كيف تم اكتشاف مكونات الذرة

اكتشاف مكونات الذرة

قبل نهاية القرن التاسع عشر بوقت طويل، كان معروفًا أن تطبيق جهد عالٍ على غاز موجود تحت ضغط منخفض في أنبوب مغلق “يسمى أنبوب تفريغ الغاز” يتسبب في تدفق الكهرباء عبر الغاز، والذي ينبعث منه الضوء بعد ذلك، ووجد الباحثون الذين حاولوا فهم هذه الظاهرة أن شكلاً غير عادي من الطاقة انبعث أيضًا من القطب السالب للشحنة، وهذا النوع من الطاقة كان يسمى شعاع الكاثود.

وفي عام 1897، أثبت الفيزيائي البريطاني جيه طومسون، أن الذرات لم تكن الشكل الأساسي للمادة، وأوضح أن أشعة الكاثود يمكن أن تنحرف بواسطة المجالات المغناطيسية أو الكهربائية، مما يشير إلى أن أشعة الكاثود تتكون من جسيمات مشحونة.

والأهم من ذلك، من خلال قياس مدى انحراف أشعة الكاثود في المجالات المغناطيسية أو الكهربائية ذات القوة المختلفة، تمكن طومسون من حساب نسبة الكتلة إلى الشحن للجسيمات، وتم إصدار هذه الجسيمات بواسطة الكاثود سالب الشحنة وصدها للطرف السالب للمجال الكهربائي.

ونظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر وتتجاذب الشحنات المعاكسة، فقد خلص طومسون إلى أن للجسيمات شحنة سالبة صافية، وهذه الجسيمات تسمى الآن الإلكترونات، ووجد طومسون أن نسبة الكتلة إلى الشحنة لأشعة الكاثود مستقلة عن طبيعة الأقطاب المعدنية أو الغاز، مما يشير إلى أن المكون الأساسي لكل الذرات هو الإلكترونات.

بعد ذلك، أجرى العالم الأمريكي روبرت ميليكان، سلسلة من التجارب باستخدام قطرات الزيت المشحونة كهربائيًا، والتي سمحت له بحساب الشحنة على إلكترون واحد، وباستخدام هذه المعلومات ونسبة الكتلة إلى الشحن في طومسون، حدد ميليكان كتلة الإلكترون.

وبدأ السطر الثاني من البحث في عام 1896، عندما توصل الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل إلى أن بعض المعادن، مثل أملاح اليورانيوم، تنبعث منها شكلاً جديدًا من الطاقة.

واستكملت ماري كوري وزوجها بيير عمل بيكريل إلى حد كبير، وشارك الثلاثة جميعًا في جائزة نوبل في الفيزياء عام 1903، وصاغت ماري كوري مصطلح النشاط الإشعاعي لوصف انبعاث أشعة الطاقة حسب المادة، ووجدت أن أحد خام اليورانيوم، وهو البتشبلند، كان أكثر نشاطًا إشعاعيًا من معظم المواد الأخرى، مما يشير إلى أنه يحتوي على واحد أو أكثر من الشوائب عالية النشاط الإشعاعي. [1]

نموذج رذرفورد

وبناءً على عمل كوري، أجرى الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد، تجارب حاسمة أدت إلى النظرة الحديثة لـ (

مكونات الذرة

، فأثناء العمل في مختبر طومسون بعد وقت قصير من اكتشاف طومسون للإلكترون، أظهر رذرفورد أن مركبات اليورانيوم والعناصر الأخرى تنبعث منها على الأقل نوعين مختلفين من الإشعاع، وتم امتصاص إحداها بسهولة بواسطة المادة ويبدو أنها تتكون من جسيمات لها شحنة موجبة وكانت ضخمة مقارنة بالإلكترونات، ولأنه كان أول نوع من الإشعاع يتم اكتشافه، أطلق رذرفورد على هذه المواد مصطلح “جسيمات ألفا”.

وأظهر رذرفورد أيضًا أن الجسيمات في النوع الثاني من الإشعاع، لها نفس نسبة الشحنة والكتلة مثل إلكترونات طومسون، ومن المعروف الآن أنها إلكترونات عالية السرعة، وتم اكتشاف نوع ثالث من الإشعاع، وفي وقت لاحق إلى حد ما وجد أنه مشابه لشكل الإشعاع منخفض الطاقة المسمى بالأشعة السينية، والذي يستخدم الآن لإنتاج صور للعظام والأسنان.

هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع، يتم تمييزها بسهولة من خلال طريقة انحرافها بواسطة المجال الكهربائي ودرجة اختراقها للمادة، وتوضح أن جسيمات ألفا والإلكترونات تنحرف في اتجاهين متعاكسين، وفي المقابل، فإن أشعة جاما ليس لها شحنة، لذلك لا تنحرف بفعل المجالات الكهربائية أو المغناطيسية.

وأوضح رذرفورد أن جسيمات ألفا لديها أقل قوة اختراق ويتم إيقافها بسهولة، في حين أن الإلكترونات يمكن أن تمر عبر صفائح رقيقة من المعدن ولكن يتم امتصاصها بواسطة رقائق الرصاص أو حتى الزجاج السميك، وفي المقابل، يمكن لأشعة جاما أن تخترق المادة بسهولة، وهناك حاجة إلى كتل سميكة من الرصاص أو الخرسانة لإيقافها.[1]

النموذج الذري

وبمجرد أن استنتج العلماء أن كل مادة تحتوي على إلكترونات سالبة الشحنة، أصبح من الواضح أن الذرات، المحايدة كهربيًا، يجب أن تحتوي أيضًا على شحنة موجبة لموازنة الإلكترونات السالبة.

ولم تكن نتائج رذرفورد متوافقة مع النموذج الذري الذي يتم فيه توزيع الكتلة والشحنة الموجبة بشكل موحد في جميع أنحاء حجم الذرة، وبدلاً من ذلك، اعتقد العلماء أن كلًا من الكتلة والشحنة الموجبة مركزة في جزء صغير جدًا من حجم الذرة، والذي أطلق عليه رذرفورد اسم النواة، وكان من المنطقي أن جزءًا صغيرًا من جسيمات ألفا اصطدم بالنواة الكثيفة موجبة الشحنة إما بطريقة سريعة، مما أدى إلى انحرافات كبيرة، أو تقريبًا وجهاً لوجه، مما تسبب في انعكاسها مباشرة إلى المصدر.

وعلى الرغم من أن رذرفورد لم يستطع تفسير سبب عدم تسبب التنافر بين الشحنات الموجبة في النوى التي تحتوي على أكثر من شحنة موجبة في تفكك النواة، فقد استنتج أن التنافر بين الإلكترونات سالبة الشحنة من شأنه أن يتسبب في توزيع الإلكترونات بشكل موحد في جميع أنحاء حجم الذرة.

ومن المعروف أن القوى النووية القوية، والتي هي أقوى بكثير من التفاعلات الكهروستاتيكية، تساعد في الحفاظ على البروتونات والنيوترونات معًا في النواة، ولذلك

يتركز معظم حجم الذرة

في النواة.

وأثبت رذرفورد أن نواة ذرة الهيدروجين عبارة عن جسيم موجب الشحنة، وقد صاغ له اسم البروتون في عام 1920، كما اقترح أن نوى العناصر الأخرى غير الهيدروجين يجب أن تحتوي على جسيمات متعادلة كهربائيًا لها نفس كتلة البروتون تقريبًا، ومع ذلك، لم يتم اكتشاف النيوترون حتى عام 1932، عندما اكتشفه جيمس تشادويك، ونتيجة لعمل رذرفورد، أصبح من الواضح أن جسيم ألفا يحتوي على بروتونين ونيوترونين، وبالتالي فهو نواة ذرة الهيليوم.

ونموذج رذرفورد للذرة هو في الأساس نفس النموذج الحديث، باستثناء أنه من المعروف الآن أن الإلكترونات ليست موزعة بشكل موحد في جميع أنحاء حجم الذرة، بدلاً من ذلك، يتم توزيعها وفقًا لمجموعة من المبادئ التي وضعتها ميكانيكا الكم.[1]

تعريف الذرة

الذرة هي المكون الأساسي لكل مادة، وتحدد النظرية الذرية الحديثة مفاهيم الذرات وكيفية تكوينها للمادة، حيث تتكون الذرات، وهي أصغر جزيئات العنصر التي تظهر خصائص هذا العنصر، من إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول نواة مركزية تتكون من بروتونات موجبة الشحنة ضخمة ونيوترونات متعادلة كهربائيًا، وتحصل الذرة على خصائصها من الجسيمات دون الذرية الدقيقة التي تتكون منها.

ويعتبر عدد البروتونات الموجود بالذرة هو السمة الأساسية التي تفسر

كيف تختلف الذرات

، وهو ما يميز منتج عن الآخر، وفي الغالب فإن الإلكترونات هي التي تحدد طريقة تفاعل ذرة مع أخرى، بينما تحدد نسبة البروتونات التي تتواجد في النواة الخصائص الكيميائية للذرة في النهاية.[2]

وتعود نظرية

ديموقريطس

للذرة إلى ما لا يقل عن 440 قبل الميلاد، والذي بدأ تفسير الذرة بحجر، وخلص إلى أن الذرة هي المرحلة التي لا يمكن عندها تقسيم الكائن، وأنه هناك عدد لا نهائي من الذرات، وأنها قادرة على الحركة، ويمكنها أن تتحد معًا لتكوين المادة ولكن لا تندمج لتصبح ذرة جديدة، كما أنه لا يمكن تقسيمها.

ونظرًا لأن الغالبية العظمة من العلماء في ذلك الوقت اعتقدوا أن المادة تتكون من الأرض والهواء والنار والماء، فقد تم تجاهل نظرية ديموقريطس الذرية.[3]