مدخل إلى الذرّة

الذرة، والبروتون، والنيوترون، والإلكترون

في معظم المواضيع، عليك أن تتعمق قليلاً في الموضوع

قبل أن تبدأ بمناقشة الأمور

الفلسفية المثيرة للاهتمام، ولكن في الكيمياء

فإنها تبدأ بأكثر المواضيع فلسفة ومناقشة

الجزء الأكثر إثارة للاهتمام ألا وهو الذرة.

وإن فكرة الذرة كما شرحها الفلافسة قديماً

ويمكنك البحث عن الفلاسفة الأوائل المختلفين الذين

فسروها فلسفياً، فإنهم قالوا: أتعلمون

إن بدأت، بـ...، إن بدأت بتفاحة

إذا بدأت بتفاحة

وأخذت في تقطيع التفاحة -- دعني أرسم

تفاحة بشكل جميل

حتى لا أجعل شكلها مثل القلب.

هذه هي.

فلديك تفاحة شكلها جميل، وأخذت في تقطيعها،

إلى قطع صغيرة ثم أصغر.

فإنك بالطبع ستحصل على قطعة صغير جداً جداً

ولن تتمكن من تقطيعها.

وأنا متأكد أن بعض هؤلاء القلاسفة

أتوا بسكين وحاولوا تقطيعها ولكنهم فشلوا،

أوه، ربما يجب أن أجعل السكين حاداً أكثر من ذلك

حتى أستطيع تقطيعها أكثر وأكثر.

إذا فهو مفهوم فلسفي

والذي يكون في الحقيقة مختلف كثيراً

عن ماهية الذرة الآن.

إنه في الحقيقة تصور عقلي والذي

يمكننا من شرح الكثير من الأشياء التي نلاحظها في الكون.

على كل حال، فقد قال هؤلاء الفلاسفة أنه في
مرحلة ما

نعتقد أنه سيكون هناك جزء صغير من التفاحة

وهذا هو الجزء الذي لن يتمكنوا من تقسيمه.

وقد قاموا بتسميته الذرة.

ولا ينطبق هذا على التفاحة فقط، فقد قالوا

أن هذا ينطبق أيضاً على أي مادة أو عنصر

تواجهه في الكون.

وإن كلمة ذرة أصلها يوناني بمعنى غير قابل للتقطيع.

غير قابل للتقطيع أو التجزئة.

غير قابل للتقطيع.

إننا الآن نعلم أنها غير قابلة للتقطيع

وبالرغم من أنها ليس شيء بسيط،

إلا أنها ليست أصغر قضية نناقشها.

إننا نعلم الآن أن الذرة مكونة من

جسيمات أساسية عديدة.

دعني أكتب هذا.

إذاً فلدينا النيوترون.

وسأرسم الآن كيف تتجانس جميعها

وسأرسم تركيب الذرة.

فليدنا نيوترون.

ولدينا بروتون.

وهناك أيضاً إلكترونات.

إلكترونات.

وقد تكون تعرف هذا من قبل

إن كنت قد شاهدت مقاطع فيديو سابقة عن المشاريع الذرية،

فسترى شيء يشبه هذا.

دعني أجرب أن أرسم هذا.

إذاً فهذا ما ستراه.

وستجد هذه الأشياء تدور حولها

ويكون هذا شكلها.

ولها مدارات وهذا بالتحديد شكلها.

وربما شيء شكله هكذا.

إن الفكرة العامة وراء هذه الرسومات النووية

-- وأنا متأكد أنها ما زالت تظهر في بعض مختبرات

الدفاع للحكومات أو شيء من هذا القبيل --

هو أنه هناك نواة في وسط الذرّة.

هناك نواة في وسط الذرّة.

وإننا نعلم ان النواة لها نيوترونات وبروتونات.

نيوترونات وبروتونات.

وسنتحدث قليلاً عن العناصر

وبها كم نيوترون وكم بروتون.

ومن ثم المدارات، سأستخدم كلمة مدارات الآن،

بالرغم من أننا سنتحدث بعد دقيقتين

أن كلمة مدار هي في الحقيقة خاطئة

أو بالأحرى الطريقة الخاطئة التي يتصور بها العقل

ما يفعله الإلكترون.

ولكن الفكرة القديمة هي أن هذه الإلكترونات

التي تدور حول النواة بطريقة مشابهة جداً

لدوران الأرض حول الشمس أو

دوران القمر حول الأرض.

وقد تم إيضاح أن هذا

في الحقيقة تصور خاطئ جداً.

وسنعرف لماذا هذا التصور خاطيء عندما نتطرق

لميكانيكا الكم، ما هي المتناقضات التي تظهر

عندما تحاول تصوّر الإلكترون مثل كوكب

يدور حول الشمس.

ولكن هذه هي الفكرة الأصلية،

وحقيقةً أعتقد أن هذه هي الفكرة العامة السائدة

عن تصور الذرّة.

لقد قلت الآن أن الذرة مثرة للاهتمام فلسفياً.

ما المثير للاهتمام فلسفياً؟

لأن ما نراه الآن نظرة مقبولة للذرّة،

بدأت بتشويش الخط الفاصل بين الحقيقة

الفيزيائية وكل شيء في العالم هو مجرد معلومات،

وليس هناك شيء كأمر حقيقي أو

جسيمات حقيقية مشابه لكيف نعرّفهم في حياتنا اليومية.

بالنسبة لي، يشبه الجسيم

حبة رمل.

يمكنني الإمساك بها، ولمسها.

أما الموجة، مثل الموجة الصوتية. فقد تكون

تغيّر في الطاقة عبر الوقت.

ولكننا سنعرف، خصوصاً عندما نشرح ميكانيكا الكم،

أن جميعها تصبح فوضوية عندما نقترب

من مقياس أو حجم الذرّة.

على أي حال، فقد قلت أن هذه طريقة خاطئة لتصور الأمر.

إذاً فما الطريقة الصحيحة؟

إذاً فيتضح --أن هذه صورة، ليست صورة،

إنها أيضاً رسم.

إذاً فهو سؤال مثير للاهتمام، ما قلته للتو.

كيف يكون لديك صورة للذرّة؟

لأنه اتضح أن معظم الأطوال الموجية

للضوء، خصوصاً الأطوال الموجية المرئية للضوء، هي

أكبر بكثير من حجم الذرّة.

أي شيء آخر نقوم باقتباسه، ما نلاحظه

في الحياة، فإنه ينعكس عبر الضوء.

ولكن فجأة عندما تتعامل مع الذرّة،

فسينعكس الضوء الذي اعتبرته دوماً عالي جداً، أو

كليل جداً بالنسبة لأداة ملاحظة الذرّة.

على كل حال، هذا رسم تصوري لذرة الهيليوم.

إن ذرة الهيليوم لها بروتونان ونيوترونان.

أو على الأقل ذرة الهيليوم هذه لديها

بروتونان ونيوترونان.

والطريقة التي رسموها بها هنا في النواة،

هناك، ربما هذين هما-- إنني أفترض

أنهم يستخدمون اللون الأحمر للبروتون والبنفسجي للنيوترون.

إن اللون البنفسجي يبدو كلون حيادي.

وهما هنا في وسط هذه الذرّة.

إن هذه الهالة هنا، هذان هما

الإلكترونين الموجودان في الهيليوم،

أو على الأقل الموجودان في ذرة الهيليوم هذه.

قد تكسب أو تفقد إلكترون.

ولكن هذان هما الإلكترونان.

ويمكن أن تسأل، انتظر سال، كيف يمكن للإلكترونين أن يكونا ضبابين

وشكلها كشيء ملطخ حول هذه الذرّة.

وهنا تحديداً حيث تصبح مثيرة للاهتمام فلسفياً.

فلن تستطيع وصف مسار الإلكترون حول

النواة بالفكرة التقليدية للمدار التي اكتسبناها

عند النظر إلى الكواكب أو عندما

نتخيل الأشياء على مستوى أكبر.

يتضح أنه لا يمكنك معرفة

قوة دفع الإلكترون وموقعه في أي لحظة من الوقت.

كل ما يمكنك أن تعرفه هو احتمالية توزيعها

في المكان المتوقع أن تكون فيه.

والطريقة التي رسموها بها، ترجح

الأسود بشكل كبير، فإنك

ستجد الإلكترون هنا.

ولكن في الحقيقة يمكن أن يوجد الإلكترون في أي مكان.

يمكن أن يكون هنا حتى، بالرغم من أن هذه المنطقة بيضاء تماماً

باحتمالية ضئيلة

جداً جداً جداً جداً جداً جداً.

إذاً، فهذه الدالة حيث يوجد الإلكترون، تسمى

دالة مدارية.

مداري.

حتى لا يختلط عليك الأمر بالمدار.

مداري.

تذكر أن المدار كان شيئاً كهذا.

فهو مثل كوكب الزهرة يدور حول الشمس.

إذاً، فالأمر عملياً سهل جداً بالنسبة لنا لتخيله.

ولكن المداري هو دالة احتمال رياضية

تخبرنا أين

يمكننا أن نجد الإلكترون.

ينتعمق في هذا أكثر عندما نشرح ميكانيكا الكم،

ولكن لن يكون هذا في نطاق

هذا النوع من المحاضرات التمهيدية في الكيمياء.

ولكنها مثيرة للاهتمام، صحيح؟

إن سلوك الإلكترون شاذ جداً على مستوى لا تستطيع--

أعني، إن تسميتها جسيم يكون دائماً مضللاً.

إنها تسمى جسيم ولكنها في الحقيقة ليست جسيم

بالشكل الذي اعتدنا عليه في حياتنا اليومية.

إنه هذا الشيء الذي لا يمكنك تحديد مكانه بالضبط.

فيمكن أن يكون في أي مكان في هذا الجزء الضبابي.

وسنعرف لاحقاً أنه يصبح هناك أشكال مختلفة من

الطبقات الضبابية كلما ضفنا إلكترونات أكثر وأكثر إلى الذرة.

ولكن بالنسبة لي، فهذه بداية التطرق لقضايا فلسفية

أو مدى حقيقة

الأشياء التي ننظر حولها؟

أو ما مدى حقيقته، على الأقل تكون كما قمنا بتعريف الحقيقة؟

على أي حال، لا أريد أن أكون فيلسوفاً معكم.

ولكن فكرة الإلكترونات والبروتونات ككل،

فكلها مستندة على فكرة الشحنات.

وقد تحدثنا عنها مسبقاً عندما شرحنا

عن قانون كولوم.

يمكنك أن تتطلع على مقاطع الفيديو لقانون كولوم

في قائمة تشغيل الفيزياء. ولكن الفكرة هي أن

الإلكترون لديه شحنه سالبة.

والبروتون، ويكتب أحياناً هكذا،

لديه شحنة موجبة.

والنيوترون ليس لديه شحنة.

وهذا ما كان يقصد به أن يكون

النموذج الأصلي من الإلكترون.

إن اتفقوا، وإن كان هذا الشيء لديه شحنة موجبة، صحيح؟

إذاً دعنا نقول أن هذان نيوترونان وبروتونان.

دعنا نقول أن هذه ذرة هيليوم.

وسنجد هنا بعض الشحنات الموجبة.

وهناك بعض الشحنات السالبة.

الشحنات المتضادة تتجاذب.

إذاً فإن كان لهذه الأشياء سرعة، سرعة كافية،

فإنهم سيدورون حول هذا، تماماً

مثلما يدور الكوكب حول الشمس.

وقد عرفنا الآن، برغم أن هذا صحيح جزئياً،

أنه كلما بعد الإلكترون عن النواة،

فإنه صحيح أنه يكون لديها طاقة كامنة أكبر.

وبهذا فإنها تتحرك نحو النواة، ولكن

بسبب الميكانيكا على المستوى الكمي،

فإنها لن تقوم بشيء بسيط مثل التحرك في مسار كهذا،

كما يدور المذنّب حول الشمس، في الحقيقة

إن لها سلوك مشابه لحركة الموجة،

والتي تصفها دالة الاحتمال.

ولكن كلما كانت الدالة المدارية بعيدة،

كلما كان لها طاقة كامنة أكبر.

سنتعمق في هذا الموضوع أكثر في مقاطع فيديو لاحقة.

وعلى أي حال، كيف تستطيع تمييز العنصر؟

لقد تحدثت كثيراً عن الفلسفة وما إلى ذلك،

ولكن كيف يمكنني أن أعرف ما هو الهيليوم.

هي تحدد بعدد النيوترونات التي تكون بها؟

أم تحدد بعدد البروتونات التي تكون بها؟

أم بعدد الإلكترونات التي تكون بها؟

حسناً، الجواب هو تحدد بعدد البروتونات.

إذاً، فإن عرفت عدد البروتونات في عنصر ما،

فإنك تستطيع تحديد ما هذا العنصر.

وعدد البروتونات، فإن هذا يسمى

بالعدد الذري.

دعنا نقول أن هناك عنصر له أربع بروتونات.

كيف نعرف ما هي؟

إن لم نكن حفظناها، فيمكننا البحث عنها

في الجدول الدوري للعناصر، والذي سنتعامل

معه كثيراً في قائمة التشغييل هذه. فقد تقول، أربع بروتونات،

فيكون هذا عنصر البريليوم.

هنا بالتحديد.

والعدد الذري هو عدد تراه هناك.

وهذا هو عدد البروتونات.

وهذا ما يفرّق

ذرة عن أخرى.

فإن كان لديك خمسين بروتون، فإن

هذا عنصر الفسفور.

وإذا كان هناك سبع بروتونات،

فإن هذا نيتروجين.

وإن كانوا ثمان بروتونات، فإن هذا أكسجين.

هذا ما يعرّف العنصر.

سنتحدث لاحقاً عما يحدث في الشحنة

وكل ما يتعلق بهذا.

أو ما يحدث عندما يكتسب أو يخسر إلكترونات.

ولكن هذا لا يغير العنصر نفسه.

والشيء نفسه صحيح عندما تغيّر عدد النيوترونات،

فهذا لا يغير العنصر أيضاً.

ولكن هذا يؤدي إلى سؤال واضح ألا وهو، كم عدد النيوترونات

والإلكترونات فيه؟

إذا كانت الذرّة ليس لديها شحنة، فإن هذا يعني أن لديها

نفس عدد الإلكترونات.

فإن كان لدينا عنصر الكربون.

عدده الذري يكون ستة.

وعدد الكتلة هو اثنا عشر.

فماذا يعني هذا؟

ودعني أقول أن هذا جسيم متعادل.

فهذه ذرّة متعادلة.

إذاً، فالعدد الذري للكربون هو ستة.

وهذا يخبرنا كم عدد البروتونات التي تكون فيه.

فإذا رسمت نموذج ضغير هنا، وهذا

بالتأكيد ليس نموذج دقيق.

سأرسم، ستة-- اثنان، أربعة، خمسة، ستة

بروتونات في الوسط.

ووزن هذه البروتونات، كل بروتون

هو وحدة كتلة ذرية، وسنتحدث عن حجمه

مقارنة بالكيلوجرامات. هو جزء

صغير جداً من الكيلوجرام.

أعتقد أنها تقريباً تكون 1.6 ضرب 10

قوة -27 من الكيلوجرام.

فدعنا نقول أن كل من هذه وحدة كتل ذرية واحدة،

وهذا تقريباً مساوي لـ 1.67 ضرب 10

قوة -27 كيلوجرام. هذا عدد صغير جداً.

في الحقيقة إنه من المستحيل أن نحاول تصور الأمر.

على الأقل مستحيل بالنسبة لي.

يخبرنا هذا كتلة ذرة الكربون كاملة،

من ذرة الكربون هذه بالتحديد.

وقد يختلف هذا من ذرة كربون

لذرّة كربون أخرى.

وهذه تكون كتلة جميع البروتونات

بالإضافة إلى جميع النتيوترونات.

وكل بروتون له كتلة ذرية في، بوحدة الكتل الذرية،

وكل نيوترون له كتلة ذرية

من وحدة واحدة من وحدة الكتل الذرية.

فهذا هو عدد البروتونات زائد

عدد النيوترونات.

ففي هذه الحالة، لدينا ستة بروتونات، فيجب أن يكون لدينا أيضاً

ستة نيوترونات.

ستة نيوترونات زائد ستة بروتونات.

والآن، أين الإلكترونات؟

حسناً لقد قلت أنها بلا شحنة، إذاً فالبروتون لديه

شحنة موجبة مساوية لشحنة الإلكترون السالبة.

إذاً فهذه ذرة متعادلة، وبها ست بروتونات،

فبالتالي يكون لديها أيضاً ست إلكترونات.

دعني أرسم هذا.

إذاً فقد قلنا أن بها ست نيوترونات هنا.

واحد، اثنان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة.

وهذه النواة هنا.

وإن قمنا برسم الإلكترونات-- حسناً

يمكنني أن أرسمها كلطخة، ولكن إن أردنا تصورها

بطريقة أفضل، حسناً يمكننا أن نقول، فسيكون هناك

ست إلكترونات تقوم بالدوران.

واحد، اثنان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة.

وسيتحركوا هكذا بطريقة

غير متوقعة، والتي سنحتاج إلى أن نشرحها

بدالّة الاحتمال.

والشيء المثير للاهتمام بها هو أن معظم كتلة الذرة

تكون هنا بالتحديد.

ما أعنيه، قد تلاحظ أنه عندما يهتم الناس بالكتلة،

وعندما يهتمون بالكتلة الذرية للذرّة،

فإنهم يتجاهلون الإلكترونات.

وهذا بسبب أن كتلة البروتون، كتلة بروتون واحد، تساوي

1836 إلكترون.

إذاً بالتفكير في كتلة الذرة، فلكل الأغراض الأساسية،

يمكنك تجاهل كتلة الإلكترون.

إنها في الحقيقة كتلة النواة التي تعتبر

هي كتلة الذرة.

بإمكانك الآن رؤية الجدول الدوري هنا،

فتقول أنه أعطانا العدد الذري في الأعلى هنا.

إن العدد الذري للأكسجين هو ثمانية.

وهذا يعني أن لديه ثمان بروتونات.

إن العدد الذري للسيليكون هو 14.

فلديك 14 بروتون.

والآن، ما هذا الظاهر هنا؟

دعنا نرى، في الكربون.

في الكربون يوجد 12.0107.

هذا هو الوزن الذري للكربون.

دعني أكتب هذا.

الوزن الذري للكربون.

فإن الوزن الذري للكربون هو 12.0107

والآن، ما معنى هذا؟

هل يعني هذا أن هناك ست بروتونات، ثم الباقي

الباقي هو 6.0107 نيوترونات،

فيكون لديها كسر من النيوترون؟

لا.

هذا يعني أنك إن عادلت جميع

صيغ الكربون على كوكب الأرض

وإن عادلت رقم النيوترونات بناءً على جودة

الأنواع المختلفة من الكربون،

فإن هذا هو المتوسط الذي تحصل عليه.

فيظهر أن الكربون، الصيغتين الأساسيتين منه،

والصيغة الأساسية هي كربون-12.

إذاً فهذا يكون هكذا.

فهذا لديه ست بروتونات وست نيوترونات.

إذاً فهذا نظير للكربون.

النظير هو العنصر نفسه ولكن

باختلاف عدد النيوترونات.

نظير آخر للكربون هو كربون-14،

وهو نادر جداً على كوكب الأرض.

لا نعلمكمياته في الكون ولكن نعلم مقداره في كوكب الأرض.

والآن، إن أردت معادلة هؤلاء، ليست مجرد معادلة مستقيمة،

فستحصل على كربون-13 وسيكون

الوزن الذري 13، ولكن وزن هذه أعلى بكثير

لأنها موجودة بكميات كبيرة على كوكب الأرض.

أعني هذا تقريباً كل الكربون

الذي تراه.

ولكن هناك جزء صغير من هذا.

فإن وزنتهم كما يجب،

فتجد أن هذا هو المعدل.

إذاً، فمعظم الكربون الذي ستجده معادل-- إن وجدت كربون في مكان ما،

سيكون وزنه في وحدة الكتل الذرية

12.0107.

ولكن هذه الفكرة عن النظير هي فكرة مثيرة للدهشة.

تذكر، فعندما تغيّر النيوترونات، فأنت لا تغيّر

العنصر الأساسي الفعلي.

ولكنك تحصل فقط على نظير مختلف،

صيغة مختلفة من العنصر.

إذاً فهاتين الصيغتين من الكربون هنا نظيران.

والآن أريد أن أنهي هذا المقطع بما أعتقد

أنه الفكرة الأقرب خلف الذرات.

وهي الفكرة الفلسفية الأكثر إثارة للاهتمام عن الذرات.

إنه القياس المتعلق بها-- إذاً فلدينا هذه الإلكترونات،

التي تمثل جزء صغير جداً من كتلة الذرة.

فـ 1/2000 من كتلة الذرة هي الإلكترونات.

حتى هؤلاء، من الصعب وصفهم كجزيئات،

لأنك لا يمكنك إخباري تماماً

أين تتحرك هذه الجزيئات وما سرعتها.

فلديها فقط دالة الاحتمال.

إذاً فمعظم الذرة تكون داخل النواة.

وهذا هو الشيء المثير للاهتمام.

إذا نظرت للذرة بالمعدل،

وإن قلت هذه الذرة خاصة بي.

فدعنا نقول أن لديّ ذرتين مرتبطتين ببعضهما البعض.

وسأسل سؤال، كم من هذه المعلومات حقيقي؟

وعندما أقول أشياء، فيعتبر هذا مفهوم مجرد جداً،

وهذا لأننا نتحدث عن النواة، صحيح؟

وهذا لأن الكتلة كلها

تكون في النواة.

فيبدوا أنها جزء

أصغر من الصغر من حجم الذرة-- حيث

من الصعب تعريف الذرة، وذلك لأن الإلكترون يمكن أن يكون تقريباً في أي مكان

ولكن إذا نظرت للحجم

أينما يمكنك إيجاد الإلكترون،

أو باحتمالية 90% أن تجد الإلكترون،

إذا فالنواة هي، في حالات كثيرة بالطريقة التي أفكر بها،

فهي 1/10000 من الحجم.

فإن فكّرت بها، فإذا نظرت لشيء ما،

إذا نظرت ليدك أو إلى الحائط

أو إذا نظرت إلى حاسوبك، فستجد أن 99.99% منه مساحة فارغة.

فهذا لا شيء.

يكون هذا فراغ.

وإن كان هناك شيء متناهي الصغر-- فيمكننا تسميتها

جزيئات أوشيء كهذا-- يمر معظمهم مباشرة

عبر أي شيء تنظر إليه.

إذاً فيبدأ بسؤال

عن مدى تمسكنا بالواقع.

وهذه ليست

نظرية هنا-- فإن أخذت أي شيء

من مراحل البناء، نزولاً إلى المستوى الذري،

فمعظم المساحة،

هي مساحة فارغة.

بإمكانك المرور خلالها مباشرة

إذا استطعت النزول إلى هذا المقياس.

إن هذه الصورة لذرة الهيليوم،

يقال أن هذه هنا هي واحد فمتومتر.

صحيح؟

واحد فمتومتر.

إن هذا مقياس النواة

لذرة الهيليوم، صحيح؟

واحد فمتومتر.

وهذا واحد أنجستروم، صحيح؟

ويقال أنها تساوي 100000 فيمومتر.

ولتستطيع تخيل المقياس، فإن وحدة أنجستروم واحدة تساوي

1 في 10 في المقياس السالب 10 مترات، صحيح؟

إذاً فتكون الذرة بالكاد على مقياس الأنجستروم.

وفي حالة الهيليوم، فتكون النواة

كسر أصغر من ذلك.

فهي 1/100000.

فدعنا نقول أن لديك هيليوم سائل،

وسيكون هذا بارد جداً.

إذا نظرت إلى هذا، تجد أن معظم مساحة فارغة.

إذا نظرت إلى قضيب من الحديد، تجد

أن الغالبية العظمى منه والجزء الكبير منه يكون كله كله كله مساحة فارغة.

ونحن لم نتحدث حتى عن، ربما يكون هناك

جزء من المساحة الفارغة داخل النواة، ويمكننا

أن نتحدث عنه في المستقبل.

ولكن أكاد أجنّ لأن معظم الأشياء

التي ننظر لها لا تكون فعلاً صلبة.

فهي مجرد مساحات فارغة، ولكنها تبدو صلبة

بسبب طريقة انعكاس الضوء عليها

أو القوى الأخرى التي تتنافر معنا.

ولكن في الحقيقة ليس هناك أي شيء تستطيع لمسه.

فمعظم هذا كله مساحة فارغة.

أعتقد أني قلت كلمة مساحة فارغة كثيراً،

وأعتقد أنني يجب

أن أترك بقية الأشياء الأكثر إدهاشاً لمقطع الفيديو القادم.