الذرة

الذرة منذ العصور القديمة إلى ماقبل طومسون .
منذ القدم حاول الانسان التعرف على ماهية المادة ، وبما أن كل العلوم كانت بيد الفلاسفة فقد كان لهم السبق في البحث والتفكير عن ماهيتها فهم كما يقال يعرفون كل شيء ، وكانت كل محاولاتهم بالطبع مجرد تفكير عقلي بعيداً عن أي تجارب عملية ، فمنهم من قال بأن المصدر الأولي للمادة هو الماء ومنهم من ذكر بأن المادة تتألف من أربعة عناصر ماء وهواء وتراب ونار ، ومنهم من ذكر بأن المادة تتألف من دقائق صغيرة تدعى الذرات ( atoms ) وخلال هذه الفترة من العصور الإنسانية المبكرة ظهرت العديد من الأفكار والتصورات الغريبة التي بنيت على هذه المفاهيم مثل فكرة حجر الفلاسفة ونظرية الفلوجستون والقوة الحيوية وأكسير الحياة . وكانت كل تلك الرؤى والتصورات التي سادت في تلك الحقب منبثقة من نظريتين مشهورتين في تلك الفترة وهما النظرية المتصلة والنظرية المنفصلة .
النظرية المتصلة تنص على أن التقسيم المطرد ( المتتالي ) للمادة سيتصل ويستمر ولن ينتهي بمعنى أننا لن نصل في النهاية إلى أجزاء دقيقة غير قابلة للانقسام بينما النظرية المنفصلة تنص على أن التجزئة المتتالية للمادة ستنفصل في النهاية بالحصول على دقائق غير قابلة للانقسام .
استمر هذا التخلف الكيميائي والذي كان نتاجاً طبيعياً لاستخدام التفكير العقلي المجرد في البحث إلى القرن السادس عشر حتى جاء دالتون ووضع أول نظرية علمية عن الذرة في عام 1808 للميلاد واستطاع من خلالها تفسير بعض القوانين المعروفة في ذلك الوقت مثل قانون حفظ الكتلة وقانون النسب الثابتة وغيرهما .

والنظرية تتألف باختصار من ثلاثة فروض وهي :

1- تتألف المادة من دقائق صغيرة غير قابلة للانقسام تدعى الذرات .
2-الذرة أصغر جزء في العنصر وتختلف العناصر باختلاف ذراتها وأن ذرات العنصر الواحد متشابهة في كل الخواص .
3- عندما تتحد العناصر لتكوين المركبات فإنها تتحد بأعداد صحيحة من الذرات .

وهنا وضع دالتون تصوره للذرة وقال بأن الذرة عبارة عن جسيم كروي مصمت ( غير فارغ ) ذوكثافة عالية يشبه كرة البلياردو .

والحقيقة أن هذه القفزة الكبيرة في نوعية التفكير( من تفكير عقلي مجرد إلى تفكير نابع عن مشاهدة قوانين طبيعية ومحاولة تفسيرها ) والتي انتهجها دالتون في بحثه شجعت العلماء في ذلك الوقت على السير قدماً في البحث والتنقيب عن ماهية المادة ومحاولة الكشف عن المزيد حول تركيب الذرة .

تجارب التحليل الكهربي ودورها في تطور مفهوم تركيب المادة

من خلال تجارب فارادي في التحليل الكهربي تم الإشارة ولأول مرة إلى وجود علاقة بين الماده والكهرباء واحتواء ذرات العناصر على جسيمات سالبة الشحنة .

تجارب التفريغ الكهربائي ودورها فيتطور مفهوم تركيب المادة

كانت لتجارب التفريغ الكهربي دور انقلابي في تاريخ الذرة عندما أثبتت وجود جسيمات سالبة الشحنة في ذرات العناصر عرفت بالالكترونات ، وتتألف أنبوبة التفريغ الكهربي من أنبوبة زجاجية تحتوي على قطبين معدنين في طرفيها ويتصل القطبان من الطرف الأخر بمصدر كهربي عالي الجهد ، وعندما تكون الأنبوبة مملوءة بالهواء عند الضغط الجوي العادي فلا يلاحظ أي شيء ولكن إذا فرغت الأنبوبة من الهواء وعرضت إلى فرق جهد كهربي مرتفع ( 10000 فولت ) وتم طلاء الأنبوب ببعض المواد الكيميائية مثل كبريتيد الخارصين يلاحظ إشعاع ضوء من الأنبوب .

وبالبحث عن مصدر هذا الضوء ومحاولة التعرف على ماهيته وجد أن المصدر هو القطب السالب ( المهبط ) في الأنبوب لذلك سميت هذه الأشعة بأشعة المهبط وهي في الحقيقة ليست أشعة بل عبارة عن جسيمات ذات كتلة تحمل شحنة سالبة ، وقد تم التعرف على كونها جسيمات ذات كتلة بوضع عجلة صغيرة في مسار الأشعة فلوحظ بأنها تتحرك وبتعريض هذه الأشعة لمجال مغناطيسي لوحظ انحرافها بطريقة تشير إلى أنها تحمل شحنة سالبة ، واتضح أن هذه الجسيمات متشابهة مهما كانت المادة المصنوع منها القطب السالب ومهما كان نوع الغاز في الأنبوب .

وقد أدت التجارب التي أجراها أولاً أويجن جولد شتاين في 1886 م إلى اقتراح أن الجسيمات الموجبة تتكون أيضاً في أنابيب التفريغ حيث يوجد القطب الموجب في أحد طرفي الأنبوب والقطب السالب الذي يتكون من قطعة من المعدن المحفور بها ثقب في الطرف الأخر ويتم وضع حاجز كاشف خلف القطب السالب وعند التشغيل يلاحظ خيط مضيء يمكن أن ينحرف بواسطة مغناطيس في اتجاه مضاد للانحراف الذي يحدث لأشعة المهبط في أنبوب التفريغ الكهربي والاستنتاج هو أن هذا الخط المضيء ما هو إلا حزمة من الجسيمات الموجبة ، ويمكن تفسير هذه الظاهرة بأن الالكترونات المنبعثة من المهبط ( أشعة المهبط ) تصطدم بذرات الغاز المتعادلة الموجود في الأنبوب الزجاجي فتؤدي إلى طرد بعض الالكترونات الموجودة بذرات الغاز وتؤينها لتكون أيونات موجبة ومن ثم ستنجذب هذه الأيونات الموجبة بطبيعة الحال نحو القطب السالب للتعادل بعض الذرات عليه بينما تنفذ بعض هذه الجسيمات من خلال الثقب الموجود بالمهبط وترتطم بالانبوب مكونةً حزمة من الجسيمات الموجبة ، وقد وجد أن هذه الجسيمات تكون أثقل من الالكترونات وتعتمد كتلتها على نوع الغاز الموجود في الأنبوب ، وبهذا كانت هذه التجربة أول تجربة تشير إلى وجود جسيمات تحمل شحنة موجبة في ذرات العناصر .

في عام 1895 للميلاد اكتشف ( ويليم رنتجن ) الأشعة السينية (X rays )عندما لاحظ صدور اشعاعات عالية الاختراق قد نتجت من اصطدم أشعة المهبط بالفلزات ، كما اكتشف بيكريل أن اشعاعاً مشابهاً تقريباً قد انبعث تلقائياً بواسطة خام اليورانيوم في عملية تعرف حالياً بالتحلل عن طريق النشاط الاشعاعي .
وبدراسة طبيعة هذه الاشعاعات الناتجة من العناصر المشعة كاليورانيوم مثلاً تم التعرف على مكوناتها وهي :
1- اشعة الفا وهي الحقيقة جسيمات وليست أشعة ( أيونات عنصر الهيليوم الموجبة ) .
2- جسيمات بيتا وهي عبارة عن الكترونات .
3- جسيمات متعادلة أشعة جاما وهي عبارة عن أشعة شبيه بالأشعة السينية
وهناك مصادر مشعة أخرى تعطي نوعاً رابعاً من الاشعاع يشتمل على بوزيترونات والبوزيترونات جسيمات تشبه الالكترونات الا أنها تحمل شحنة موجبة .
والجدير بالذكر هنا أن عملية الاشعاع يصحبها اختفاء تدريجي للعنصر الأساسي وظهور عنصر جديد وتعرف هذه العملية بالتحول فمثلاً ذرات اليورانيوم تتحول إلى الثوريوم ، والصورة التالية توضح تحولاً مصطنعاً لليورانيوم إلى عنصري الزينون والسترونشيوم .
ثانياً : الذرة منذ عصرطمسون وحتى عصر نيلز بور.

في عام 1897 م تمكن طومسون من تحديد نسبة شحنة الالكترون إلى كتلته مستخدماً أنبوبة تفريغ كهربي معدلة كما يتضح من الصورة التالية :
حيث يتم فيها إمرار حزمة من أشعة المهبط ( الالكترونات ) في داخل أنبوب التفريغ من خلال ثقب صغير مابين صفيحتين معدنييتين مشحونتين وفي نفس الوقت تم تعريض الأشعة لمجال مغناطيسي وفي النهاية تسقط هذه الحزمة من الأشعة على حاجز كاشف في نهاية الأنبوب ، فالذي يحدث أن الأشعة سوف تنحرف تحت تأثير المجال المغناطيسي وكذلك سيحدث انحراف مضاد بسبب الصفيحتين المعدنيتين المشحونتين ، ثم بقياس قوة المغناطيس والجهد الواقع على الصفيحتين ومقارنتها بالمعلومات المعروفة من عملية إمرار الاشعة في عدم وجود المغناطيس والصفائح امكن حساب نسبة الشحنة إلى الكتلة الخاصة بالجسيمات .
وهنا وضع طمسون تصوره للذرة فقال بأن الذرة عبارة عن جسيم كروي موجب الشحنة تتخلله الكترونات سالبة الشحنة .
وقد تمكن مليكان في عام 1909 م من قياس شحنة الالكترون عن طريق تجربة قطرة الزيت الشهيرة ومنها امكن حساب كتلة الالكترون
وبنفس الطريقة تم قياس نسبة شحنة أيون الهيدروجين إلى كتلته ( البروتون ) وباستخدام جهاز معدل للجهاز المستخدم في حالة الالكترون تم تعيين كتلة ( البروتون) .

في عام 1911م أجرى رذرفورد تجربة أدت إلى اكتشاف النواة حيث قام باسقاط جسيمات الفا ( أنوية ذرات عنصر الهيليوم He++ ) والتي مصدرها عنصر البولونيوم المشع على صفيحة رقيقة جداً من الذهب وقام بتتبع هذه الجسيمات بعد سقوطها على الصفيحة باستخدام لوح مطلي بمادة كبيريتيد الخارصين ( كبريتيد الخارصين مادة تتوهج عند سقوط جسيمات الفا عليها ) فوجد التالي :

معظم الجسيمات نفذت دون ان تعاني أي انحراف وهذا شيء متوقع وبعض الجسيمات نفذت ولكنها عانت انحرافاً ما بين انحراف بسيط وانحراف شديد ، والمفاجأة أن جزء قليل من الجسيمات انعكس وارتد عن مساره للخلف .

وقد استطاع رذرفورد تفسير هذه المشاهدات كالتالي :
مرور جزء كبير من جسيمات ألفا يعني أن هناك فراغ كبير في الذرة وجسيمات الفا المرتدة عن مسارها لابد وأن تكون قد صادفت جزء في الذرة صغير الحجم عالي الكتلة وموجب الشحنة فاصطدمت به وارتدت للخلف ، وهذا معناه أن البروتونات متجمعة في جزء صغير في وسط الذرة .

أما الجزء الذي انحرف فانحرف نتيجة مروره بالقرب من هذه النواة بحيث يكون مقدار الانحراف متناسباً مع مدى قرب أو بعد الجسيمات عن النواة عند مرورها .

وهنا وضع رذرفورد تصوره عن الذرة وذكر بأن الذرة عبارة عن جسيم يتألف من نواة صغيرة الحجم ثقيلة الوزن موجبة الشحنة تحوي البروتونات الموجبة وحولها يوجد فراغ كبير يحوي الالكترونات السالبة .

ولم يستطع رذرفورد توضيح وضع الالكترونات في الفراغ الموجود حول النواة . هل الالكترونات ثابتة أم متحركة ؟ فاذا كانت ثابتة فلماذا لا تنجذب نحو النواة وتنغمس فيها ؟ واذا كانت متحركة فلماذا لا تشع الذرة ضوءاً ؟ والمعروف وقتها أن أي جسيم مشحون يتحرك تحت قوى جذب لابد وأن يشع ضوءاً .

لذلك وصفت ذرة رذرفورد بأنها غير مستقرة .

كان موزلي يدرس طاقة الأشعة السينية في ( 1913 م ) المنبعثة من فلزات مختلفة عندما تصطدم بها الالكترونات ، وباستخدام أنبوبة الأشعة السينية مثل الموضحة بالصورة والتي تتألف من أقطاب أنودية (+) من فلزات يمكن تبادلها مع بعضها لتصطدم بها الكترونات صادرة من مهبط (-) مقوس ثم تقاس طاقتها وقد لوحظ انتظام مطرد جدير بالاهتمام ورسمت علاقة بيانية بين الجذر التربيعي للطاقة مقابل الوزن الذري ( الكتلة الذرية ) حيث كان المخطط الناتج عبارة عن خط مستقيم ولكن كان هناك بعض الفراغات في الخط ( تخص عناصر لم تكتشف بعد في ذلك الوقت ) كما كان يوجد أيضاً قليل من عدم الانتظام ولكي يمكن التخلص من عدم الانتظام هذا اقترح موزلي أن الوزن الذري لم يكن الخاصية الأساسية للذرة التي تحدد طاقة أشعة المهبط ولكن كان هناك مدلولاً أخر أكثر أهمية .

وفي زمن موزلي تنص الفكرة التي كانت سائدة وقتها عن الذرة أنها تتكون من مركز موجب تنجذب إليه الالكترونات السالبة عن طريق تجاذب كهربي عادي ولكي يمكن الحصول على اتفاق كمي بين ملاحظاته الخاصة بالأشعة السينية والطاقة التي تربط الالكترونات بالنواة فقد اقترح موزلي أن مقدار الشحنة الموجبة على النواة يتزايد تدريجياً بالنسبة لجميع العناصر وتعتبر الخطوة التالية بسيطه وهي اعتبار هذا العدد بأنه عدد البروتونات في النواة .

ومع ذلك فقد بقيت المشكلة الخاصة بكتلة النواة دون حل فكيف يمكن الحصول على كتل مختلفة لذرات مختلفة من نفس العنصر بمعنى كيف يمكننا الحصول على نظائر للعنصر ؟

وكان الرد على ذلك هو افتراض وجود شيء أخر في النواة فظهر نموذج البروتون – الكترون الذي يفترض احتواء النواة على الكترونات سالبة تعادل الشحنات الموجبة بحيث يكون عدد البروتونات في النواة ثابتاً .
لم يلق هذا النموذج العناية الكافية فقد قوبل باعتراض شديد عندما تم التعرف على خواص الالكترون، إذ لايمكن لجسيم في مثل خفة الالكترون أن يكون حبيساً في حجم صغير مثل النواة كما أن طاقة الحركة تكون هائلة لدرجة أنه لا يمكن أن يكون مقيداً في النواة .

وظل السؤال المحير قائماً ، كيف يمكن تفسير النظائر ؟

وجاءت الاجابة سريعاً عندما اكتشف جيمس شادويك النيوترونات في 1932م وذلك حين قذف ذرة البريليوم بجسيمات الفا فلاحظ انطلاق أشعة ذات سرعة عالية تساوي تقريباً عشر سرعة الضوء وقدرة عالية على الاختراق ووجد أن هذه الأشعة لا تتأثر بالمجالين المغناطيسي أو الكهربي وكتلتها تساوي تقريباً كتلة البروتونات وبعدها صوب هذا الشعاع النيتروني على قطعة من البارافين حيث تفاعلت النيترونات مع الهيدروجين في البارافين لتولد حزمة من البروتونات التي يمكن كشفها باستخدام تقنية الانحراف المغناطيسي .

الجسيمات الرئيسية المكونة للذرة مع توضيح نسبة حجم النواة إلى حجم الذرة
بور يكشف عن كيفية وجود الالكترونات في ذرات العناصر .

وجاء دور السير نيلز بور ليضيف الجديد حول مفهوم الذرة وعن وضعية الالكترونات في الفراغ حول النواة .

في أواخر القرن السابع عشر أثبت اسحاق نيوتن أن الضوء المرئي يتحلل باستخدام منشور إلى سبعة ألوان هي ألوان الطيف ويعرف هذا النوع من الأطياف بالطيف المتصل لان هناك تداخل تدريجي من لون إلى أخر .
ولو استبدلنا الضوء المرئي بمصدر للضوء أضيف إليه ملح يمكن تحويله إلى بخار فإن الطيف الناتج لا يكون مستمراً ومتصلاً بل نحصل على طيف خطي مكون من ألوان على هيئة خطوط ضيقة ومنفصلة عن بعضها البعض وكل خط يرادف ضوء ذي طاقة محددة وهذا معناه ان ذرات العناصر يمكنها أن تشع ضوءاً ذي طاقة محددة بمعنى أن الطاقة المنبعثة من الذرات ليست مجرد طاقة ولكنها محددة وذات قيم ثابته ومتميزة .

وإذا استعملت مركبات لعناصر مختلفة على هيئة مصادر للضوء نلاحظ أن كل عنصر يعطي طيفه الخطي المميز له .

وبناءً على هذه المشاهدات تمكن نيلز بور من تفسير طيف عنصر الهيدروجين وأعلن عن انطلاق علم جديد وهو علم ميكانيكا الكم الذي يقوم على افتراض أن الجسيمات الصغيرة في الكتلة مثل الالكترونات لا تتبع قوانين نيوتن عن الحركة ولا تتبع أيضاً بقية القوانين التقليدية للديناميكا الكهربية التي تصف التعاملات بين الشحنات المتحركة ولكنه علم له مباديء وأسس وقواعد مختلفة من خلالها يمكن تفسير كيفية وجود الالكترونات في الذرة .

ومن ثم طرح بور نظريته الشهيرة والمكونة من عدة فروض والتي تتحدث عن كيفية وجود الالكترونات في الفراغ حول النواة وبالرغم من أن بور لم ينجح في تفسير أطياف بقية العناصر غير الهيدروجين نظراً لتعقد تركيبها ولكنه كان واثقاً كل الثقه من صحة تفسيره الذي افترضه وأبدى تأكيده بأنه سيأتي بالتأكيد مستقبلاً من يفسر أطياف بقية العناصر
فروض نظريةبور :

1- تتحرك الالكترونات في الفراغ حول النواة داخل الذرة في مسارات ( مدارات ) دائرية لكل مدار طاقة ثابته ومحددة . ويبلغ عدد هذه المدارات سبعة مدارات اعطيتها الأرقام من 1 إلى 7 حسب قربها من النواة فالمدار رقم 1 هو الأقرب إلى النواة والمدار 2 أبعد وهكذا ، كما أني رمزت لكل مدار بحرف وهي ( ك ، ل، م ، ن ، هـ ، و ، ز )

2- في الحالة الطبيعية فإن الذرة لا تشع ضوءً ولكن عند انتقال الكترون من مدار ذي طاقة أقل إلى مدار ذي طاقة أعلى ثم عودته فإنه يشع ضوأً عند رجوعه إلى مداره الأقل في الطاقة .
العيوب التي وقع فيها بور وضعت اسس النظرية الحديثة

النظرة للالكترون علي انة مجرد جسيم مادي سالب لم تفسر جميع خصائص الالكترون

وهنا نشأت الطبيعة المزدوجةللاالكترون

كما ان بور قال بامكان تحديد مكان وسرعة الالكترون وهذا بستحيل عمليا

وهنا نشأ مبدأ عدم التأكد لهيزنبرج
وكان لابد وصف مكان الالكترون في الذرة عن طريق المعادلة الموجية لشرودنجر