الدرس ١: تركيب المادة
انظر إلى الكأس التي تظنها فارغة؛ هي في الحقيقة مملوءة بالهواء، والهواء مخلوط من غازات كالنيتروجين والأكسجين، وهو مادة لأنه يشغل حيزاً وله كتلة رغم أنك لا تراه. أما الضوء الحرارة فلا يشغلان حيزاً وليس لهما كتلة، لذا فهما ليسا من المواد، وكذلك الإحساس والأفكار. انظر إلى الشكل ١ لترى قوس المطر والنبات والإناء النحاسي ومحفورات الكلمة، وحدد أي هذه الأشياء يعد مادة.
يقوم هذا الدرس على فهم أن كل شيء يحي بنا ويتكون من مادة تشغل حيزا وله كتلة، وتنقسم المادة إلى وحدات صغيرة تسمى الذرات. يتطور فهم العلماء للذرة عبر التاريخ من فكرة ديموقريطوس البسيطة إلى نموذج دالتون ثم طومسون الذي اكتشف الإلكترونات سالبة الشحنة، مرورا بنموذج رذرفورد الذي اكتشف النواة الموجبة والبروتونات، وصولا إلى نموذج بور والنموذج الذري الحديث الذي يوضح تحرك الإلكترونات في سحابة إلكترونية حول النواة التي تحتوي أيضا على نيوترونات متعادلة الشحنة. كمثال على ذلك، فإن احتراق قطعة خشب يحولها إلى رماد وغازات وبخار الماء مع بقاء الكتلة الكلية ثابتة حسب قانون حفظ المادة.
الفكرة الأساسية
تدور فكرة الدرس حول أن كل ما نراه أو نلمسه هو مادة لها كتلة وتشغل حيزا، وأن هذه المادة تتكون من جسيمات صغيرة جدا تسمى الذرات التي تتطور فهم العلماء لها عبر الزمن.
الشرح
المادة هي كل ما يشغل حيزا وله كتلة، فالهواء مثلا مادة لأنه يشغل حيزا وله كتلة رغم عدم رؤيته، بينما الحرارة والضوء ليسا مادتين. لقد بدأ فهم تركيب المادة قديما مع الفيلسوف ديموقريطوس الذي اقترح أن المادة تتكون من أجزاء صغيرة لا تجزأ تسمى الذرات، وجاء العالم لافوازيه ليثبت قانون حفظ المادة الذي ينص على أن المادة لا تفنى ولا تستحدث إلا بقدرة الله تعالى، وإنما تتحول من شكل إلى آخر، كما يظهر عند احتراق الخشب حيث تساوي كتلة المواد الناتجة كتلة المواد المتفاعلة. بعد ذلك تطورت النماذج الذرية؛ فاقترح دالتون أن لكل نوع من المادة ذرات خاصة بها، ثم تمكن طومسون من اكتشاف الإلكترونات سالبة الشحنة واقترح أن الذرة كرة متجانسة موجبة الشحنة تتوزع فيها الإلكترونات. ثم جاء رذرفورد ليكتشف أن معظم حجم الذرة فراغ وأن لها نواة صغيرة موجبة الشحنة تحتوي على بروتونات، واكتشف العالم شادويك النيوترون وهو جسيم متعادل الشحنة داخل النواة. بعد ذلك اقترح بور أن الإلكترونات تدور حول النواة في مستويات طاقة مختلفة، وصولا إلى النموذج الذري الحديث الذي يبين أن الإلكترونات تتحرك حول النواة على شكل سحابة إلكترونية تمثل منطقة يزيد احتمال وجود الإلكترون فيها.
مثال محلول خطوة والثانية
لو قطعت قطعة خشب كبيرة إلى قطع أصغر فأصغر حتى تصل إلى أصغر قطعة ممكنة تحمل صفات الخشب، فهذه القطعة الصغيرة هي الذرة. وإذا أحرقت هذه القطعة في وجود الأكسجين، فإن كتلة الخشب والأكسجين معا تساوي تماما كتلة الرماد وبخار الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن الاحتراق، طبقا لقانون حفظ المادة الذي يوضح أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث أثناء التفاعل.
أخطاء شائعة
من الخطأ الاعتقاد بأن الحرارة والضوء يعتبران من المواد، والصحيح أنهما لا يشغلان حيزا وليسا لهما كتلة فهما ليسان مواد. ومن الخطأ أيضا الاعتقاد بأن المادة تفنى عند احتراقها، والصحيح أنها لا تفنى بل تتحول إلى مواد أخرى كالرماد والغازات مع بقاء الكتلة الكلية ثابتة.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
السؤال الأول: لماذا يعد الهواء مادة ولا يعد الضوء مادة؟ الإجابة: لأن الهواء يشغل حيزا وله كتلة، بينما الضوء لا يشغل حيزا وليس له كتلة. السؤال الثاني: صف أهم مكونات الذرة بناء على النموذج الذري الحديث. الإجابة: تتكون الذرة من نواة مركزية تضم البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات متعادلة الشحنة، وتحيط بها الإلكترونات سالبة الشحنة على شكل سحابة إلكترونية في مستويات طاقة غير محددة.