تعريف الذرة وأهم خصائصها

ما هي الذرة؟

تُعرَف الذرة (بالإنجليزية: atom) بأنها لبنة البناء الأساسية للمادة، إذ إنها أصغر وحدة في المادة، وهي تحتفظ بجميع الخصائص المميزة للعنصر، ويتكون معظم حجم الذرة من الفراغ، ويوجد في وسط الذرة نواة ذرية صغيرة تحتوي على جسيمات موجبة الشحنة تسمى البروتونات (p)، وجسيمات غير مشحونة أو متعادلة الشحنة تسمى النيوترونات (n)، ويحيط بالنواة سحابة من الجسيمات سالبة الشحنة، والتي تدور حول النواة، وتسمى بالإلكترونات (e)، وتتماسك الذرة بفضل قوى التجاذب بين البروتونات موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة، ويشار إلى أن معظم الذرات تحتوي على هذه الأجزاء الثلاثة باستثناء ذرة الهيدروجين (H)، فهي تحتوي عادةً على بروتون واحد وإلكترون واحد فقط.^[١]

ظهر مصطلح "ذرة" لأول مرة في اليونان القديمة، ولكن لم يتم إثبات وجودها حتى أوائل القرن التاسع عشر نتيجةً للتجارب التي قام بها جون دالتون، ثم أصبح من الممكن رؤية هذه الذرات باستخدام المسح المجهري النفقي في القرن العشرين.^[٢]

ما هي أهم خصائص الذرة؟

تمتلك الذرات عدّة خصائص مشتركة فيما بينها، ومن أهم هذه الخصائص ما يأتي:

العدد الذري

يشير العدد الذري (بالإنجليزية: atomic number) إلى عدد البروتونات الموجبة الموجودة داخل نواة الذرة، ويرمز له بالرمز (Z)، ويكون عدد البروتونات الموجبة داخل النواة في الذرة متعادلة الشحنة مساوٍ لعدد الإلكترونات السالبة التي تدور حول النواة، وفي هذا النوع من الذرات تلغي الشحنات الموجبة والسالبة بعضها البعض، مما يؤدي إلى نشوء ذرة متعادلة غير مشحونة (محيادة)، حيث يحدد عدد البروتونات (أو العدد الذري) الخصائص الكيميائية للذرة،^[٣] ويُكتب العدد الذري للعنصر أسفل يسار رمز العنصر في الجدول الدوري.^[٤]

الكتلة الذرية والعدد الكتلي

تشير الكتلة الذرية (بالإنجليزية: atomic mass) إلى كتلة الذرة، ويتم التعبير عنها بوحدة الكتلة الذرية (amu)، حيث تتركز معظم كتلة الذرة في النواة التي تحتوي على البروتونات والنيوترونات، ويزن كل بروتون أو نيوترون حوالي 1amu، وبالتالي تكون الكتلة الذرية قريبة جدًا من العدد الكتلي (بالإنجليزية: mass number)، والذي يشير إلى عدد البروتونات والنيوترونات داخل النواة،^[٥] وهو يكتب أعلى يسار رمز العنصر في الجدول الدوري، ويرمز له بالرمز (A).^[٤]

النظائر

يؤثر عدد النيوترونات في النواة على كتلة الذرة، وليس على خصائصها الكيميائية، فالنواة المكوّنة من 6 بروتونات و6 نيوترونات سيكون لها نفس الخصائص الكيميائية لنواة بها 6 بروتونات و8 نيوترونات، على الرغم من اختلاف الكتلتين، وتسمى النوى التي تحتوي على نفس عدد البروتونات، ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات بالنظائر (بالإنجليزية: isotopes)، إذ تمتلك جميع العناصر الكيميائية العديد من النظائر،^[٦] حيث يعد الصوديوم 23 (Na 23) والصوديوم 24 (Na 24) أحد الأمثلة على النظائر، إذ يحتوي الصوديوم 23 على 11 إلكترونًا، و11 بروتونًا، و12 نيوترونًا، بينما يحتوي نظيره الصوديوم 24 على 11 إلكترونًا و11 بروتونًا و 13 نيوترونًا.^[٤]

حجم الذرة

يبلغ حجم الذرة حوالي 10^-10 أمتار، أو 10^-8 سم، وهذا يعني أن صفًا مكونًا من 100 مليون ذرة سيمتد بمقدار سنتيمتر واحد فقط، أي حجم ظفر إصبع اليد تقريبًا، وتختلف أحجام ذرات العناصر المختلفة، ولكن يمكن اعتبار 10^-10 م قيمة تقريبية لحجم أي ذرة، يمكن اعتبار الذرات كروية الشكل أيضًا، على الرغم من أنها ليست كذلك دائمًا، ويبلغ حجم نواة الذرة حوالي 10^-15 م؛ وهذا يعني أنها تشكل حوالي 10^-5 من حجم الذرة الكاملة، وحث إن المقارنة بين حجم النواة نسبةً إلى حجم الذرة، تشبه المقارنة بين حجم حبة البازلاء في منتصف مضمار سباق.^[٧]

القوة الكهربائية للذرة

تحتوي الإلكترونات على شحنة كهربائية سالبة، وتحتوي البروتونات على شحنة كهربائية موجبة بنفس القوة تمامًا، أما النيوترونات فليس لها شحنة كهربائية (متعادلة)، وهذا يجعل النواة عبارة عن كرة كثيفة ذات شحنة موجبة في مركز الذرة تمارس قوة جذب كهربائية على الإلكترونات السالبة، فتمسكها كجزء من الذرة، وهذا ما يُعرف بالقوة الكهربائية للذرة (بالإنجليزية: electric force).^[٧]

القوة النووية للذرة

تكون جميع القوى الكهربائية داخل النواة متنافرة؛ بسبب تنافر البروتونات موجبة الشحنة، أما النيوترونات فلا تنشأ بينها أي قوة كهربائية، وذلك لأنها غير مشحونة، إلا أنه يوجد قوة أخرى تجعل النواة متماسكة ومستقرة تسمى القوة النووية (بالإنجليزية: nuclear force)، إذ تنشأ هذه القوة بين جميع الجسيمات في النواة، فهناك قوى نووية بين بروتونين، وبين نيوترونين، وبين نيوترون وبروتون، وتكون هذه القوة أكبر من القوة الكهربائية الطاردة؛ وبالتالي تتماسك الجسميات الموجودة في النواة معًا بسببها، ولا تصل القوة النووية إلى المنطقة التي توجد فيها الإلكترونات الخارجية، ولا تؤثر على العمليات الكيميائية، أو الخصائص الفيزيائية للمادة، لكن القوة النووية ضرورية لوجود المادة، وبدونها لن تكون هناك نوى.^[٧]