كيمياء شرح بالفيديو الباب الأول أشعة المهبط و ذرة طومسون ورذرفورد

العناصر

رأى العلماء قديماً وحديثاً عن الذرة:-

[1] الذرة عند فلاسفة الإغريق:- لا يمكن تجزئتها أو تقسيمها.

[2] رأى أرسطو:-

1- رفض فكرة الذرة.

2- تبنى فكرة أن كل المواد تتكون من مكونات أربعة هى:-

(أ) الماء. (ب) الهواء

(ج) التراب. (د) النار

• ولذلك اعتقد العلماء أنه يمكن تحويل المواد الرخيصة (مثل الحديد
أو النحاس) إلى مواد نفيسة (مثل الذهب) بتغير نسب المكونات الأربعة.

[3] رأى بويل:-

1- رفض مفهوم أرسطو. 2- وضع أول تعريف للعنصر.

العنصر:-

مادة نقية بسيطة لا يمكن تحليلها إلى ما هو أبسط منها بالطرق الكيميائية المعروفة

[4] ذرة دالتون:-

مصمتة متناهية فى الصغر وغير قابلة للتجزئة.

وضع دالتون أول نظرية عن تركيب الذرة بناء على العديد من التجارب والأبحاث التى أجراها.

فروض النظرية الذرية لدالتون:-

1- المادة تتكون من دقائق تسمى الذرات.

2- الذرات مصمتة متناهية فى الصغر غير قابلة للتجزئة.

3- ذرات العنصر الواحد متشابهة.

4- الذرات تختلف من عنصر إلى آخر.

[5] ذرة طومسون:-

اكتشاف أشعة المهبط (الإلكترونات):- (عام1897)

• جميع الغازات تحت الظروف العادية من الضغط ودرجة الحرارة عازلة للكهرباء.

• أجرى طومسون تجارب على التفريغ الكهربى خلال الغازات داخل أنبوبة زجاجية كما بالرسم فوجد أن:-

1- إذا فرغت الأنبوبة من الغاز بحيث يصبح ضغط الغاز أقل من 0.01 حتى
0.001 مم زئبق فإن الغاز يصبح موصلاً للكهرباء إذا تعرض لفرق جهد مناسب.

2- إذا زيد فرق الجهد بين القطبين إلى حوالى 10000 فولت (عشرة آلاف
فولت) يلاحظ انطلاق سيل من الأشعة غير المنظورة من المهبط تسبب وميضاً
لجدار أنبوبة التفريغ سميت هذه الأشعة بأشعة المهبط.

خواص أشعة المهبط:-

1- تتكون من دقائق مادية صغيرة.

2- تسير فى خطوط مستقيمة.

3- لها تأثير حرارى.

4- تتأثر بكل من المجالين الكهربى والمغناطيسى.

5- سالبة الشحنة.

6- لا تختلف فى سلوكها أو طبيعتها باختلاف مادة المهبط أو نوع الغاز مما يدل على أنه تدخل فى تركيب جميع المواد.

أشعة المهبط:

سيل من الأشعة غير المنظورة تنتج من المهبط وتسبب وميضاً لجدار أنبوبة التفريغ

من هذه التجارب قدم العالم طومسون نظريته عن الذرة

الذرة عند طومسون:

عبارة عن كرة متجانسة من الكهرباء الموجبة مطمور بها عدد من الإلكترونات السالبة لجعل الذرة متعادلة كهربياً.

[6] ذرة رذرفورد:-

تجربة رذرفورد

أجراها العالمان جيجر وماريسدن بناء على اقتراح رذرفورد

الجهاز المستخدم يتكون من:-

1- لوح معدنى مغطى بكبريتيد الخارصين (كبريتيد الخارصين يعطى وميضاً عند سقوط جسيمات ألفا عليه).

2- مصدر لجسيمات ألفا.

3- شريحة رقيقة من الذهب.



خطوات التجربة:-

(1) سمح لجسيمات ألفا أن تصطدم باللوح المعدنى المبطن بطبقة كبريتيد الخارصين.

(2) تم تحديد مكان وعدد جسيمات ألفا المصطدمة باللوح من الومضات.

(3) تم وضع صفيحة رقيقة جداً من الذهب (10 –4 : 10 –5 سم) لتعترض مسار جسيمات ألفا قبل اصطدامها باللوح.


المشاهدة الاستنتاج

(1) معظمها ظهر أثرها فى نفس المكان الأول الذى ظهرت فيه قبل وضع
صفيحة الذهب. (1) معظم الذرة فراغ وليست كرة مصمتة (كما فى ذرة دالتون
وطومسون).

(2) نسبة قليلة منها ارتدت فى عكس مسارها ولم تنفذ من غلالة الذهب
ولذلك ظهرت بعض ومضات على الجانب الآخر من اللوح. (2) يوجد بالذرة جزء
كثافته كبيرة ويشغل حيز صغير جداً هو النواة.

(3) ظهرت بعض ومضات على جانبى الموضع الأول. (3) شحنة النواة موجبة مثل شحنة جسيمات ألفا لذا تنافرت معه.

من التجربة السابقة وتجارب أخرى تمكن رذرفورد من وضع النموذج التالى:-


نموذج ذرة رذرفورد:-

(1) الذرة:-

معقدة التركيب تشبه المجموعة الشمسية؛ تتركب من نواة مركزية (مثل الشمس) تدور حولها الإلكترونات (مثل الكواكب).

(2) النواة:-

• أصغر كثيراً من الذرة.

• توجد مسافات شاسعة بين النواة وبين المدارات الإلكترونية (الذرة غير مصمتة)

• تتركز فى النواة الشحنة الموجبة.

• تتركز فى النواة معظم كتلة الذرة لإهمال كتلة الإلكترونات.

(3) الإلكترونات:-

• سالبة الشحنة.

• كتلتها ضئيلة بالنسبة لكتلة النواة.

• الشحنة السالبة لجميع الإلكترونات فى الذرة تساوى الشحنة الموجبة فى النواة (الذرة متعادلة كهربياً).

• تدور الإلكترونات حول النواة بسرعة كبيرة فى مدارات خاصة رغم قوى الجذب بينها وبين النواة.

• تخضع الإلكترونات فى دورانها حول النواة إلى قوتين متبادلتين متساويتين مقداراً ومتضادتين اتجاهاً هما:-

(أ‌) قوة جذب النواة الموجبة للإلكترونات.

(ب‌) قوة طرد مركزية ناشئة عن دوران الإلكترون حول النواة.

التعارض بين نظرية رذرفورد ونظرية ماكسويل:

تعارض تصور رذرفورد للتركيب الذرى مع نظرية ماكسويل التى تنطبق على
الأجسام الكبيرة والقائمة على قوانين ميكانيكا نيوتن (الميكانيكا
الكلاسكية).

نظرية ماكسويل:-

إذا تحرك جسم مشحون بشحنة كهربية فى مدار دائرى فإنه يفقد جزء من
طاقته تدريجياً بانبعاث إشعاعات فيقل نصف قطر المدار تبعاً لنقص طاقته.

بتطبيق نظرية ماكسويل على حركة الإلكترون فى ذرة رذرفورد:-

فإن الإلكترون يكون فى حالة إشعاع مستمر ويقل نصف قطر مداره وتقل
سرعته تدريجيا ويدور فى مدار حلزونى حتى يسقط فى النواة وينتهى النظام
الذرى وهذا يخالف الحقيقة.








[7] ذرة بور:-

دراسة الطيف الذرى وتفسيره ساعد فى حل لغز التركيب الذرى وقد استحق ”بور“ عليه جائزة نوبل.

طيف الانبعاث للذرات:-

تعريف طيف الانبعاث:

عبارة عن ضوء عند فحصه بالمطياف نجده مكونا من عدد محدود من الخطوط الملونة.

الحصول على طيف الانبعاث (الطيف الخطى):

يتم الحصول عليه بتسخين الغازات أو أبخرة المواد تحت ضغط منخفض إلى درجات حرارة عالية أو بإمرار شرارة كهربية.

خصائصه:

الطيف الخطى مميز لنوع العنصر مثل بصمة الإصبع حيث يختلف طوله الموجى وتردده من عنصر إلى آخر فلا يوجد عنصران لهما نفس الطيف الخطى.

أهمية دراسة الطيف الانبعاث:

• بدراسة الطيف الخطى لأشعة الشمس وجود أنها تتكون أساساً من الهيليوم والهيدروجين.

• بدراسة طيف الانبعاث الخطى لذرات الهيدروجين تمكن بور من وضع نموذجه الذرى.

نموذج ذرة بور:-

• تمكن ”بور“ من تطوير نموذج ”رذرفورد“ ولم يعامل دوران الإلكترون
حول النواة بفروض الديناميكا الكلاسيكية لـ ”نيوتن“ كما فعل ”ماكسويل“.

فروض بور:-

[أ] استخدم بور بعض فروض رذرفورد:-

(1) النواة موجبة الشحنة توجد فى مركز الذرة.

(2) الذرة متعادلة كهربياً.

(3) أثناء دوران الإلكترون حول النواة يخضع لقوة جذب مركزية وقوة طرد مركزية.

[ب] وأضاف بور الفروض التالية:-

(4) تدور الإلكترونات حول النواة حركة سريعة دون أن تفقد أو تكتسب طاقة.

(5) تدور الإلكترونات حول النواة فى عدد من مستويات الطاقة المحددة والثابتة.

(6) الفراغ بين المستويات منطقة محرمة تماماً لدوران الإلكترونات.

(7) للإلكترون أثناء حركته حول النواة طاقة معينة تتوقف على بعد مستوى طاقته عن النواة.

( تزداد طاقة المستوى كلما زاد نصف قطره ويعبر عن طاقة كل مستوى بعدد صحيح يسمى عدد الكم الرئيسى.

(9) فى الحالة المستقرة يبقى الإلكترون فى أقل مستويات الطاقة المتاحة.

(10) إذا اكتسب الإلكترون قدراً معيناً من الطاقة ((يسمى كوانتم أو
كم)) بواسطة التسخين أو التفريغ الكهربى تصبح الذرة مثارة وينتقل الإلكترون
مؤقتاً إلى مستوى طاقة أعلى يتوقف على مقدار الكم المكتسب.

(11) الإلكترون فى المستوى الأعلى فى وضع غير مستقر فيعود إلى
مستواه الأصلى, ويفقد نفس الكم من الطاقة الذى اكتسبه على هيئة طيف خطى
مميز.

(12) تمتص كثير من الذرات كمات مختلفة من الطاقة فى نفس الوقت الذى
تشع فيه الكثير من الذرات كمات أخرى من الطاقة ولذلك تنتج خطوط طيفية تدل
على مستويات الطاقة التى تنتقل الإلكترونات خلالها. (تفسير خطوط طيف ذرة
الهيدروجين)

ملاحظات:-

(1) الكم ”الكوانتم“:-

هو مقدار الطاقة المكتسبة أو المنطلقة عندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة إلى مستوى طاقة آخر

(2) الفرق فى الطاقة بين المستويات ليس متساوياً فهو يقل كلما بعدنا
عن النواة وبذلك يكون الكم من الطاقة اللازم لنقل الإلكترون بين المستويات
المختلفة ليس متساوياً.

(3) لا يمكن للإلكترون أن يستقر فى أى مسافة بين مستويات الطاقة إنما يقفز قفزات محددة هى أماكن مستويات الطاقة.

مزايا نموذج بور

(1) تفسير طيف الهيدروجين تفسيراً صحيحاً.

(2) أدخلت نظرية بور فكرة الكم فى تحديد طاقة الإلكترونات فى مستويات الطاقة المختلفة لأول مرة.

(3) التوفيق بين رذرفورد وماكسويل حيث أثبت أن الإلكترونات أثناء
دورنها حول النواة فى الحالة المستقرة لا تشع طاقة وبالتالى لن تسقط فى
النواة.

عيوب نموذج بور:-

(1) فشل فى تفسير طيف أى عنصر آخر غير الهيدروجين حتى أنه لم يستطع تفسير طيف ذرة الهيليوم التى تحتوى على إلكترونين.

(2) اعتبر الإلكترون مجرد جسيم مادى سالب ولم يأخذ فى الاعتبار أن له خواصاً موجية.

(3) افترض أنه يمكن تعيين كل من مكان وسرعة الإلكترون بكل دقة فى
نفس الوقت وهذه يستحيل عملياً. لأن الجهاز المستخدم فى عملية رصد مكان
وسرعة الإلكترون سوف يغير من مكانه أو سرعته.

(4) بينت معادلات نظرية ”بور“ أن الإلكترون عبارة عن جسيم يتحرك فى
مدار دائرى مستو ٍ أى أن الذرة مسطحة، وقد ثبت أن الذرة لها الاتجاهات
الفراغية الثلاثة.

المصدر كايرو دار