فيزياء الذرة والأجزاء الأساسية

نماذج الذرة

• العنصر مادة لا يمكن تجزئتها إلى مواد أبسط، وتتكون من نوع واحد من الذرات.
• مثال: الحديد يتكون من ذرات الحديد فقط، والفضة من ذرات الفضة فقط.
• دالتون تصور الذرة ككرة مصمتة متجانسة.
• فرضيات دالتون:
  • المادة تتكون من ذرات.
  • الذرات لا تنقسم إلى أجزاء أصغر.
  • ذرات العنصر الواحد متشابهة تمامًا.
  • تختلف ذرات العناصر المختلفة عن بعضها.
• تجربة كروكس:
  • أنبوب زجاجي مفرغ تقريبًا.
  • قطعتين معدنيتين (قطبين) داخل الأنبوب (أنود وكاثود).
  • القطبين يُسمّى أحدهما أنود (بوشحنة موجبة) والآخر كاثود (بوشحنة سالبة).
  • تثبيت جسم في وسط الأنبوب.
  • توصيل الأنبوب بالبطارية.
  • توهّج الأنبوب بوهج أخضر اللون وظهر ظلّ الجسم على الطرف المقابل للمصعد.
  • استنتاج كروكس: التوهج الأخضر هو الأشعة المهبطية (أشعة الكاثود).
• طومسون تصور الذرة ككرة من الشحنات الموجبة تنتشر فيها إلكترونات سالبة الشحنة.
• الذرة متعادلة كهربائيًا؛ لأن عدد الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة.
• استنتاج طومسون: الأشعة المهبطية جسيمات سالبة الشحنة موجودة في كل المواد، وتنجذب نحو المصعد.

تجربة رذرفورد

• إطلاق جسيمات ألفا (موجبة الشحنة) على صفيحة رقيقة من الذهب.
• مشاهدة كيفية انعراج جسيمات ألفا.
• استنتاجات:
  • معظم حجم الذرة فراغ.
  • يوجد جزء صغير جدًّا مركز فيه معظم كتلة الذرة وشحنتها الموجبة، يُسمّى النواة.
  • جسيم موجبة الشحنة في النواة هو البروتون.
  • حجم الذرة فراغ يحتوي على الإلكترونات عديمة الكتلة تقريبًا.
• نموذج رذرفورد للذرة:
  • نواة صغيرة مركزية تحوي البروتونات والنيوترونات.
  • إلكترونات سالبة الشحنة تتحرك حول النواة في مدارات.
  • الذرة متعادلة كهربائيًا؛ لأن عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات.

النواة

• العدد الذري: عدد البروتونات في نواة العنصر. هو نفسه عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة.
• ذرة الهيدروجين تحتوي على بروتون واحد، واليورانيوم تحتوي على 92 بروتونًا.
• النظائر: ذرات للعنصر نفسه، ولكنّها تختلف في أعداد النيوترونات في نواتها. مثال: الكربون 12، الكربون 13، الكربون 14.
• العدد الكتلي: مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة.
• عدد النيوترونات = العدد الكتلي − العدد الذري.
• النيوترون: جسيم متعادل كهربائياً، كتلتها مساوية تقريباً لكتلة البروتون.

القوة النووية الهائلة

• القوة النووية الهائلة: قوة رابطة كبيرة تحافظ على تماسك البروتونات في النواة، وتتغلب على قوى التنافر بين البروتونات.
• التحلل الإشعاعي: فقد الذرة غير المستقرة للجسيمات للوصول لحالة أكثر استقرارًا مع تحرير الطاقة.
• التحول: تغير عنصر إلى عنصر آخر عن طريق التحلل الإشعاعي. يختلف العدد الذري عند خروج البروتونات من النواة.
• الذرة المستقرة: عدد البروتونات يساوي عدد النيوترونات.
• الذرة غير المستقرة: يختلف عدد البروتونات عن عدد النيوترونات.
• جسيمات ألفا: 2 بروتون و 2 نيوترون (شحنتها +2).
• جسيمات بيتا: إلكترون عالي الطاقة (شحنتها −1).

عمر النصف للنظائر

• عمر النصف: الزمن اللازم لتحلل نصف كمية العنصر.
• عدد فترات عمر النصف = المدة الزمنية/فترة عمر النصف.
• الكتلة المتبقية = الكتلة في البداية/2 ^{(عدد فترات عمر النصف)}.

العناصر المصنعة

• العناصر المصنعة: عناصر من صنع الإنسان عبر قذف جسيمات ذرية (مثل جسيمات ألفا وبيتا) على العنصر المستهدف في المسارعات.

التأريخ الكربوني

• استخدام نظير الكربون 14 لتحديد عمر الحيوانات والنباتات والبشر الميتة.
• استخدام اختبار تحلل اليورانيوم لتحديد عمر الصخور، عن طريق تحلل اليورانيوم 238 إلى الرصاص 206 (عمر النصف 4.5 مليار سنة).

التخلص من النفايات المشعة

• يجب طمر النفايات المشعة بعمق 655 مترًا تحت الأرض.

استخدامات النظائر المشعة

• العناصر المتتبعة: نظائر عناصر مشعة متحولة من عناصر مستقرة، تُستخدم في تشخيص الأمراض ودراسة الظروف البيئية.
• تتبع إشعاعات النظائر المشعة باستخدام أجهزة تحليل خاصة.
• نظائر الأغراض الطبية لها عمر نصف قصير.
• مثال: اليود 131 لتشخيص الغدة الدرقية.

الاستعمالات الطبية والبيئية للنظائر المشعة

• استخدام اليود 131 لتشخيص الغدة الدرقية.
• استخدام تكنيتيوم 99 لتتبع العمليات الجسمية.
• استخدام الفوسفور 32 لتتبع امتصاص النباتات للفوسفور.
• استخدام النظائر المشعة في المبيدات الحشرية لمعرفة تأثيرها على النظام البيئي.
• قياس مصادر المياه وتعقبها باستخدام النظائر.