هل تعرف كيف يبدو شكل الذرة؟

 لنفترض أنه استوجب عليك أن تبني لنفسك عالمًا تمامًا مثل العالم الذي نعيش فيه. من أين ستبدأ؟ ستحتاج إلى أشخاص... سيارات... منازل... حيوانات... أشجار... ومليارات من الأشياء الأخرى. لكن إذا كان لديك بضع عشرات من الأنواع المختلفة من الذرات، فسيمكنك بناء كل هذه الأشياء، بل وأكثر: ستجمع الذرات معًا بطرق مختلفة. الذرات هي لبنات البناء الصغيرة التي يتكون منها كل شيء من حولنا. إنه لأمر مدهش أن تعتقد أنه يمكنك صنع أي شيء من الذرات، من ثعبان إلى محيط كبير - لكن هذا صحيح تمامًا! دعونا نلقي نظرة فاحصة للأمور.

ما هي الذرة؟

قم بتفكيك أي شيء وستجد شيئًا أصغر بداخله. هناك محركات داخل السيارات، ونقاط داخل التفاح، وقلوب ورئتين وأعضاء بشرية مختلفة داخل أجساد البشر، وحشو قطنيّ داخل دمى الدببة. لكن ما الذي سيحدث إذا واصلت المضي قدمًا في عملية التفكيك؟ إذا واصلت تفكيك الأشياء، ستجد في النهاية أن كل المادة (كل "الأشياء" التي تحيط بنا) مصنوعة من أنواع مختلفة من الذرات.

الكائنات الحية، على سبيل المثال، تتكون في الغالب من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. هذه ليست سوى ثلاثة من بين أكثر من 100 عنصر كيميائي اكتشفه العلماء. تشمل العناصر الأخرى معادن مثل النحاس والقصدير والحديد والذهب والغازات مثل الهيدروجين والهيليوم. يمكنك صنع أي شيء تقريبًا يمكنك التفكير فيه من خلال ضم ذرات من عناصر مختلفة معًا مثل قطع ليغو صغيرة!

الذرة هي أصغر كمية ممكنة من عنصر كيميائي - لذا فإن ذرة الذهب هي أصغر كمية يمكن أن تمتلكها من الذهب. وبكلمة صغيرة، أعني حقًا أنها صغيرة جدًا من الناحية النانوية: وبعبارة أخرى، فإن ذرة واحدة تعتبر أرق بمئات الآلاف من المرات من شعرة من رأس الإنسان، لذلك، ليس لديك أي فرصة على الإطلاق لرؤية ذرة بعينك المجردة ما لم يكن لديك مجهر إلكتروني قوي بشكل كبير.

في العصور القديمة، اعتقد الناس أن الذرات هي أصغر الأشياء الممكنة في العالم. في الواقع، تأتي كلمة atom من كلمة يونانية تعني شيئًا لا يمكن تقسيمه أكثر من ذلك. ولكن اليوم، نحن نعلم أن هذا ليس صحيحًا. من الناحية النظرية، إذا كان لديك سكين صغير وحاد بما يكفي، يمكنك تقطيع ذرة من الذهب إلى قطع صغيرة وستجد أشياء أصغر بالداخل. ولكن بعد أن تقوم بتقطيعها، لن تكون ذهباً بعد ذلك: سيكون لديك فقط القطع الرئيسية التي كوّنت الذهب في الأصل.

تتكون جميع الذرات من نفس الوحدات البنائية، والتي تسمى جسيمات دون ذرية Subatomic particles (تعني كلمة "sub" أصغر من وهي جسيمات أصغر من الذرات). لذا إذا قطّعت ذرة من الحديد، ووضعت القطع في كومة أمامك، ثم قطعت ذرة من الذهب، ووضعت تلك القطع في كومة ثانية، سيكون لديك كومة من القطع المتشابهة جدًا.

ما هي مكونات الذرة؟

تحتوي معظم الذرات على ثلاث جسيمات دون ذرية مختلفة بداخلها: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات! تجتمع البروتونات والنيوترونات معًا في مركز الذرة (وهو ما يسمى بالنواة) والإلكترونات، وهي أصغر كثيرًا، تدور حول نواة الذرة. عندما يرسم الناس صورًا للذرات، فإنهم يظهرون الإلكترونات مثل الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض في مدارات. في الواقع، تتحرك الإلكترونات بسرعة كبيرة لدرجة أننا لا نعرف أبدًا مكانها بالضبط من لحظة إلى أخرى. تخيل الإلكترونات كسيارات سباق فائقة السرعة تتحرك بسرعة مذهلة لدرجة أنها تتحول إلى غيوم ضبابية - سيبدو أنها وجودة في كل مكان تقريبًا في آن واحد. ولهذا السبب سترى بعض الكتب التي ترسم الإلكترونات داخل مناطق ضبابية تسمى المدارات.

إن ما يجعل ذرة من الذهب مختلفة عن ذرة الحديد هو عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات بداخلها. اقطع ذرة حديد واحدة وستجد 26 بروتونًا و 30 نيوترونًا متجمعة معًا في النواة و 26 إلكترونًا تدور حول النواة في الخارج. بينما ذرة الذهب أكبر وأثقل. اقسمها وستجد 79 بروتونًا و 118 نيوترونًا في النواة و 79 إلكترونًا تدور حول النواة. إن البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في ذرات الحديد والذهب متطابقة الشكل والمضمون - الأمر وما فيه أن هناك فقط أعداد مختلفة منها. من الناحية النظرية، يمكنك تحويل الحديد إلى ذهب عن طريق أخذ ذرات الحديد وإضافة 53 بروتونًا و 88 نيوترونًا و 53 إلكترونًا لكل منها. ولكن إذا كان ذلك سهلاً كما يبدو، فيمكنك المراهنة على أن كل كيميائيي العالم سيكونون أثرياء جدًا بالفعل!

لكن لنفترض أنه يمكنك تحويل الذرات إلى ذرات أخرى بكل ببساطة إضافة أو إزالة مكونات من الذرة. كيف يمكنك صنع العناصر الكيميائية القليلة الأولى؟ ستبدأ بأبسط ذرة على الإطلاق، الهيدروجين (الرمز H)، الذي يحتوي على بروتون واحد وإلكترون واحد، لكنه لا يحتوي على نيوترونات. إذا أضفت بروتونًا آخر وإلكترونًا آخر ونيوترونين، فستحصل على ذرة هيليوم (الرمز He). أضف بروتونًا آخر، وإلكترونًا آخر، ونيوترونين آخرين، وستحصل على ذرة من معدن الليثيوم (الرمز Li). أضف بروتونًا واحدًا ونيوترونًا وإلكترونًا واحدًا وستحصل على ذرة من البريليوم (الرمز Be).

صنع الذرات الأربع الأولى:

في جميع الذرات، يكون عدد البروتونات وعدد الإلكترونات هو نفسه دائمًا، أي أنه متساوٍ. عدد النيوترونات تقريبًا هو نفسه عدد البروتونات، لكنه في بعض الأحيان يكون أكثر من ذلك. يسمى عدد البروتونات في الذرة العدد الذري ويخبرك بنوع الذرة التي لديك. العدد الذري 1 يعني أن الذرة هي هيدروجين، والعدد الذري 2 يعني الهيليوم، و 3 يعني الليثيوم، و 4 البريليوم، وهكذا.

يُطلق على العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات المُجتمعة معًا الكتلة الذرية النسبية. يحتوي الهيدروجين على كتلة ذرية نسبية تساوي 1، بينما الكتلة الذرية النسبية للهيليوم هي 4 (لأن هناك بروتونان ونيوترونان بالداخل). بمعنى آخر، ذرة الهيليوم أثقل أربع مرات من ذرة الهيدروجين، بينما ذرة البريليوم أثقل تسع مرات.

كيف تصنع الذرات الجزيئات والمركبات؟

الذرات تشبه الناس إلى حد ما: فهم يفضلون عادةً الاتّحاد مع الشركاء على أن يبقوا بمفردهم. تفضل الكثير من الذرات الانضمام إلى ذرات أخرى لأنها ستكون أكثر استقرارًا بهذه الطريقة. لذا لا توجد ذرات الهيدروجين حرة موجودة بشكل منفرد من تلقاء نفسها: بدلاً من ذلك، تتزاوج لتكوين ما يسمى جزيء الهيدروجين. الجزيء هو أصغر كمية من المركب: وهي مادة مصنوعة من ذرتين أو أكثر.

يجد بعض الناس أن الجزيئات والمركبات محيرة. إليك كيفية تذكر الفرق. إذا جمعت عنصرين كيميائيين مختلفين معًا، يمكنك غالبًا صنع مادة جديدة تمامًا. ألصق ذرتين من الهيدروجين في ذرة أكسجين وستكون جزيئًا واحدًا من الماء. الماء مركب (لأنه عنصران كيميائيان مختلفان مرتبطان ببعضهما البعض)، ولكنه أيضًا جزيء لأنه مصنوع من خلال دمج الذرات. طريقة تذكرها هي كما يلي: المركبات عبارة عن عناصر مرتبطة ببعضها البعض والجزيئات عبارة عن ذرات مرتبطة ببعضها البعض.