نواة الذرّة وعلاقتها بقائمة العناصر الدوريّة
تتتتتمّ اكتشاف نواة الذرّة في إطار الأبحاث التي تُجرى على الموادّ. بعد سنوات طويلة اعتقد فيها العلماء أنّ الذرّة غير قابلة للتجزئة، تبيّن أنّ الذرّة تحتوي على جُسَيْمات صغيرة، النواة وغلاف الإلكترونات من حولها. كما وتبيّنَ أيضًا أنّ النواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات.
ممن المعروف اليوم أنّ النيوترونات والبروتونات مكوّنة من جُسَيْمات أصغر تُسمّى كواركات. بالمقابل، توجد للإلكترونات صفات جُسَيميّة (كتلة وشحنة كهربائيّة)، وكذلك صفات موجيّة تُشبه أمواج البحر، التي لها تردُّد وارتفاع. تُسمّى هذه الحالة ازدواجيّة الإلكترون.
في هذا الدرس سنتعلّم عن الذرّة والجُسَيْمات التي تُكوّنها على مستوى البروتون، النيوترون والإلكترون. سنتعامل مع كلّ جُسَيْم بمقدارَين: الكتلة والشحنة الكهربائيّة.
تعريفات
من تعريف البروتون والنيوترون، يمكن الاستنتاج أنّ لهذَين الجُسَيْمَين كتلة مُشابهة، لكنّهما يختلفان عن بعضهما البعض من حيث شحنتهما الكهربائيّة.
كتلة البروتون هي 1.672×10-27 كغم، أيّ 0.0000000000000000000000000001672 كغم.
وهذا رقم صغير جدًا، لذلك تمّ تعريف كتلة البروتون على أنّها تُعادل وحدة كتلة واحدة.
غالبيّة كتلة الذرّة تتركّز في النواة، برغم حجمها الصغيرة مقارنةً يحجم الذرّة كلّها.
لو أمعنّا النظر في قائمة العناصر الدوريّة، سنلاحظ أنّ لكلّ ذرّة قيمتَين تمثّلانها. في القائمة الدوريّة التي نستعين بها في امتحانات البجروت، تظهر إحدى القيمتَين فوق العنصر، والأخرى تحته.
مثلًا:
العدد الأصغر، من بين العددَين اللذَين يمثّلان العنصر، يُسمّى العدد الذرّيّ (Z).
والعدد الأكبر من بينهما (كما يظهر في القائمة الدوريّة) الذي لا يكون عددًا صحيحًا بشكل عام، يُسمّى مُعدّل الكتلة الذرّيّة. هذا المصطلح غير مطلوب في المنهاج الدراسيّ. فيما بعد، سنسمّي هذا العدد الكتلة المولاريّة.
نعرّف الآن المصطلحات التالية:
العدد الذرّيّ – (Z)؛ يسمّى أيضًا الشحنة النوويّة.
يُشير هذا العدد إلى عدد البروتونات في نواة الذرّة.
لكلّ ذرّات العنصر من نفس النوع يوجد نفس عدد البروتونات.
إذا عرفنا عدد البروتونات في ذرّة معيّنة، يمكننا أن نلائمها لعنصر معيّن بحسب عددها الذرّيّ.
الآن، لننظر إلى العدد الثاني الذي يُمثّل العنصر. لماذا لا يكون هذا العدد صحيحًا؟
في غالبيّة العناصر في القائمة الدوريّة، القيمة الأكبر لا تكون عادةً عددًا صحيحًا، لأنّها معدّل موزون لكُتَل عدّة ذرّات تابعة لنفس العنصر.
لكلّ واحد من العناصر في الطبيعة يوجد عدّة أنواع ذرّات. هذه الذرّات مطابقة من حيث عددها الذرّيّ، أيّ من حيث عدد البروتونات، لكنّها تختلف عن بعضها البعض من حيث عدد الكتلة، بسبب الفرق في عدد النيوترونات. تُسمّى أنواع الذرّات هذه نظائر.
ما هو عدد الكتلة؟
عدد الكتلة (A) هو مجموع البروتونات والنيوترونات في نواة نظير ذرّة معيّنة.
عدد النيوترونات في الذرّات المختلفة التابعة لنفس العنصر، ليس متساويًا بالضرورة. عدد البروتونات فقط يجب أن يكون متساويًا. لذلك، لنفس العنصر توجد أنواع مختلفة من الذرّات التي تمثّله. هذه الذرّات مطابقة من حيث العدد الذرّيّ، لكنّها تختلف عن بعضها من حيث عدد النيوترونات، لذلك فهي تختلف أيضًا من حيث عدد الكتلة.
عندما نحسب مُعدّل الكتلة الذّريّة، أيّ المعدّل الذي يأخذ بالحسبان كتلة كلّ واحد من نظائر نفس العنصر ونسبة انتشاره في الطبيعة، نحصل على القيمة المعدّلة الظاهرة في القائمة الدوريّة. هذه هي القيمة الأكبر من بين القيمتَين الظاهرتَين في القائمة الدوريّة بجانب كلّ عنصر.
مثلًا: لعنصر الهيدروجين ثلاثة أنواع نظائر.
| النظير | عدد البروتونات | العدد الذرّيّ | عدد الكتلة | عدد النيوترونات |
| 1 | 1 | 1 | 0 | |
| 1 | 1 | 2 | 1 | |
| 1 | 1 | 3 | 2 |
نلاحظ أنّ كلّ الذرّات التي تظهر في الجدول هي ذرّات هيدروجين، وتختلف عن بعضها البعض فقط من حيث عدد الكتلة، وليس من حيث العدد الذرّيّ. لجميع هذه الذرّات تصرُّف كيميائيّ متشابه، لكن هناك اختلافات فيما بينها برغم ذلك. بعضها مُشِعّة، ولبعضها صفات فيزيائيّة تختلف قليلًا عن بعضها البعض. تتشابه في تصرُّفها الكيميائيّ.
في قائمة العناصر الدوريّة، لا تظهر كلّ نظائر العنصر، بل تمثيل واحد فقط لكلّ عنصر. العدد الظاهر في القائمة الدوريّة (يسمّى أيضًا معدّل الكتلة الذرّيّة أو الكتلة المولاريّة، وسنتعلّم عن هذا المصطلح بتوسّع لاحقًا)، هو معدّل كُتًل كلّ نظائر نفس العنصر.