الدرس 2 : النموذج المبسط للذرة، الشحنة العنصرية، ومبدأ انحفاظ الشحنة

## 1. وضعية الانطلاق والمفاهيم الأساسية أهلاً بكم أبنائي وبناتي تلاميذ السنة الرابعة متوسط في هذا الدرس الهام من وحدة الظواهر الكهربائية. هل سألتم أنفسكم يوماً مم تتكون المادة المحيطة بنا؟ لماذا نتكهرب أحياناً عند لمس مقبض الباب المعدني أو عند نزع الملابس الصوفية؟ للإجابة عن هذه التساؤلات العلمية، يجب أن نغوص في أعماق المادة لندرس بنيتها الدقيقة. تتكون كل المواد في الكون من جسيمات دقيقة جداً تُدعى الذرات (Atomes). لنتخيل الذرة كأنها نظام فلكي مصغر؛ فهي تحتوي في المركز على نواة (Noyau) مركزية تتركز فيها كتلة الذرة وتحمل شحنة كهربائية موجبة. تدور حول هذه النواة في فضاء واسع إلكترونات (Électrons) خفيفة جداً وتحمل شحنة كهربائية سالبة. من الناحية البنيوية، تتكون النواة بدورها من نوعين من الجسيمات تُسمى النيوكليونات (Nucléons)، وهما: - البروتونات (Protons): وهي جسيمات تحمل شحنة كهربائية موجبة. - النيوترونات (Neutrons): وهي جسيمات متعادلة كهربائياً (عديمة الشحنة). إن هذا التوزيع الدقيق للجسيمات يضعنا أمام مفهوم فيزيائي أساسي وهو الشحنة العنصرية (Charge élémentaire). فالإلكترون والبروتون يحملان أصغر كمية شحنة كهربائية يمكن أن توجد بصفة حرة في الطبيعة، ونرمز لها بالحرف $e$. شحنة البروتون هي $+e$ وشحنة الإلكترون هي $-e$. أما الشحنة العنصرية فقيمتها العددية ثابتة ومقدراها $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\text{ C}$ حيث وحدة القياس الدولية هي الكولوم (Coulomb) ونرمز لها بالحرف $q$ . ## 2. القوانين والتفسيرات الفيزيائية مع البراهين في الحالة العادية، تكون الذرة متعادلة كهربائياً (Électriquement neutre). ماذا نعني بذلك؟ نعني أن عدد البروتونات الموجبة داخل النواة يساوي تماماً عدد الإلكترونات السالبة التي تدور حولها. وبما أن الشحنة المطلقة للبروتون تساوي الشحنة المطلقة للإلكترون، فإن المجموع الجبري لشحنات الذرة يساوي الصفر. لنفرض أن ذرة ما تحتوي على $Z$ بروتوناً (وهو العدد الذري)، إذن شحنة النواة هي $q_{ \text{noyer}} = +Z \times e$. وبما أن عدد الإلكترونات يساوي $Z$ أيضاً، فإن شحنة سحابة الإلكترونات هي $q_{\text{électrons}} = -Z \times e$. الشحنة الكلية للذرة $q_{\text{totale}}$ تُحسب كالتالي: $$q_{\text{totale}} = (+Z \times e) + (-Z \times e) = 0$$ هذا التفسير يقودنا مباشرة إلى مبدأ التعادل الكهربائي للذرة. ولكن ماذا يحدث عندما تكتسب الذرة إلكترونات أو تفقدها؟ تتحول الذرة إلى شاردة (Ion): - إذا فقدت الذرة إلكتروناً أو أكثر، يتحول عدد الإلكترونات السالبة ويصبح أصغر من عدد البروتونات الموجبة، فتصبح الذرة شاردة موجبة (Cation). - إذا اكتسبت الذرة إلكتروناً أو أكثر، يصبح عدد الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات، فتصبح الذرة شاردة سالبة (Anion). من هنا نستنتج القانون العام لحساب الشحنة الكهربائية لأي جسم أو شاردة أو ذرة مشحونة: $$q = n \times e$$ حيث: - $q$ هي الشحنة الكلية للجسم ويُقاس بالكولوم ($\text{C}$). - $n$ هو عدد الإلكترونات المكتسبة أو المفقودة (وهو عدد صحيح طبيعي بدون وحدة). - $e$ هي قيمة الشحنة العنصرية ($e = 1{,}6 \times 10^{-19}\text{ C}$). أما فيما يخص مبدأ انحفاظ الشحنة الكهربائية الإجمالية (Principe de conservation de la charge électrique)، فهو ينص على أن: "الشحنة الكهربائية الإجمالية في جملة معزولة تبقى محفوظة وثابتة لا تتغير، أي أن الشحنة لا تفنى ولا تُستحدث بل تنتقل من جسم إلى آخر". فعند دلك جسمين ببعضهما (مثل قضيب إيبونيت وقطعة صوف)، فإن الإلكترونات تنتقل فقط من أحد الجسمين إلى الآخر، والمجموع الجبر لشحنتي الجسمين يبقى ثابتاً قبل وبعد الدلك. ## 3. أمثلة وتطبيقات تجريبية وحسابية محلولة لترسيخ هذه المفاهيم، إليكم أمثلة تطبيقية مدعومة بالحل المفصل على طريقة امتحانات شهادة التعليم المتوسط BEM: ### مثال تطبيقي 1: حساب شحنة جسم نعتبر جسماً معدنياً فاقداً لعدد $n = 5 \times 10^{12}$ إلكتروناً. احسب الشحنة الكهربائية الكلية $q$ لهذا الجسم بالمولوم مع تحديد نوعها. **الحل النموذجي:** بما أن الجسم فقد إلكترونات، فهو يحمل شحنة موجبة. نطبق القانون العام لشحنة الجسم: $$q = n \times e$$ نعوض القيم العددية المعطاة في النص: $$q = (5 \times 10^{12}) \times (1{,}6 \times 10^{-19})$$ نجري الحساب الرياضي البسيط: $$q = 8 \times 10^{-7}\text{ C}$$ إذن الشحنة الكلية للجسم هي $q = +8 \times 10^{-7}\text{ C}$ ونوعها موجبة. ### مثال تطبيقي 2: إيجاد عدد الإلكترونات شاردة أكسجين تحمل شحنة إجمالية $q = -3{,}2 \times 10^{-19}\text{ C}$. أوجد عدد الإلكترونات الزائدة في هذه الشاردة. **الحل النموذجي:** نستعمل نفس العلاقة الرياضية $q = n \times e$ ولكن بإعادة ترتيب الحدود لإيجاد المجهول $n$: $$ n = \frac{q}{e}$$ نعوض بالقيمة المطلقة للشحنة وبقيمة الشحنة العنصرية: $$n = \frac{3 .2 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}}$$ نجد النتيجة النهائية مباشرة: $$n = 2$$ إذن الشاردة اكتسبت إلكترونين اثنين ($n = 2$). ## 4. تمرين نموذجي على طريقة شهادة التعليم المتوسط مع سلم التنقيط إليك عزيزي التلميذ تمريناً شاملًا متوقعاً في مواضيع شهادة التعليم المتوسط، مدعوماً بسلم التنقيط الدقيق لتتدرب على المنهجية الصحيحة للإجابة. **نص التمرين:** أُجريت تجربة في المخابر المدرسية تم خلالها دلك قضيب من البلاستيك (إيبونيت) بقطعة من الصوف الجاف. 1. فسر ما حدث على المستوى المجهري بين القضيب وقطعة الصوف بخصوص الإلكترونات؟ (1,5 ن) 2. بعد عملية الدلك، أصبح قضيب الإيبونيت يحمل شحنة كهربائية قدرها $q = -3{,}2 \times 10^{-18}\text{ C}$. أ- احسب عدد الإلكترونات $n$ التي اكتسبها قضيب الإيبونيت. (1,5 ن) ب- استنتج شحنة قطعة الصوف بعد الدلك مبرراً إجابتك بمبدأ فيزيائي مدروس. (1 ن) --- **الإجابة النموذجية وسلّم التنقيط:** 1. التفسير المجهري لعملية الدلك: - عند دلك قضيب الإيبونيت بقطعة الصوف، تنتقل الإلكترونات (جسيمات سالبة) من قطعة الصوف إلى قضيب الإيبونيت. (0,75 ن) - يصبح قضيب الإيبونيت مشحوناً بشحنة سالبة لاكتسابه إلكترونات، بينما تصبح قطعة الصوف مشحونة بشحنة موجبة لفقدانها نفس القدر من الإلكترونات. (0,75 ن) 2. أ- حساب عدد الإلكترونات $n$ المكتسبة: - كتابة القانون المستعمل $q = n \times e$ أو $n = \frac{q}{e}$. (0,5 ن) - التعويض العددي الصحيح: $n = \frac{3{,}2 \times 10^{-18}}{1{,}6 \times 10^{-19}}$. (0,5 ن) - النتيجة النهائية مع الوحدة أو بدونها لأنها عدد صحيح: $n = 20$ إلكتروناً. (0,5 ن) 3. ب- استنتج شحنة قطعة الصوف وتعليلها: - شحنة قطعة الصوف هي $q_{\text{صوف}} = +3{,}2 \times 10^{-18}\text{ C}$. (0,5 ن) - التعليل اعتماداً على مبدأ انحفاظ الشحنة الكهربائية الإجمالية (الجملة المعزولة مجموع شحنتها معدوم، فشحنة الصوف تعاكس شحنة الإيبونيت تماماً في المقدار وتساويها في القيمة المطلقة). (0,5 ن) ## 5. ملخص الختام ونصائح المفتش لتفادي الأخطاء الشائعة أبنائي النجباء، لضمان العلامة الكاملة في مادة العلوم الفيزيائية وتحديداً في أسئلة بنية الذرة والشحنات في امتحان شهادة التعليم المتوسط، أقدم لكم هذه النصائح الذهبية من خبير المناهج: - **الخطأ الشائع الأول:** الخلط بين إشارات شحنة الإلكترون وثابتة الشحنة العنصرية $e$. تذكروا دائماً أن الشحنة العنصرية $e$ هي قيمة موجبة دائماً ($1$.6 $\times 10^{-19}\text{ C}$)$ ، أما شحنة الإلكترون فهي سالبة وتكتب $-e. - **الخطأ الشائع الثاني:** نسيان كتابة وحدة الشحنة (الكولوم $\text{C}$) أو كتابة وحدات خاطئة في نتيجة الحساب النهائي. داوموا على كتابة الوحدات بوضوح. - **الخطأ الشائع الثالث:** الاعتقاد بأن البروتونات والنيترونات تتحرك وتنتقل أثناء الدلك أو التكهرب. تذكروا جيداً أن المسؤول الوحيد عن التكهرب وظواهر انتقال الكهرباء في المواد الصلبة هو **الإلكترون الحر** الموجود في السحابة الإلكترونية للذرة، بينما النواة مستقرة وثابتة لا تتغير شحنتها في التفاعلات الكيميائية والفيزيائية العادية. - تدربوا جيداً على استخدام الآلة الحاسبة وكتابة الأسس العشرية للتعامل مع الأرقام الكبيرة والصغيرة جداً (مثل أسس $10^{-19}$). بالتوفيق والنجاح الدائم في مشواركم الدراسي نحو التميز في شهادة التعليم المتوسط BEM 2027.