تقرير كيمياء العدد الذري للصف العاشر

في عالمنا أعداد هائلة من المواد المختلفة تركيبا شكلا وخواصا وإذا ما حصرنا نظرتنا بالمواد غير العضوية كالغازات والسوائل والأجسام الصلبة نرى أنه من الصعب ضغط الأجسام الصلبة والسائلة ولكن من السهل جدا ضغط أي غاز. وهذا يعني أن المادة التي تؤلف الغاز غير مكثفة وانه قد توجد بعض الفراغات داخل الغاز كما قد توجد داخل أي مادة سائلة أو صلبة.

إذن ما هي الوحدة التي تؤلف المادة؟؟

إنه لم اليسير حاليا الإجابة على هذا السؤال الأساسي والمهم:

يوجد في كل مادة وحدة متناهية الصغر تسمى جزيء وهذا الجزيء يتألف من وحدات أصغر تسم كل وحدة الذرة .

مم تتكون الذرة؟؟

من المعروف جيدا اليوم أن الذرة مؤلفة من نواة تدور حولها مجموعة من الإلكترونات المشحونة بالكهرباء السالبة . أما النواة فتتكون بشكل أساسي من نيوترونات غير مشحونة ومن بروتونات مشحونة بشحنة موجبة . وتجدر الإشارة إلى أمرين :

أولا : أن كمية الكهرباء المشحونة في البروتون تساوي شحنة الإلكترون .

ثانيا : أن عدد بروتونات النواة يساوي عدد الإلكترونات التي تدور حول النواة وهذا يعني أن الذرة إذا ما أخذت كوحدة متكاملة لا تحمل أي شحنة كهربائية.

ولكل إلكترون يدور حول النواة مسار مستقل عن بقية الإلكترونات وهذا المسار مميز ويحدده الفيزيائيون بأرقام خاصة " يمكن معرفتها من أي كتاب يدرس الفيزياء الذرية" . ولتبسيط الصورة يمكن القول بأن الإلكترونات موجودة في طبقات يشار إليها عادة بالأحرف اللاتينية :

K L M …

الطبقة K هي الأقرب للنواة ثم تأتي بعدها L ثم M وهكذا دواليك .

وكل مسار مخصص لمستوى طاقة معين. أي أن المسار الأقرب إلى النواة له مستوى طاقة أقل من مستوى طاقة المسار الذي يليه. وهذا يعني انه عند انتقال إلكترون من مسار إلى مسار آخر تتغير طاقته خسارة أو ربح حسب موقع المسار الأساسي من المسار النهائي . وغالبا ما تتجلى هذه الخسارة في الطاقة بإطلاقها إلى خارج الذرة تحت شكل "حبيبة طاقة" أو "حبيبة ضوء".

وهذا ما سنعود إليه بعد قليل.

إن وزن الإلكترون ضئيل جدا بالنسبة لوزن البروتون ولكن وزن النيوترون يساوي وزن البروتون . وعدد البروتونات ( أو الإلكترونات ) ويشار إليه عادة بالحرف Z الذي يحدد نوعية الذرة . وهذا العدد يسمى العدد الذري .

أما الوزن الذري A فهو حاصل مجموع البروتونات والنيوترونات . وذلك يعود إلى أن وزن الذرة مكون إلى حد كبير من وزن البروتونات والنيوترونات "الثقيلة" بالنسبة لوزن الإلكترون كما أشرنا أعلاه.

واختلاف عدد النيوترونات بين ذرة حديد وذرة حديد أخرى مثلا هو السبب عدد نظائر للجسم الواحد وهو السبب في وجود النظائر المشعة بشكل خاص.

– أنواع الأشعة السينية :

هناك نوعين من الأشعة السينية يمكن الحصول عليها الآن . والتفريق بين هذين النوعين يعود بشكل أساسي إلى طريقة الحصول على كل منهما:

1ــ الأشعة السينية " البيضاء" أو الطيف غير المتقطع . وكلمة بيضاء لاتعني هنا اللون الأبيض إنما تعني احتواء هذا الطيف على أشعة سينية مختلفة لذبذبة وطول الموجة . أي أننا نجد في هذا الطيف كل الموجات الممكن تصورها ضمن حدين أدنى وأعلى لطول الموجة :

λm < λ< λM

2ــ الأشعة السينية الخاصة بكل معدن والمكونة من عدة أضواء كل واحد منها أحادي طول الموجة تجتمع في عدة مجموعات . وطول موجة كل ضوء منها يتعلق حسب قانون سنراه لاحقا بالعدد الذري للعنصر المادي الذي ولده.

يمكن الحصول على " الطيف الأبيض " بإخضاع أنبوبة الأشعة السينية لتوتر منخفض نسبيا . وإذا ما اتخذنا بعض الاحتياطات المبنية على دراسة قيمة التوتر وطبيعة المعدن الموجود في المصعد يمكن الحصول على هذا الطيف الأبيض دون أن يمزج الأشعة السينية الخاصة بنوع المصعد [ أي النوع الثاني من الأشعة السينية ].

ولهذه الأشعة البيضاء خاصية مهمة : فإذا عمدنا إلى إجراء رسم بياني لشدة الضوء بالنسبة لطول الموجة وجدنا أن الشدة تنعدم تحت طول موجة معين أسميناه λm . وطول الموجة هذا لا يتعلق مطلقا بنوع العنصر المادي المكون للمصعد (Anode) وإنما يتعلق بقيمة التوتر الكهربائي المسلط على أنبوبة الأشعة السينية . وأول من طبق قانون علاقة λm بالتوتر الكهربائي هما العالمان ديان (Duane) و هونت (Hunt)وكان ذلك في سنة 1914.

وكمثال على ذلك وبواسطة توتر كهربائي يساوي 000 300 فولت يمكن الحصول على أشعة سينية يساوي الطول الأدنى من الموجة فيها خمسة أجزاء من ألف من الأنغستروم :

λ = 0.005 A

والتوتر المشار إليه أعلاه يستعمل للحصول على أشعة سينية تستخدم في معالجة الأقسام الداخلية من جسم الإنسان لأن الأشعة ذات الموجة المتناهية القصر تملك قدرة كبيرة على الاختراق .

وبالرغم من أن الطول الأدنى للموجة السينية لا يتعلق بطبيعة المهبط فإن الشدة الإجمالية للطيف الممكن الحصول عليها تحت توتر كهربائي ثابت ترتكز على العدد الذري للعنصر المكون للمصعد.

وتجدر الإشارة إلى أن كيفية انطلاق هذه الأشعة العامة "أو البيضاء" لم تحظ حتى يومنا هذا بتفسير دقيق . ولكن يمكن القول بأن هذا الطيف ينتج عن تغير مسار الإلكترونات المنطلقة من المهبط تحت تأثير الحقول المغناطيسية والكهربائية بالقرب من نواة الذرات في المصعد.

من المعروف جيدا أن الإلكترون المنطلق من المهبط يكتسب طاقة حركية تساوي حاصل ضرب قيمة التوتر بشحنة الإلكترون الكهربائية. والتوقف الكامل والسريع للإلكترون عند دخوله في مادة المصعد يحول هذه الطاقة الحركية إلى إشعاعات وكلما كان التوقف سريعا كانت ذبذبة الأشعة المنبعثة مرتفعة . والتوقف الكلي للإلكترون عند أول اصطدام بذرة من ذرات المصعد يعطي الأشعة ذات الذبذبة الأكثر ارتفاعا أو طول الموجة الأقصر وهي الموجة التي ذكرناها آنفا والتي أسميناها λm .

وهذه الأشعة العامة ذات أهمية بالغة . فهي التي استعملت في الماضي لدراسة البلوريات في فيزياء وكيمياء الأجسام الصلبة بطريقة " لاو" "Laue" . وهي التي تستعمل في الطب للمعالجة بالأشعة السينية وللتصوير بالأشعة.

أما النوع الثاني من الأشعة السينية فنحصل عليه , إلى جانب النوع الأول الذي وصفناه أعلاه . ولكن طول الموجة التي نحصل عليها لا يتغير بتغير قيمة التوتر العالي وذلك لأنه خاص بالعنصر المادي المكون لمعدن المصعد . فإذا أجرينا رسما بيانيا لتغير الشدة الضوئية بتغير طول الموجة وجدنا أنه تبرز إلى جانب الطيف الأبيض حزمات أشعة أحادية اللون شديدة الضوء نسبيا . وهذه الحزم هي التي وصفنا بالأشعة السينية الخاصة بالعنصر المعدني.

ويمكن جمع هذه الحزم في مجموعات يطلق عليها أسم

K, L, M, N, 0…

والمجموعة K هي التي تحوي الأشعة ذات الموجة الأقصر أي الأكثر قدرة على اختراق المادة.

كيف يتم إصدار هذه الأشعة ؟؟

– قانون موزلي Moseley,s Law:

عندما ينطلق الإلكترون من المهبط يكتسب كما قلنا طاقة حركية تخوله ( في بعض الأحيان) قذف الكترون من طبقة ما من طبقات إحدى الذرات المكونة للمصعد . وهذا يعني أن إحدى الطبقات الداخلية للذرة أصبحت غير متوازنة وفارغة جزئيا مما يدفع الكترون يحتل مسارا في طبقة أخرى أبعد من الطبقة الناقصة بالنسبة للنواة للنزول إلى الطبقة الأقرب للنواة لملء الفراغ . ويعني أيضا أن الكترون يترك مسارا ذا مستوى طاقة معين ليحتل مسارا ذا مستوى طاقة أدنى . والفرق بين طاقتي المستويين يتحول إلى أشعة سينية .

إن طول موجة الأشعة السينية المنبعثة بهذه الطريقة يتعلق بالفرق بين طاقتي المستوى الأساسي للإلكترون والمستوى النهائي له.

وإذا كان الإلكترون الذي قذف خارج الذرة منتميا للطبقةK سميت الأشعة المنبعثة بهذا الاسم . وإذا كان ينتمي للطبقة L سميت الأشعة أيضا بهذا الاسم . وهذا يعني أن الحزمة K تحتوي على أشعة طول موجتها يتعلق بفرق الطاقة بين الطبقة M والطبقةK وعلى أشعة طول موجتها تتعلق بفرق الطاقة بين الطبقة L والطبقة K وهكذا دواليك .

والفرق بين طاقة L وطاقة K يختلف بين ذرة معدن وذرة معدن آخر بين عنصر وعنصر آخر مما يعني أن الحزمة K تختلف من عنصر إلى عنصر آخر وأنه من الممكن الاسترشاد لطبيعة معدن المصعد إذا ما استطعنا قياس طول موجة الأشعة السينية المنبعثة منه. فالموجة الأقصر هي K والتي تليها هي L …. الخ .. ومجموع الحزم K و L وM … الخ ترشدنا بسهولة إلى طبيعة العنصر . وتجدر الإشارة إلى أنه بهذه الطريقة استطاع بعض العلماء اكتشاف عناصر ومعادن جديدة .

لقد استطاع العالم الإنكليزي موزلي أن يجد علاقة بسيطة بين أطوال الموجة في الأشعة السينية K وبين العدد الذري لعنصر المصعد . فقد برهن أنه إذا أجرينا رسما بيانيا لتغير الجذر التربيعي لذبذبة أشعة سينية K بتغير العدد الذري حصلنا على خط مستقيم يمكن التدليل عليه بالمعادلة التالية المعروفة بقانون موزلي :

حيث N ترمز إلى الذبذبة . R= ثابت ريدبرغ . C= سرعة الضوء . Z=العدد الذري

وتجدر الإشارة لوجود معادلة أخرى خاصة بالأشعة السينية "L" مشابهة لما كان قد وجده العالم Lyman بالنسبة لطيف الهيدروجين في القسم فوق البنفسجي.

هذا القانون يعني وجود معادلة أساسية بين كل العناصر بدءا بالهيدروجين وانتهاءا بالعناصر الثقيلة أي أنها مبنية بنفس الحبيبات وبنفس الطريقة . ومن ناحية ثانية فإن الرسم البياني الذي يعطي الجذر التربيعي للذبذبة الموازية لأي عدد ذري ساعد العلماء على اكتشاف عناصر جديدة لم تكن معروفة من قبل . فبهذه الطريقة استطاع كوستر

"Coster" اكتشاف الهافنيوم "Hafnium" كما استطاع تاك "Tacke et" وندواك "Noddack" اكتشاف المازيريوم والرانيوم… الخ.
مصادر و المراجع :
معهد الامارات التعليمي www.uae.ii5ii.com
قوقل
وكبيديا الموسوعة الحرة