البروتون موقعه في الذرة وهل يحدد خصائص العنصر؟

موقع البروتون في الذرة

تقع البروتونات ذات الشحنات الموجبة داخل أنوية الذرّات، وتبقى هذه البروتونات في وضع استقرار داخل النواة، ولا بدّ لكل ذرة أن تحتوي على بروتون واحد كأقل تقدير،^[١] ومثال ذلك؛ يحتوي الكربون على 6 بروتونات، بينما تحتوي ذرة الهيدروجين على بروتون واحد فقط، أما ذرة الهيليوم فتحتوي على بروتونين، وهكذا لباقي عناصر الجدول الدوري.^[٢]

هل توجد علاقة بين موقع البروتون وخصائص العنصر؟

يعد البروتون أحد مكوّنات الذرة التي لها دور مهم وأساسي في تحديد بعض خصائص العناصر المختلفة، وفيما يأتي شرح لأهم الخصائص التي يلعب عدد البروتونات دورًا كبيرًا في تحديدها:

تأثير عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات على العدد الذري

تنقسم مكونات نواة الذرة إلى؛ بروتونات ونيوترونات، وعلى الرغم من التقارب الشديد بين هذين المكوّنين في الأحجام إلا أنّ البروتون هو الوحيد المسؤول عن تحديد شحنة النواة؛ وذلك لأن النيوترون بطبيعته متعادل وليس له أي شحنة كهربائية فيُسهِم فقط في زيادة كتلة النواة، وحتى تكون الذرة متعادلة لا بدّ من تساوي شحنة البروتون مع شحنة الإلكترون.^[٣]

ومن أهم الأمور المرتبطة بعدد البروتونات في الذرة هو العدد الذريّ (بالإنجليزية: Atomic number) ويُرمز له عادة بالرمز (Z)، إذ يلعب العدد الذريّ للعنصر دورًا هامًا في إعطائه خصائص مميّزة كيميائية أو فيزيائية، والعدد الذري يعد هوية للعناصر المختلفة، إذ تكفي معرفة هذا العدد لتحديد العنصر، ولا يمكن أن يتشابه العدد الذري لعنصرين كيميائيين مختلفين إطلاقًا، أما بالنسبة لمفهوم العدد الكتلي (بالإنجليزية: Mass number) ويُرمز له عادة بالرمز (A)، فهو عبارة عن مجموع عدد البروتونات مع عدد النيوترونات في نواة الذرة الواحدة.^[٣]

ملاحظات:^[٤]

• يتم كتابة العدد الذريّ (Z) تحت العنصر في الجدول الدوري أما العدد الكتلي (A) فيتم كتابته أعلاه.
• العدد الذري= عدد البروتونات أو عدد الإلكترونات، وبالرموز: Z= p, e،حيث إنّ:
  • Z: يمثل العدد الذري
  • p: يمثّل عدد البروتونات
  • e: يمثل عدد الإلكترونات
• العدد الكتلي= عدد البروتونات + عدد النيوترونات، وبالرموز: A= p + n، حيث إنّ:
  • A: يمثّل العدد الكتلي.
  • n: يمثّل عدد النيوترونات.

العلاقة بين عدد البروتونات والنيوترونات والنظائر

يتم تحديد موقع العنصر الكيميائي في الجدول الدوري من خلال معرفة عدده الذري المتمثّل بعدد البروتونات في نواة الذرة (يساوي عدد الإلكترونات) والذي تمّ الاتفاق على أّنه الهوية التي تميّز العنصر، إلا أنّ العنصر ذاته قد يحمل أعدادًا مختلفة من النيوترونات أحيانًا، فمثلًا يتواجد الكربون بعدد نيوترونات يساوي 6 أو 7 أو 8 وهذا ما أضاف مفهومًا جديدًا في علم الكيمياء يُسمى النظائر.^[٥]

إذًا، فالنظائر هي عناصر تتواجد بعدّة أشكال وقد تكون مشعة أو مستقرّة، جميعها تملك نفس العدد من البروتونات (أعداد ذرية متساوية) ولكنّها تختلف في عدد النيوترونات (تختلف في الأعداد الكتلية) وفيما يأتي مثال يوضّح نظيرين من نظائر عنصر اليود التي يصل عددها في الطبيعة إلى 23 نظيراً، مع ذكر تفاصيل أعداد البروتونات والنيوترونات لكل منهما:^[٣]

• نظير اليود I-127: يتكوّن من 53 بروتوناً و74 نيوترون، مجموعهما= 127، وهو العدد الكتلي.
• نظير اليود I-131: يتكوّن من 53 بروتوناً 78 نيوترون، مجموعهما= 131، وهو العدد الكتلي.

من خلال المثال السابق، يتم ملاحظة تساوي أعداد البروتونات واختلاف أعداد النيوترونات والتي ينتج عنها الاختلاف في الأعداد الكتلية لنظائر العنصر الكيميائي الواحد.

العلاقة بين عدد البروتونات والنيوترونات والإشعاع أو الاستقرار الذري

يعتمد إطلاق أو إشعاع الطاقة من العناصر على مستوى الاستقرار النووي للعنصر والذي تنقسم أنوية العناصر بناءً عليه إلى ثلاثة أقسام أساسية:^[٣]

• أنوية العناصر غير المشعة والمستقرة تمامًا: تكون نواة هذه العناصر في حالة استقرار بحيث لا يطرأ عليها أي نوع من التغيير دون تأثيرات خارجيّة، ولا تُحدِث أي إشعاعات من غير مُسبّب.
• أنوية العناصر المشعة شبه المستقرّة: تكون أنوية هذه العناصر مستقرة إلى حدّ ما، إلا أنّها تميل لأن تصبح أكثر استقرارًا من خلال إشعاع الطاقة ويحدث هذا بعد مرور زمن كافٍ، وبعد الإشعاع إمّا أن تصبح من النوع غير المشع والمستقر تمامًا أو أنّها تصبح مستقرة بدرجة أكبر مما كانت عليه فقط ولكنها مهيّئة للإشعاع مرةً أخرى.
• أنوية العناصر المشعة غير المستقرّة: أنوية غير سليمة للعناصر التي تُشع طاقة بشكل دائم ومستمر؛ حيث إنّها غير مستقرة إطلاقًا ولا يمكن أن تستقر وتكون عبارة عن أنوية تتكوّن من مزيج افتراضي من البروتونات والنيوترونات.

وبالنسبة للاستقرار النووي فإنّ واحدًا من أهم العوامل التي تحدّده هو مقدار القوى الداخلية الموجودة في أنوية الذرّات مثل؛ قوى التنافر بين البروتونات الموجبة (جميعها تتشابه في الشحنة فتتنافر) وقوى التجاذب بين الجسيمات الصغيرة الموجودة داخل النواة، كما تؤثر النسبة بين عدد البروتونات إلى عدد النيوترونات داخل النواة الواحدة على تحديد مدى الاستقرار، حيث إنّ النواة الأكثر استقرارًا تكون فيها هذه النسبة مساوية لـ 1: 1 أو قريبة منها.^[٣]

العلاقة بين عدد البروتونات والخواص الكيميائية لذرة العنصر

في الذرات المستقرة لا بدّ من توافر شرط أساسي وهو تساوي عدد البروتونات مع عدد الإلكترونات، تتواجد البروتونات في النواة وتستقر فيها، بينما تدور الإلكترونات حول هذه النواة في مدارات خاصة يُطلق عليها اسم مستويات الطاقة، وفي التفاعلات الكيميائية يتم تحرّك الإلكترونات فقط بعمليات تؤدي إلى فقدها أو اكتسابها، ويعتمد ذلك على عدد الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي أو مستوى الطاقة الأخير حول النواة (إلكترونات التكافؤ)، وتُقسم الذرات بناء على ذلك إلى عدّة أقسام وهي:^[٦]

• الميل إلى تكوين أيونات موجبة الشحنة: وذلك عندما يكون عدد إلكترونات المدار الأخير (إلكترونات التكافؤ) بين (1-3).
• الميل إلى تكوين أيونات سالبة الشحنة: وذلك عندما يكون عدد إلكترونات المدار الأخير بين (5-7).
• الميل إلى تكوين الروابط التساهمية: وذلك عندما يكون عدد إلكترونات المدار الأخير مساويًا لـ 4 إلكترونات.

ما هو البروتون؟

البروتون (بالإنجليزية: Proton)، هو أحد أجزاء الذرّة، يتميّز بشحنته الكهربائية الموجبة (+) المكافئة لمقدار شحنة الإلكترون في الذرات المستقرة، إلا أنّ كتلته أكبر من كتلة الإلكترون بحوالي 1,836 مرّة، حيث تبلغ كتلة البروتون 1.67262* 10^-27 كيلو غرام،^[٧] وهذا يعادل تقريبًا وحدة كتلة ذرية واحدة،^[٨] ويعود أصل تسمية البروتون بهذا الاسم إلى اليونان، حيث يعني هذا اللفظ (أولًا)، وقد تّم استخدامه للتعبير عن نواة الهيدروجين عام 1920م.^[٩]

ويعد عدد البروتونات سمة مميزة للعناصر الكيميائية، إذ إنّ لكل عنصر عدد محدد من البروتونات داخل أنوية ذرّاته، ويستخدم هذا العدد في معرفة العدد الذرّي للعناصر، كما يتم تحديد فيما إذا كانت ذرات العناصر متعادلة من خلال معرفة عدد البروتونات ومقارنته مع عدد الإلكترونات التي تدور حول الأنوية في الذرات، وفي حال تساوى عدد البروتونات مع عدد الإلكترونات تكون الذرات متعادلة.^[٧]

كيف تمّ اكتشاف البروتون؟

تم اكتشاف البروتون لأول مرة على يد العالم الكيميائي رذرفورد (Rutherford) خلال عمله على تجربة رقائق الذهب الشهيرة في عام 1909 م، حيث قام رذرفورد بتسليط مجموعة من جسيمات ألفا نحو رقاقة من الذهب متناهية الصغر في سماكتها والمحاطة بشاشة مصنوعة من مادة كبريتيد الزنك (ZnS)، فلاحظ رذرفورد بأنّ جسيمات ألفا قد تناثرت على تلك الشاشة، وقام بعد ذلك بتلخيص نتائج تجربته للحصول على استنتاجات حولها والتي قدّم من خلالها تصوّرًا واضحًا مجدّدًا لأنوية ذرات العناصر المختلفة، وكانت كما يأتي:^[١٠]

• تنحصر كتلة الذرة في النواة، وتتكوّن النواة من جسيمات تحت ذريّة موجبة الشحنة أُطلق عليها بروتونات.
• تحتوي الذرة على فراغ كبير يُشكّل معظم حجمها.
• في الذرة المستقرّة، تتساوى عدد الإلكترونات السالبة الموجودة حول النواة مع عدد البروتونات الموجبة الموجودة داخلها.

المراجع

1. ↑ "The Locations of Protons, Neutrons, & Electrons Within an Atomic Structure", seattlepi, Retrieved 13/6/2021. Edited.
2. ↑ "Atomic Numbers", angelo, Retrieved 13/6/2021. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت ث ج} "Characteristics and Structure of Matter", sprawls, Retrieved 13/6/2021. Edited.
4. ↑ "Atomic Structure", chem.uiuc, Retrieved 13/6/2021. Edited.
5. ↑ "DOE Explains...Isotopes", energy, Retrieved 13/6/2021. Edited.
6. ↑ "How do protons determine the properties of an atom?", socratic, Retrieved 13/6/2021. Edited.
7. ^ ^{أ ب} "Proton", britannica, Retrieved 13/6/2021. Edited.
8. ↑ "4.4: The Properties of Protons, Neutrons, and Electrons", libretexts, Retrieved 13/6/2021. Edited.
9. ↑ "Proton Definition - Chemistry Glossary", thoughtco, Retrieved 13/6/2021. Edited.
10. ↑ "Structure of atom: Discovery of electrons, protons and neutrons", padakshep, Retrieved 13/6/2021. Edited.