النظرية الذرية الحديثة

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.

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 الرصاص لامتصاص معظم الإشعاع، استهدف الشعاع قطعة رقيقة جدًا من رقائق الذهب، وفَحَص التشتت الناتج لجزيئات α باستخدام شاشة مضيئة تتوهج لفترة وجيزة حيث تصطدم بجسيم α.

ماذا اكتشفوا؟ مرت معظم الجسيمات مباشرة من خلال الرقاقة دون أن تنحرف على الإطلاق. ومع ذلك، تم تحويل بعضها بشكل طفيف، وانحرف عدد صغير جدًا بشكل مباشر تقريبًا نحو المصدر (الشكل 2.9). وصف رذرفورد العثور على هذه النتائج كما يلي: “لقد كان الحدث الأكثر روعة الذي حدث لي في حياتي. كان الأمر لا يُصدق تقريبًا كما لو أنك أطلقت قذيفة مقاس 15 بوصة على قطعة مناديل ورقية ثم عادت وضربتك” (¹) (ص 68).

الشكل 2.9: أطلق جيجر ورذرفورد جسيمات ألفا على قطعة من رقائق الذهب واكتشفوا أين ذهبت تلك الجسيمات، كما هو موضح في هذا الرسم التخطيطي لتجربتهم. مرت معظم الجسيمات مباشرة من خلال الرقاقة، لكن القليل منها انحرف قليلاً وانحرف عدد صغير جدًا بشكل ملحوظ.

النظرية الذرية الحديثة

إليكم ما استنتجه رذرفورد: نظرًا لأن معظم جسيمات ألفا سريعة الحركة مرت عبر ذرات الذهب دون انحراف، فلا بد أنها سافرت عبر الفضاء الفارغ داخل الذرة. جسيمات ألفا موجبة الشحنة، لذلك تنشأ الانحرافات عندما واجهت شحنة موجبة أخرى (الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض). نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض، فلا بد أن عدد قليل من جسيمات ألفا موجبة الشحنة التي غيرت المسارات فجأة قد اصطدمت أو اقتربت من جسم آخر يحتوي أيضًا على شحنة موجبة عالية التركيز. نظرًا لحدوث الانحرافات لجزء صغير من الوقت، احتلت هذه الشحنة مساحة صغيرة فقط في رقائق الذهب. بتحليل سلسلة من هذه التجارب بالتفصيل، توصل رذرفورد إلى استنتاجين:

• يجب أن يتكون الحجم الذي تشغله الذرة من مقدار كبير من المساحة الفارغة.
• يجب أن يكون الجسم الصغير، الثقيل نسبيًا، موجب الشحنة، النواة Nucleus,، في مركز كل ذرة.

رابط تعليمي خارجي

شاهد هذه المحاكاة (http://openstaxcollege.org/l/16Rutherford) لتجربة رذرفورد للرقائق الذهبية. اضبط عرض الشق لإنتاج حزمة أضيق أو أوسع من جسيمات ألفا لترى كيف يؤثر ذلك على نمط التشتت.

قاد هذا التحليل رذرفورد إلى اقتراح نموذج تتكون فيه الذرة من نواة صغيرة جدًا موجبة الشحنة، حيث تتركّز معظم كتلة الذرة، وتحيط بها الإلكترونات سالبة الشحنة، بحيث تكون الذرة متعادلة كهربائيًا (الشكل 2.10). بعد العديد من التجارب، اكتشف رذرفورد أيضًا أن نوى العناصر الأخرى تحتوي على نواة الهيدروجين باعتبارها “لبنة بناء”، وأطلق على هذا الجسيم الأساسي اسم البروتون Proton، الجسيم دون الذري موجب الشحنة الموجود في النواة. مع إضافة واحدة، والتي سوف تتعلمها بعد ذلك، فإن هذا النموذج النووي للذرة، الذي تم اقتراحه منذ أكثر من قرن، لا يزال مستخدمًا حتى اليوم.

الشكل 2.10: تنحرف جسيمات ألفا فقط عندما تصطدم أو تمر بالقرب من نواة الذهب الأثقل بكثير والموجبة الشحنة. نظرًا لأن النواة صغيرة جدًا مقارنة بحجم الذرة، ينحرف عدد قليل جدًا من جسيمات ألفا. يمر معظمها عبر المنطقة الكبيرة نسبيًا التي تحتلها الإلكترونات، والتي تكون خفيفة جدًا بحيث لا يمكنها تشتيت الجسيمات سريعة الحركة.

رابط تعليمي خارجي

تسمح لك محاكاة تشتت رذرفورد Rutherford Scattering، بالتحقيق في الاختلافات بين ذرة “فطيرة البرقوق” وذرة رذرفورد عن طريق إطلاق جسيمات ألفا في كل نوع من الذرات: https://openstaxcollege.org/l/16PhetScatter

اكتشاف النظائر

اكتشاف آخر مهم كان اكتشاف النظائر Isotopes. خلال أوائل القرن العشرين، حدد العلماء العديد من المواد التي بدت على أنها عناصر جديدة، وعزلوها عن الخامات المشعّة. على سبيل المثال، أُطلق على “عنصر جديد” ناتج عن التحلل الإشعاعي للثوريوم Thorium اسم الميزوثوريوم Mesothorium. ومع ذلك، أظهر تحليل أكثر تفصيلاً أن الميزوثوريوم كان مطابقًا كيميائيًا للراديوم (منتج اضمحلال آخر)، على الرغم من وجود كتلة ذرية مختلفة. هذه النتيجة، جنبًا إلى جنب مع النتائج المماثلة لعناصر أخرى، قادت الكيميائي الإنجليزي فريدريك سودي إلى إدراك أن عنصرًا ما يمكن أن يحتوي على أنواع من الذرات بكتل مختلفة لا يمكن تمييزها كيميائيًا. تسمى هذه الأنواع المختلفة “نظائر” Isotopes وهي ذرات من نفس العنصر تختلف في الكتلة. حصل سودي على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1921 عن هذا الاكتشاف.

بقي لغز واحد: كان من المعروف أن النواة تحتوي على كل كتلة الذرة تقريبًا، مع عدد البروتونات التي توفر نصف هذه الكتلة أو أقل. تم تقديم مقترحات مختلفة لشرح ما يشكل الكتلة المتبقية، بما في ذلك وجود جسيمات محايدة في النواة. كما قد تتوقع، يعد اكتشاف الجسيمات غير المشحونة أمرًا صعبًا للغاية، ولم يجد جيمس تشادويك حتى عام 1932 دليلاً على وجود نيوترونات Neutrons، جسيمات غير مشحونة، دون ذرية وبكتلة مماثلة تقريبًا لكتلة البروتونات. وشرح وجود النيوترونات أيضًا النظائر: فهي تختلف في الكتلة لأن لديها عددًا مختلفًا من النيوترونات، لكنها متطابقة كيميائيًا لأن لديها نفس عدد البروتونات. سيتم شرح ذلك بمزيد من التفصيل لاحقًا في هذا الفصل.

الهامش

1. أرنست رذرفورد، “تطوير نظرية التركيب الذري،” أ.د. J. A. Ratcliffe، العلم الحديث، محرران. جوزيف نيدهام ووالتر باجل (جامعة كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج، 1938، 61-74. تم الوصول إليه في 22 سبتمبر 2014، https://ia600508.us.archive.org/3/items/backgroundtomode032734mbp/backgroundtomode032734mbp.pdf.

المراجع

• مقرر الكيمياء، كلية OpenStax، إصدار سنة OpenStax College, Chemistry ،2015. الفصل الثاني: الذرات والجزيئات والأيونات.
• موسوعة الكيمياء من الألف إلى الياء، ترجمة وإعداد: د. م. مصطفى عبيد، مركز البحوث والدراسات متعدد التخصصات، إسطنبول، 2022-2023.