ما هي نواة الذرة؟ شرح مبسط لبنية الذرة الأساسية

 الذرة هي الوحدة الأساسية التي تتكون منها جميع المواد في الكون، وفهم بنيتها أمر أساسي لفهم العالم من حولنا. من أهم مكونات الذرة هي نواة الذرة، وهي مركز الذرة الذي يحمل معظم كتلتها ويؤثر بشكل مباشر في خصائصها الكيميائية والفيزيائية. في هذه المقالة، سنتناول تعريف نواة الذرة، مكوناتها، كيف تم اكتشافها، وأهميتها في العلوم الحديثة، مع شرح مبسط لجوانبها الأساسية.

تعريف نواة الذرة

نواة الذرة هي الجزء المركزي الصغير والكثيف داخل الذرة، وتتكون بشكل رئيسي من جسيمات صغيرة تُسمى البروتونات والنيوترونات. على الرغم من صغر حجمها، فإنها تحتوي على تقريبًا كل كتلة الذرة، حيث تشكل أكثر من 99.9% من كتلتها. النواة تحمل شحنة كهربائية موجبة بسبب وجود البروتونات، مما يجعلها مركز الجذب للإلكترونات سالبة الشحنة التي تدور حولها.

مكونات نواة الذرة

البروتونات

البروتون هو جسيم دون ذري يحمل شحنة كهربائية موجبة واحدة (+1). عدد البروتونات في نواة الذرة هو ما يحدد العنصر الكيميائي الذي تمثله الذرة. على سبيل المثال، ذرة الهيدروجين تحتوي على بروتون واحد، وذرة الكربون تحتوي على 6 بروتونات، بينما ذرة الأكسجين تحتوي على 8 بروتونات. هذا العدد يُعرف بالعدد الذري ويرمز له بـ (Z).

النيوترونات

النيوترون هو جسيم دون ذري آخر موجود في النواة، لكنه مختلف عن البروتون في أنه لا يحمل شحنة كهربائية (شحنته متعادلة). وظيفة النيوترونات الأساسية هي الحفاظ على استقرار النواة عن طريق التخفيف من قوى التنافر بين البروتونات الموجبة الشحنة. عدد النيوترونات في النواة يمكن أن يختلف بين الذرات من نفس العنصر، وهذا الاختلاف يُسمى النظائر.

حجم النواة مقارنة بحجم الذرة

رغم أن نواة الذرة تشكل معظم كتلة الذرة، إلا أن حجمها صغير للغاية مقارنة بحجم الذرة. إذا اعتبرنا الذرة بحجم كرة كبيرة، فإن النواة ستكون بحجم حبة رمل صغيرة تقع في مركز هذه الكرة. هذا الفرق الكبير في الحجم يوضح أن الذرة هي في أغلبها فراغ، حيث تدور الإلكترونات في مدارات تحيط بالنواة.

كيف تم اكتشاف نواة الذرة؟

قبل اكتشاف النواة، كان النموذج السائد للذرة هو نموذج "البودينغ" (الطبق الزبادي) الذي اقترحه جوزيف جون طومسون، والذي تصور الذرة كمادة موجبة الشحنة تحتوي على إلكترونات سالبة موزعة بداخلها.

لكن في عام 1911، أجرى العالم إرنست رذرفورد تجربة شهيرة أثبتت أن هذا النموذج غير صحيح. في تجربته، أطلق رذرفورد جسيمات ألفا (وهي جسيمات موجبة الشحنة) على رقيقة رقيقة من الذهب، وراقب كيف تتشتت هذه الجسيمات.

كانت النتائج مذهلة، حيث أن معظم الجسيمات مرت عبر الرقيقة دون انحراف، لكن بعضها ارتد بزاوية كبيرة، وبعضها حتى ارتد للخلف. هذا أثبت أن معظم الذرة فراغ، مع وجود مركز صغير كثيف موجب الشحنة - وهو ما أطلق عليه "نواة الذرة".

القوى التي تحافظ على تماسك النواة

النواة تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة، وهذه البروتونات يجب أن تتنافر كهربائيًا بسبب نفس الشحنة. إذًا، ما الذي يجعل النواة متماسكة ولا تنهار؟

الجواب هو القوة النووية الشديدة، وهي قوة أساسية في الطبيعة تعمل بين البروتونات والنيوترونات على مسافات صغيرة جدًا داخل النواة، وتغلب على التنافر الكهربائي بين البروتونات. هذه القوة هي التي تمنع النواة من التفكك وتبقيها متماسكة.

أهمية النواة في الكيمياء والفيزياء

• تحديد هوية العنصر: عدد البروتونات في النواة هو ما يحدد نوع العنصر الكيميائي. مثلاً، كل ذرات الهيدروجين تحتوي على بروتون واحد في نواتها، وكل ذرات الكربون تحتوي على 6 بروتونات.

• النظائر: تختلف النظائر في عدد النيوترونات فقط، مما يؤثر على استقرار النواة وخصائصها الإشعاعية، وهذا الأمر مهم في تطبيقات عديدة مثل الطب النووي والطاقة النووية.

• التفاعلات النووية: التفاعلات التي تحدث في النواة مثل الانشطار النووي والاندماج النووي هي مصدر طاقة هائلة تُستخدم في محطات الطاقة النووية والأسلحة النووية.

التفاعلات النووية في النواة

الانشطار النووي

هو انقسام نواة كبيرة إلى نواتين أصغر، يصاحب ذلك إطلاق كمية كبيرة من الطاقة وجسيمات نووية. تُستخدم هذه العملية في محطات الطاقة النووية لتوليد الكهرباء.

الاندماج النووي

هو اتحاد نواتين خفيفتين لتكوين نواة أثقل، ويصاحب ذلك إطلاق طاقة هائلة أكبر من الانشطار. هذه العملية هي التي تُنتج الطاقة في الشمس والنجوم.

التطبيقات العملية لفهم نواة الذرة

• الطاقة النووية: استخدام الانشطار والاندماج لإنتاج الطاقة.

• الطب النووي: استخدام النظائر المشعة في التشخيص والعلاج.

• علم المواد: دراسة النواة يساعد في فهم خصائص المواد على المستوى الذري.

• البحث العلمي: فهم فيزياء النواة يدفعنا لاستكشاف أساسيات الكون والذرة.

الخاتمة

نواة الذرة هي أساس بنية المادة في الكون، وهي مركز الذرة الذي يحتوي على البروتونات والنيوترونات. على الرغم من حجمها الصغير جدًا مقارنة بحجم الذرة، إلا أن تأثيرها كبير جدًا في تحديد خصائص الذرات والتفاعلات التي تحدث داخلها. اكتشاف النواة كان نقطة تحول في العلوم، وما زال فهمها يفتح آفاقًا جديدة في الفيزياء، الكيمياء، والطب والتكنولوجيا.