النظرية الذرية الحديثة
بنهاية هذا القسم الخاص بموضوع النظرية الذرية الحديثة، ستكون قادرًا على:
- تلخيص معالم تطوير النظرية الذرية الحديثة
- تلخيص وتفسير نتائج تجارب طومسون وميليكان وراذرفورد
- وصف الجسيمات دون الذرية الثلاث التي تتكون منها الذرات
- تحديد النظائر وإعطاء أمثلة على عدة عناصر
في القرنين الماضيين منذ أن طوّر دالتون أفكاره، حقق العلماء تقدمًا كبيرًا في تعزيز فهمنا للنظرية الذرية. جاء الكثير من هذا من نتائج العديد من التجارب الأساسية التي كشفت عن تفاصيل البنية الداخلية للذرات. هنا، سنناقش بعض هذه التطورات الرئيسية، مع التركيز على تطبيق المنهج العلمي، وكذلك فهم كيفية تحليل الأدلة التجريبية. في حين أن الأشخاص التاريخية والتواريخ وراء هذه التجارب يمكن أن تكون ممتعة للغاية، فمن المهم للغاية فهم المفاهيم الناتجة عن عملهم.
المحتويات
النظرية الذرية بعد القرن التاسع عشر
إذا كانت المادة مكونة من ذرات، فمن ماذا تكوّنت الذرات؟ هل كانت هي أصغر الجسيمات، أم كان هناك شيء أصغر؟ في أواخر القرن التاسع عشر، قام عدد من العلماء المهتمين بمثل هذه الأسئلة بالتحقيق في التصريفات الكهربائية التي يمكن إنتاجها في غازات الضغط المنخفض، وكان أهم اكتشاف قام به الفيزيائي الإنجليزي جيه طومسون J. Thomson باستخدام أنبوب أشعة الكاثود. يتكون هذا الجهاز من أنبوب زجاجي محكم تم إزالة الهواء منه تقريبًا؛ احتوى الأنبوب على قطبين معدنيين. عندما تم تطبيق الجهد العالي عبر الأقطاب الكهربائية، ظهر شعاع مرئي يسمى شعاع الكاثود بينهما. تم انحراف هذه الحزمة باتجاه الشحنة الموجبة وبعيدًا عن الشحنة السالبة، وتم إنتاجها بنفس الطريقة بخصائص متطابقة عند استخدام معادن مختلفة للأقطاب.
في تجارب مماثلة، تم انحراف الشعاع في وقت واحد بواسطة مجال مغناطيسي مطبق، وسمحت قياسات مدى الانحراف وقوة المجال المغناطيسي لطومسون بحساب نسبة الشحنة إلى الكتلة لجسيمات أشعة الكاثود. أشارت نتائج هذه القياسات إلى أن هذه الجسيمات كانت أخف بكثير من الذرات (الشكل 2.6).
الشكل 2.6: (أ) أنتج ج. طومسون شعاعًا مرئيًا في أنبوب أشعة الكاثود. (ب) هذا هو أنبوب أشعة الكاثود المبكر، اخترعه فرديناند براون في عام 1897. (ج) في شعاع الكاثود، تأتي الحزمة (الموضحة باللون الأصفر) من الكاثود ويتم تسريعها خلال الأنود باتجاه مقياس الفلورسنت في نهاية الأنبوب. سمحت الانحرافات المتزامنة بواسطة المجالات الكهربائية والمغناطيسية المطبقة لطومسون بحساب نسبة الكتلة إلى الشحنة للجسيمات المكوّنة لأشعة الكاثود. (المصدر أ: بواسطة مؤسسة نوبل؛ ب: بواسطة يوجين نيسبر؛ ج: بواسطة كورزون / ويكيميديا كومنز).
اقتراحات طومسون في النظرية الذرية
استنادًا إلى ملاحظاته، إليك ما اقترحه طومسون والسبب في ذلك: تنجذب الجسيمات بواسطة الشحنات الموجبة (+) وتتنافر بواسطة الشحنات السالبة (-)، لذلك فالجسيمات يجب أن تكون سالبة الشحنة (الشحنات المتشابهة تتنافر والشحنات المختلفة تتجاذب)؛ فهي أقل كتلة من الذرات ولا يمكن تمييزها، بغض النظر عن مصدر المواد، لذلك يجب أن تكون مكوّنات أساسية دون ذرية لجميع الذرات.
وعلى الرغم من أن فكرة طومسون كانت مثيرة للجدل في ذلك الوقت، إلا أنه تم قبولها تدريجيًا، وجسيم أشعة الكاثود الخاص به هو ما نسميه الآن الإلكترون Electron، وهو جسيم سالب الشحنة دون ذري بكتلة تقل بأكثر من ألف مرة عن كتلة الذرة. مصطلح “إلكترون” Electron ابتكره الفيزيائي الأيرلندي جورج ستوني في عام 1891، وهو مشتق من كلمة “Electric Ion” أي “أيون كهربائي”.
رابط تعليمي خارجي:
انقر هنا لسماع طومسون يصف اكتشافه بصوته: https://history.aip.org/exhibits/electron/jjsound.htm
تجربة قطرة الزيت للعالم ميليكان
في عام 1909، اكتشف الفيزيائي الأمريكي روبرت أ. ميليكان Millikan المزيد من المعلومات حول الإلكترون من خلال تجاربه “قطرة الزيت” Oil Drop. ابتكر ميليكان قطرات زيت مجهرية، يمكن شحنها كهربائيًا بالاحتكاك أثناء تشكلها أو باستخدام الأشعة السينية. تسقط هذه القطرات في البداية بسبب الجاذبية، ولكن يمكن إبطاء تقدمها نحو الأسفل أو حتى عكسه بواسطة مجال كهربائي منخفض في الجهاز. من خلال ضبط شدة المجال الكهربائي وإجراء عمليات تخفيف دقيقة وحسابات مناسبة، كان ميليكان قادرًا على تحديد الشحنة على القطرات الفردية (الشكل 2.7).
الشكل 2.7: قامت تجربة ميليكان بقياس شحنة قطرات الزيت الفردية. البيانات في الجدول هي أمثلة على بعض القيم الممكنة.
بالنظر إلى بيانات الشحن التي جمعها ميليكان، ربما تكون قد أدركت أن شحنة قطيرة الزيت هي دائمًا مضاعفات شحنة معينة، 1.6 × 10−19 كولوم (الكولوم هو وحدة قياس الشحنة الكهربائية ويُرمز له بالاختصار C). خلص ميليكان إلى أن هذه القيمة يجب أن تكون بالتالي شحنة أساسية – شحنة إلكترون واحد – من شحناته المقاسة، بسبب زيادة إلكترون واحد (1 ضرب 1.6 × 10−19 كولوم)، إلكترونين (2 ضرب 1.6 × 10−19 كولوم)، ثلاثة إلكترونات (3 ضرب 1.6 × 10−19 كولوم)، وهكذا، على قطرة زيت معينة.
حساب كتلة الإلكترون
نظرًا لأن شحنة الإلكترون أصبحت معروفة الآن بسبب أبحاث ميليكان، وكانت نسبة الشحنة إلى الكتلة معروفة بالفعل بسبب أبحاث طومسون، وهي (1.759 × 10 11 كولوم/كجم)، فقد تطلب الأمر فقط حسابًا بسيطًا لتحديد كتلة الإلكترون أيضًا، وذلك كما يلي:
كتلة الإلكترون = 1.602 × 10−19 كولوم × (1 كجم ÷ 1.759 × 10 11 كولوم)
كتلة الإلكترون = 9.107 × 10−31 كجم
لقد أثبت العلماء الآن أن الذرة ليست غير قابلة للتجزئة كما كان يعتقد دالتون، وبفضل عمل طومسون وميليكان وآخرين، كانت شحنة وكتلة الجسيمات دون الذرية السالبة – الإلكترونات – معروفة. ومع ذلك، فإن الجزء الموجب الشحنة من الذرة لم يتم فهمه جيدًا بعد.
نموذج فطيرة البرقوق لطومسون
في عام 1904، اقترح طومسون نموذج “فطيرة البرقوق” Plum Pudding للذرات، والذي وصف كتلة موجبة الشحنة بكمية مساوية للشحنة السالبة على شكل إلكترونات مضمنة فيها، حيث أن جميع الذرات متعادلة كهربائيًا. تم اقتراح نموذج منافس في عام 1903 من قبل هانتارو ناجاوكا Hantaro Nagaoka، الذي افترض أن الذرة تشبه كوكب زحل، تتكون من كرة موجبة الشحنة محاطة بهالة من الإلكترونات (الشكل 2.8).
الشكل 2.8: (أ) اقترح طومسون أن الذرات تشبه فطيرة البرقوق، وهي حلوى إنجليزية تتكون من كعكة رطبة مع زبيب مدمج (“البرقوق”). (ب) اقترح ناجاوكا أن الذرات تشبه كوكب زحل، مع وجود هالة من الإلكترونات تحيط “بكوكب” موجب. (المصدر أ: بواسطة Man vyi / ويكيميديا كومنز؛ ب: بواسطة ناسا / ويكيميديا كومنز).
نموذج رذرفورد للذرة
جاء التطور الرئيسي التالي في فهم الذرة من أرنست رذرفورد Ernest Rutherford، عالم فيزياء من نيوزيلندا قضى معظم حياته المهنية العلمية في كندا وإنجلترا. أجرى سلسلة من التجارب باستخدام حزمة من جسيمات ألفا Alpha Particles α عالية السرعة التي تم إنتاجها عن طريق الاضمحلال الإشعاعي Radioactive Decay للراديوم؛ تتكون جسيمات ألفا من بروتونين ونيوترونين (سوف تتعلم المزيد عن الاضمحلال الإشعاعي في الفصل الخاص بالكيمياء النووية لاحقًا). استهدف رذرفورد وزملاؤه هانز جيجر (الذي اشتهر لاحقًا بمقياس جيجر) وأرنست مارسدن شعاعًا من جسيمات ألفا، كان مصدرها مضمّن في كتلة ال