موسوعة الكيمياء : البروتون والعدد الذرى

البروتون والعدد الذرى

تم اكتشاف البروتون في عام 1919 من قبل إرنست رذرفورد. فقد لاحظ أنه عندما يتم قذف جسيمات ألفا خلال غاز النيتروجين، فإن مبينات الومضات بينت وجود نواة الهيدروجين. وقد حدد راذرفورد أن المكان الوحيد الذي يمكن أن يأتي منه الهيدروجين هو النيتروجين، وعلى هذا فإن النيتروجين لابد أنه يحتوى على نويات الهيدروجين. وقد إقترح أن نويات الهيدروجين والتي كان لها عدد ذرى يساوى 1، هي عنصر أساسي، وسماها بروتون، من الكلمة الإغريقية بروتوس والتي تعنى الأول.

في فيزياء الجسيمات البروتون (كلمة بروتون تعني الأول بالإغريقية) وكان يظن في بادئ الأمر أنه جسيم أولي (لا يتكون من جسيمات أصغر) ولكن تبين فيما بعد خطأ هذا الزعم، والبروتون من مكونات الذرة وله شحنة كهربية موجبة مقدارها 1.6 × 10−19 كولوم، تعادل تماما الشحنة التي يحملها الإلكترون إلا أن الإلكترون شحنته سالبة، وكتلة البروتون مقدارها : 1.672621637 × 10−27  كيلوجرام، أو ما يقارب 1800 ضعف كتلة الإلكترون. ونظرا لصغر كتلة البروتون بالكيلوجرام عدد صغير جدا يصعب حفظه عن ظهر قلب يستعمل الفيزيائيون وحدة MeV للتعبير عن كتلة الإلكترون وهذه تعادل 938 MeV.

تدل النتائج التجريبية أن البروتون جسيم مستقر، والحد الأدنى لفترة عمر النصف له 1035 سنة، بالرغم من أن بعض النظريات تنبأت بأن البروتون يمكن أن يتحلل.

تعتبر نواة النظير الأكثر شهرة لذرة الهيدروجين عبارة عن بروتون مفرد. ونويات العناصر الأخرى عبارة عن بروتونات ونيوترونات موجودة معاً عن طريق القوة النووية. ويكون عدد البروتونات الموجودة في النواة هي المسئولة عن الخواص الكيميائية للذرة وتعريف هذا العنصر الكيميائي.

يتم تصنيف البروتونات على أنها باريون وتتكون من 2 كوارك أعلى و 1 كوارك أسفل، ويوجدوا معا أيضاً عن طريق القوة النووية، بالتداخل مع الجلون. ومعاكس المادة للبروتون هو نقيض البروتون والذي له نفس قدر شحنة البروتون ولكن بشحنة معاكسة.

ونظرا لأن القوة الكهرومغناطيسية أكبر من قوى الجذب فإن شحنة البروتون يجب أن تكون مساوية في المقدار ومعاكسة في الشحنة للإلكترون وإلا فإن الفرق بين الشحنتين سيؤدى إلى تمدد له تأثير كبير على الكون، وأى جسم له قوة جذب (الكواكب والنجوم).

يرجع مصطلح البروتون في الكيمياء والكيمياء الحيوية إلى أيون الهيدروجين H+. وفى هذا السياق تكون المادة المعطاة للبروتون حمضية والمادة المتقبلة للبروتون قلوية (راجع نظرية تفاعل الأحماض مع القلويات.)

نقيض البروتون

وضع خرق تناظر الشحنة السوية والزمن قيودا صارمة على الخواص النسبية للجسيمات ونقيضاتها، ولذلك فإنه خاضع لاختبارات صارمة. على سبيل المثال، ينبغي أن يكون إجمالي شحنتي البروتون ونقيض البروتون صفرا تماما. لقد تم فحص هذه المساواة بدقة جزء في 108. كذلك تم اختبار تساوي كتلتيهما بدقة أفضل من جزء من 108. عند حبس مضادات البروتونات، في مصيدة بيننغ، أمكن اختبار تساوي نسبتي الشحنة إلى الكتلة للبروتون والإلكترون بدقة جزء في (6×109). أظهر قياس العزم المغنطيسي لمضاد البروتون خطأ مقداره 8×10−3 مغنطون بور نووي، ووجد أنه مساو ومضاد لتلك القيمة في البروتون

العدد الذرى

في علم الكيمياء يعرف عدد البروتونات داخل نواة الذرة على أنه العدد الذري، والذي يحدد العنصر الكيميائي الذي تنتمي إليه الذرة. على سبيل المثال فإن العدد الذري للكلور يكون 17، وهذا يعني أن كل ذرة كلور تحوي 17 بروتون وأن جميع الذرات المتألفة من 17 بروتون هي ذرات كلور. يتم تعيين الخواص الكيميائية للذرة من جهة أخرى بعدد الكتروناتها (لها شحنة سالبة) والتي يفترض أنها مكافئة لعدد البروتونات (ذات شحنة موجبة) في الذرات المتعادلة بحيث تصبح إجمالي شحنتها صفرا. على سبيل المثال تحتوي ذرة الكلور المتعادلة على 17 الكترون و17 بروتون بينما ذرة الكلور السالبة، Cl-، بها 17 بروتون و18 الكترون لتشكل صافي شحنة قدرها -1 شحنة إلكترون.

الهيدروجين كبروتون

لما كان العدد الذري لعنصر الهيدروجين هو 1، فإن أيون الهيدروجين الموجب (H+) يحوي على بروتون واحد ولايحوي أي إلكترونات ولذا فإن بعض النصوص قد تشير إلى عبارة بروتون كتعبير عن أيون الهيدروجين

الجدول الدورى مبينا العدد الذرى اضغط على الصورة للتكبير

وهومصطلح يستخدم في الكيمياء والفيزياء ليمثل عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة. في الذرة المتعادلة الشحنة، يكون عدد الإلكترونات مساو للرقم الذري.

و يمثل الرقم الذري عدد العناصر الموجودة في الجدول الدوري. حينما قام مندليف بترتيب العناصرالكيميائية المعروفة طبقا لتماثلها في الخواص الكيميائية لوحظ أن ترتيبها طبقا للكتلة الذرية قد أدى لحدوث بعض الاختلافات. اليود والتيلوريم، لو تم ترتيبه طبقا للكتلة الذرية فسيكون مكانهم خطأ، ولكن عند ترتيبهم طبقا للرقم الذري أدى ذلك لتطابق خواصهم الكيميائية مع الترتيب. وقد لوحظ أن رقم الكتلة يتناسب تقريبا مع كتلة الذرة، ولكن ظهور بعض الاختلافات قد عكس وجود ارتباط لبعض الخواص الأخرى غير الكتلة.

و قد تم تفسير هذا الانحراف أخيرا بواسطة هنري موزلي في عام 1913. فقد اكتشف موزلي علاقة واضحة بين حيود أشعة إكس لطيف العناصر والمكان الصحيح لهذه العناصر في الجدول الدوري. وقد تم لاحقا توضيح أن الرقم الذري يطابق الشحنة الكهربية في النواة أي بمعنى آخر عدد البروتونات. وهي الشحنة التي تعطي العناصر خواصها الكيميائية، وليس الكتلة الذرية.

الرقم الذري يتناسب إلى حد كبير مع عدد الكتلة (و يجب عدم الخلط بينهما) والذي يمثل عدد البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة. عدد الكتلة غالبا ما يأتي بعد اسم العنصر، فمثلا كربون-14 (والذي يستخدم لحساب الزمن بالكربون).

الخواص الكيميائية

لكل عنصر مجموعة من الخواص الكيميائية التي تعتمد على عدد الالكترونات المتواجدة في الذرة المتعادلة، ويرمز له Z. ويتبع ترتيب هذه الالكترونات مبادئ ميكانيك الكم. ويمثل عدد الالكترونات في كل مدار الكتروني للعنصر وخصوصاً المدار الخارجي، العامل الرئيسي في تحديد سلوك التآصر لذلك العنصر. لذا فإن العدد الذري هو الوحيد الذي يحدد الخواص الكيميائية للعنصر، ولهذا السبب يمكن تعريف العنصر بأنه يحوي على أي مزيج من الذرات لها عدد ذري معين.

عناصر جديدة

يتم الاعتماد على الأعداد الذرية عند التقصي عن عناصر جديدة، ففي عام 2010 تم تعيين الأعداد الذرية 1 إلى 118. وتتم عملية إنتاج عناصر جديدة عن طريق قصف ذرات العناصر الثقيلة بالأيونات، كأن يكون حاصل جمع العدد الذري للعنصر والأيون مساوياً للعدد الذري للعنصر الجديد. وبشكل عام فإن عمر النصف يصبح أقصر بزيادة العدد الذري، لذا فقد تتواجد جزيرة الثبات لنظائر غير مكتشفة لأعداد معينة من البروتونات والنيوترونات.