثيف والحار، أصبحت الظروف مناسبة لتشكل الإلكترونات والكواركات، حيث تشكلت الكواركات لاحقًا لتنتج النيوترونات والبروتونات، التي شكلت النواة خلال الدقائق الأولى من وجود الكون.
استغرقت عملية التبريد في الكون حوالي 380,000 عام قبل أن تصبح درجة الحرارة منخفضة بما يكفي لتقل سرعة الإلكترونات، مما أتاح للنواة القدرة على جذب الإلكترونات وتكوين أول ذرة في الكون التي كانت ذرات الهيدروجين والهيليوم، وهما من أكثر العناصر وفرة حتى اليوم.
معلومات عامة عن مكونات الذرة
إليكم أهم المعلومات العامة المتعلقة بمكونات الذرة:
- يتساوى حجم البروتون والنيوترون تقريبًا، وهما أكبر بكثير من الإلكترون، حيث إن كتلة البروتون تعادل نحو 1840 ضعف كتلة الإلكترون.
- تحتوي النواة على البروتونات والنيوترونات وهي موجبة الشحنة.
- تعتبر الذرات صغيرة للغاية، حيث يبلغ متوسط حجمها حوالي 100 بيكومتر.
- تشكل النواة (بالإنجليزية: Nucleus) الجزء الأكبر من كتلة الذرة، بينما تشغل الإلكترونات معظم حجم الذرة.
- تؤدي الاختلافات في عدد النيوترونات إلى ظهور نظائر مختلفة (بالإنجليزية: Isotopes) لنفس العنصر، بينما ينتج عن الاختلاف في عدد الإلكترونات أيونات (بالإنجليزية: Ions)، وتمثل الذرات المشحونة كهربائيًا. تظل عدد البروتونات ثابتة في جميع الأشكال المختلفة لنفس العنصر الكيميائي.
- من الأسهل إزالة أو إضافة الإلكترونات إلى الذرة مقارنة بالبروتونات أو النيوترونات، حيث تشمل التفاعلات الكيميائية ذرات أو مجموعات من الذرات، وكذلك التفاعل بين الإلكترونات.
- تمتلك الذرات دائمًا عددًا متساويًا من البروتونات والإلكترونات.
- تم اكتشاف النواة في عام 1911 من قبل العالم الفيزيائي إرنست رذرفورد، الذي أطلق اسم البروتون على الجسيمات موجبة الشحنة داخل الذرة. ثم تم التعرف على الجسيمات المتعادلة في النواة عام 1932 من قبل الفيزيائي جيمس شادويك.
