لقد تمكن علماء الفيزياء وعلماء الكيمياء أيضًا من اكتشاف عدد هائل من الجسيمات ، ولقد توصلوا أيضًا إلى عدة طرق يُمكن من خلالها تقسيم هذه الجسيمات إلى فئات وتصنيفات متُعددة وفقًا لخصائص كل منها ومن حيث الحجم أيضًا ولا سيما أن مُصطلح الجسيمات دائمًا ما يُشير إلى الأجسام ذات الأحجام الصغيرة ، ومن أهم أنواع الجسيمات هي الجسيمات الذرية ودون الذرية التي يحمل كل منها خصائص مختلفة .

تركيب الذرة

استطاع عدد كبير من العلماء ومنهم العالم رذرفورد من التوصل بشكل دقيق إلى تركيب الذرة ومكوناتها وأوضح كذلك أنها تنقسم بشكل أساسي إلى انواة وإلى الإلكترونات التي تدور حولها في مدارات طاقة مختلفة ومتعددة ، ومن هذا المنطلق ، تمكن علماء اخرون أيضًا من التوصل إلى تركيب نواة ذرة العنصر وإلى أن ذرة العنصر متعادلة كهربائيًا نظرًا إلى أن عدد الجسيمات السالبة بها يساوي عدد الجسيمات الموجبة ، كما أن نواة الذرة تحتوي على جسيمات موجبة وأخرى متعادلة .

جسيمات الذرة

هناك ثلاثة أنواع أساسية من الجسيمات الأولية في ذرة العنصر هي البروتونات والنيوترونات التي تُشكل الجزء الأكبر من كتلة ذرة العنصر إلى جانب الإلكترونات ذات الكتلة المنخفضة ، وقد أشار مختبر لوس ألاموس الوطني الأمريكي إلى أن الإلكترونات تدور في سحبة إلكترونية حول الذرة ويبلغ نصف قطر تلك السحابة أكبر حوالي 10000 مرة من النواة .

كما قد تمت الإشارة أيضًا إلى أن كتلة البروتونات تُساوي تقريبًا كتلة النيوترونات ، غير أن بروتون واحد فقط أكبر بحوالي 1835 مرة من الإلكترون الواحد ، وتحتوي ذرة العنصر في الحالة العادية على عدد إلكترونات مساوٍ إلى عدد البروتونات .

العدد الذري

يُشار إلى العدد الذري على أنه مجموع عدد الإلكترونات السالبة أو البروتونات الموجبة لذرة العنصر ، وعلى سبيل المثال ؛ إذا كان عدد البروتونات الموجبة في ذرة الكلور = 17 ، وعدد الإلكترونات السالبة التي تدور حول نواة العنصر = 17 أيضًا ، وبالمثل ، كان عدد البروتونات الموجبة في ذرة الصوديوم = 11 ، وعدد الإلكترونات السالبة التي تدور حول نواة العنصر = 11 أيضًا ؛ فإن العدد الذري لكل منهم يكون على النحو التالي :

• العدد الذري لذرة الكلور = 17.
• العدد الذري لذرة الصوديوم = 11.

العدد الكتلي

ومن جهة أخرى ؛ فإن علماء الفيزياء والكيمياء يعتمدون أيضًا على عدد اخر هام أيضًا وهو العدد الكتلي والذي يتم من خلاله تقدير عدد البروتونات الموجبة وكذلك عدد النيوترونات المتعادلة الموجودة داخل نواة ذرة العنصر ، ودائمًا ما يكون العدد الكتلي ثابتًا في ذرة العنصر إلّا في حالات النظائر التي يكون بها هناك زيادة مُحددى في العدد الكتلي ، وإليكم مثال على حساب العدد الكتلي :

-في ذرة عنصر الكربون ؛ إذا كان عدد البروتونات الموجبة = 6 ، وعدد النيوترونات المتعادلة = 6 ؛ فإن العدد الكتلي هنا يُساوي مجموعة البروتونات والنيوترونات = 12 .

-وفي ذرة عنصر الليثيوم ؛ إذا كان عدد الإلكترونات السالبة = 3 ، وعدد النيوترونات المتعادلة = 4 ؛ فيتم حساب العدد الكتلي هنا من خلال جمع قيمة البروتونات التي تُساوي نفس قيمة الإلكترونات وهو 3 مع عدد النيوترونات وهو 4 ، وبالتالي ؛ يكون العدد الكتلي لذرة الليثيوم = 7 تقريبًا ، حيث قد أشار بعض وسائل القياس إلى أن العدد الكتلي لليثيوم = 6.94 .

الجسيمات دون الذرية

يُشار إلى الجسيمات الأولية إلى أنها جسيمات دون ذرية وتعرف بالإنجليزية باسم Subatomic particle أو elementary particle ، وقد أخذت هذا الإسم نظرًا إلى أن العلماء لم يتمكنوا من رؤيتها إلّا في القرن العشرين حينما تم تطوير أجهزة وطرق قياس وتكبير ورؤية حديثة ساعدت على ملاحظة تلك الجسيمات  .

خصائص الجسيمات الأولية

هناك مجموعة من الخصائص التي يأتي بها كل نوع من أنواع الجسيمات الأولية دون الذرية الأساسية وهي الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات ، كما يلي :

-الذرة متناهية الصغر ، وبناءًا على ذلك فإن حجم الجسيمات الأولية صغير جدًا ومعظم مساحة الذرة عبارة عن فراغ تدور به الإلكترونات ، وبالتالي ؛ فإن الجزء الأساسي من كتلة الذرة يتركز بشكل أكبر في النواة التي تضم نوعين من الجسيمات الأولية .

-يتم تقدير أحجام الذرات والأنوية والجسيمات الاولية عبر توجيه شعاع من الإلكترونات إلى الهدف المراد فدير حجمه وملاحظة البعد الذي سوف يقطعه هذا الشعاع ودرجة حدوث التشتت ، وبالتالي ؛ فإن تقدير معدل وطبيعة التشتت يُمكن من خلالها التنبؤ بشكل قريب جدًا من الصحة بحجم تلك الجسيمات .

-وهناك نوع اخر دقيق جدًا من الجسيمات الأولية التي تُشكل ذرة العنصر وهي الكواركات متناهية الصغر (النيوترونات والبروتونات) ولا يُمكن تقدير حجمها بشكل دقيق ، غير أن العلماء قد توصلوا إلى أن حجم هذه الكواركات أصغر من 1/1000 من حجم النواة .

-كل من الإلكترونات والكواركات لا يوجد شكل هيكلي مُحدد لها ؛ لأنها في حالة حركة مستمرة ، كما أن الإلكترونات والكواركات والجسيمات الأولية عمومًا لا يمكن تجزئتها إلى جسيمات أصغر ؛ وهذا هو السبب الرئيسي أيضًا في إطلاق اسم الجسيمات الأولية عليها .

-تختلف الكواركات عن الإلكترونات في أن الكواركات تُشكل نواة ذرة العنصر ، في حين أن الإلكترونات تدور في الحيز الخارجي للنواة ، ولذلك تم تصنيف الإلكترونات في فئة أخرى خاصة بها يُطلق عليها اسم اللبتونات .

-شحنة اللبتونات تكون سالبة ، في حين أن شحنة الكواركات تكون مختلفة ، حيث يكون بعضها موجب والاخر متعادل كهربائيًا .

-تظل الإلكترونات تدور في المدارات الخارجية الافتراضية للطاقة حول ذرة العنصر ، وعندما تتعرض إلى أي تفاعلات كيميائية تنشأ عنها بعض الروابط مثل الرابطة الأيونية على سبيل المثال ؛ فإن ال1رة تفقد إلكترون واحد أو أكثر من غلاف الطاقة الخارجي ، وهنا يُصبح عدد البروتونات الموجبة أكبر من عدد الإلكترونات السالبة ، وبالتالي تتحول ذرة العنصر إلى أيون موجب .

وفي بعض الأحيان قد تكون ذرة العنصر هي المستقبلة للإلكترون وليست المانحة له ، حيث أنها تكتسب إلكترون  أو اكثر من ذرة أخرى حتى تصل إلى مستوى الاستقرار الكيميائي ؛ وبناءًا على ذلك يُصبح عدد الإلكترونات السالبة أكبر من عدد البروتونات الموجبة ، وبالتالي تتحول ذرة العنصر إلى أيون سالب .

-هناك عدد لا حصر من أمثلة المركبات الكيميائية التي تنشأ نتيجة حدوث روابط أيونية وفقد واكتساب للإلكترونات ، ومنها جزيء ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) ، حيث أن جزيء الصوديوم يفقد إلكترون ويُصبح المدار الخارجي به يحتوي على 10 إلكترونات فقط ويتحول إلى أيون موجب ، بينما جزيء الكلور يكتسب الإلكترون الذي فقده الصوديوم وتصبح الذرة هنا بها 18 إلكترون سالب ، وتتحول بناءً على ذلك إلى أيون سالب .

وعلى الرغم من الاهتمام الكبير الذي قد شهدته الجسيمات الأولية من دراسة وتحليل ونظريات واراء كبار علماء الكيمياء والفيزياء على مر التاريخ ؛ إلا أن هذا الفرع من العلوم لا يزال يشهد درجة متعمقة من البحث والدراسة والاستكشاف من أجل التوصل أكثر إلى كل الحقائق عن ذرة ونواة العنصر بأعلى قدر من الدقة والصحة .