كيف تم اكتشاف مكونات الذرة

اكتشاف مكونات الذرة

قبل نهاية القرن التاسع عشر بفترة طويلة، كان معروفا أن وضع جهد عال على غاز متواجد تحت ضغط منخفض في أنبوب مغلق يعرف بـ `أنبوب تفريغ الغاز` يؤدي إلى تدفق الكهرباء عبر الغاز، ومنه ينبعث الضوء بعدها. لاحظ الباحثون الذين حاولوا فهم هذه الظاهرة أن هناك شكلا غير عاديا من الطاقة ينبعث أيضا من القطب السالب للشحنة، وكان يطلق على هذا النوع من الطاقة اسم `شعاع الكاثود`.

في عام 1897، أثبت الفيزيائي البريطاني جيه طومسون، بأن الذرات ليست الشكل الأساسي للمادة، وأشار إلى أن أشعة الكاثود يمكن أن تنحرف بواسطة المجالات المغناطيسية أو الكهربائية، مما يدل على أن أشعة الكاثود تتكون من جسيمات مشحونة.

الأهم من ذلك، قام طومسون باستخدام قياس مدى انحراف أشعة الكاثود في المجالات المغناطيسية أو الكهربائية ذات القوة المختلفة لحساب نسبة الكتلة إلى الشحن للجسيمات. وباستخدام الكاثود السالب الشحنة، تم إصدار هذهذه الجسيمات وصدها إلى الطرف 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، قام العالم الأمريكي روبرت ميليكان، بإجراء سلسلة من التجارب باستخدام قطرات الزيت المشحونة بالكهرباء، والتي سمحت له بحساب الشحنة الكهربائية على إلكترون واحد. وباستخدام هذه المعلومات ونسبة الكتلة إلى الشحنة الكهربائية في تجربة طومسون، تمكن ميليكان من تحديد كتلة الإلكترون.

في عام 1896، بدأ السطر الثاني من البحث عندما اكتشف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل أن بعض المعادن مثل أملاح اليورانيوم تنبعث منها شكل جديد من الطاقة.

واستمرت ماري كوري وزوجها بيير في العمل بشكل كبير في مجال البيكريل، وشارك الاثنان والثلاثة معا في جائزة نوبل في الفيزياء عام 1903، وابتكرت ماري كوري مصطلح النشاط الإشعاعي لوصف إطلاق طاقة الأشعة، واكتشفت أن خام اليورانيوم، المعروف باسم البتشبلند، كان أكثر نشاطا إشعاعيا من معظم المواد الأخرى، مما يشير إلى وجود شوائب عالية النشاط الإشعاعي واحدة أو أكثر فيه.

نموذج رذرفورد

بعد اكتشاف الإلكترون من قبل طومسون، أجرى الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد تجارب حاسمة في مختبر طومسون. وأظهر 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 وحجمها كان ضخما مقارنة بالإلكترونات. ونظرا لأن هذا النوع الأول من الإشعاع كان هو الأول الذي تم اكتشافه، أطلق رذرفورد على هذه المواد مصطلح “جسيمات ألفا.

أظهر رذرفورد أيضا أن الجسيمات في النوع الثاني من الإشعاع لها نفس نسبة الشحنة والكتلة مثل إلكترونات طومسون، والآن معروف أنها إلكترونات عالية السرعة. تم اكتشاف نوع ثالث من الإشعاع، وبعد ذلك تبين أنه مشابه للأشعة السينية ذات الطاقة المنخفضة، ويستخدم الآن في إنتاج صور العظام 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.

النموذج الذري

بمجرد أن قدم العلماء استنتاجًا بأن كل مادة تحتوي على إلكترونات ذات شحنة سالبة، أصبح من الواضح أن الذرات الكهربائياً محايدة يجب أن تحتوي أيضًا على شحنة موجبة لتوازن الإلكترونات السالبة.

وكانت نتائج رذرفورد غير متوافقة مع النموذج الذري المفترض، حيث يفترض فيه توزيع الكتلة والشحنة الموجبة بشكل متجانس في جميع أنحاء حجم الذرة. وبدلا من ذلك، اعتقد العلماء أن الكتلة والشحنة الموجبة تتركز في جزء صغير جدا من حجم الذرة، وأطلق رذرفورد عليه اسم “النواة.” وكان من المنطقي أن يصطدم جزء صغير من جسيمات ألفا مع النواة المكتظة بالشحنة الموجبة إما بشكل سريع جدا مما يؤدي إلى انحرافات كبيرة، أو بشكل تقريبي وجها لوجه، مما يتسبب في الانعكاس المباشر إلى المصد.

على الرغم من عدم تمكن رذرفورد من تفسير سبب عدم تأثير التنافر بين الشحنات الموجبة في النواة التي تحتوي على أكثر من شحنة موجبة على تفكك النواة، إلا أنه توصل إلى استنتاج بأن التنافر بين الإلكترونات ذات الشحنة السالبة يمكن أن يؤدي إلى توزيع الإلكترونات بشكل متساوٍ في جميع أنحاء حجم الذرة.

من المعروف أن القوى النووية القوية، التي تكون أقوى بكثير من التفاعلات الكهروستاتيكية، تساعد في الحفاظ على البروتونات والنيوترونات متجمعة في النواة، وبالتالي 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.

يعتبرز نموذج رذرفورد للذرة بأنه نموذج حديث يشبه النموذج الحالي، باستثناء أنه تم الكشف الآن عن أن الإلكترونات ليست موزعة بشكل متساوٍ في جميع أنحاء حجم الذرة، وعوضًا عن ذلك، يتم توزيعها وفقًا لمجموعة من المبادئ التي وضعتها ميكانيكا الكم.

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.

عدد البروتونات الموجودة في الذرة هي السمة الأساسية التي تفسر الاختلاف بين الذرات، وهذا ما يميز كل منتج عن الآخر. وفي الغالب، تحدد الإلكترونات طريقة تفاعل الذرة مع الأخرى، في حين تحدد نسبة البروتونات الموجودة في النواة الخصائص الكيميائية للذرة في النهاية.

تعود نظرية ديموقريطس حول الذرة إلى ما لا يقل عن 440 قبل الميلاد، حيث بدأ تفسير الذرة باستخدام الحجر، واستنتج أن الذرة هي المرحلة التي لا يمكن تقسيم الكائن عندها، وأن هناك عددا لا نهائيا من الذرات، وأنها قادرة على التحرك والتجمع معا لتشكيل المادة، ولكنها لا تندمج لتشكيل ذرة جديدة، ولا يمكن تقسيمها.

ونظراً لأن الغالبية العظمى من العلماء في ذلك الوقت كانوا يعتقدون أن المادة تتكون من الأرض والهواء والنار والماء، تم تجاهل نظرية ديموقريطس الذرية.