كل المواد تتكون من ذرات. هذا شيء نأخذه الآن كأمر مسلم به ، وواحد من الأشياء التي تعلمنها في المدرسة و على الرغم من ذلك ، فإن أفكارنا حول ماهية الذرة حديثة بشكل مدهش: منذ أقل من مائة عام ، كان العلماء لا يزالون يناقشون كيف تبدو الذرة بالضبط. يلقي هذا الرسم نظرة على النماذج الرئيسية المقترحة للذرة ، وكيف تغيرت بمرور الوقت.

على الرغم من أن رسوماتنا بدأت في القرن التاسع عشر ، إلا أن فكرة الذرات كانت موجودة منذ فترة طويلة. في الواقع ، علينا العودة إلى اليونان القديمة للعثور على نشأتها. تأتي كلمة “ذرة” في الواقع من اليونانية القديمة وتُترجم تقريبًا على أنها “غير قابلة للتجزئة”. نُسبت النظرية اليونانية القديمة إلى العديد من العلماء المختلفين ، ولكن غالبًا ما تُنسب إلى ديموقريطس (460-370 قبل الميلاد) ومعلمه ليوكيبوس. على الرغم من أن أفكارهم حول الذرات كانت بدائية مقارنة بمفاهيمنا اليوم ، فقد أوجزوا فكرة أن كل شيء مصنوع من ذرات ، وهي مجالات غير مرئية وغير قابلة للتجزئة من مادة من النوع والعدد اللانهائي.

تصور هؤلاء العلماء أن الذرات تتفاوت في الشكل حسب نوع الذرة. لقد تصوروا أن ذرات الحديد تحتوي على خطافات تربطهم ببعضهم البعض ، موضحين سبب كون الحديد صلبًا في درجة حرارة الغرفة. كانت ذرات الماء ملساء وزلقة ، مما يفسر سبب كون الماء سائلًا في درجة حرارة الغرفة ويمكن سكبه. على الرغم من أننا نعلم الآن أن الأمر ليس كذلك ، إلا أن أفكارهم أرست الأسس لنماذج ذرية مستقبلية.

ومع ذلك ، فقد كان الانتظار طويلا قبل أن يتم البناء على هذه الأسس. لم يبدأ الكيميائي الإنجليزي جون دالتون حتى عام 1803 في تطوير تعريف أكثر علمية للذرة. لقد استند إلى أفكار الإغريق القدماء في وصف الذرات بأنها كرات صغيرة صلبة غير قابلة للتجزئة ، وأن ذرات عنصر معين متطابقة مع بعضها البعض. النقطة الأخيرة هي النقطة التي لا تزال صحيحة إلى حد كبير ، مع الاستثناء الملحوظ هو نظائر العناصر المختلفة ، والتي تختلف في عدد النيوترونات الخاصة بها. ومع ذلك ، نظرًا لأن النيوترون لن يتم اكتشافه حتى عام 1932 ، يمكننا على الأرجح مسامحة دالتون عن هذا الخطأ. كما توصل إلى نظريات حول كيفية اتحاد الذرات لتكوين مركبات ، وتوصل أيضًا إلى المجموعة الأولى من الرموز الكيميائية للعناصر المعروفة.

كان تحديد دالتون للنظرية الذرية بداية ، لكنه لم يخبرنا كثيرًا عن طبيعة الذرات نفسها. ما تبع ذلك كان هدوءًا آخر أقصر حيث لم تتقدم معرفتنا بالذرات كثيرًا. كانت هناك بعض المحاولات لتحديد الشكل الذي قد تبدو عليه الذرات ، مثل اقتراح اللورد كلفن بأنه قد يكون لها بنية تشبه الدوامة ، ولكن لم يبدأ التقدم في توضيح البنية الذرية إلا بعد نهاية القرن العشرين مباشرة. يلتقط.

حدث التغيير الجذري الأول في أواخر القرن التاسع عشر عندما اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جوزيف جون طومسون أن الذرة لم تكن غير قابلة للتجزئة كما ادعى سابقًا. أجرى تجارب باستخدام أشعة الكاثود التي تم إنتاجها في أنبوب تفريغ ، ووجد أن هذه الأشعة تنجذب بواسطة صفائح معدنية موجبة الشحنة ، لكنها تنفر من ألواح سالبة الشحنة. من هذا استنتج أن الأشعة يجب أن تكون سالبة الشحنة.

من خلال قياس الشحنة على الجسيمات في الأشعة ، كان قادرًا على استنتاج أنها أخف بألفي مرة من الهيدروجين ، وبتغيير المعدن ، تم صنع الكاثود منه يمكنه معرفة أن هذه الجسيمات كانت موجودة في أنواع عديدة من الذرات. لقد اكتشف الإلكترون (على الرغم من أنه أشار إليه على أنه “جسم”) ، وأظهر أن الذرات ليست غير قابلة للتجزئة ، ولكن بها أجزاء مكونة أصغر. هذا الاكتشاف من شأنه أن يفوز بجائزة نوبل في عام 1906.

في عام 1904 ، قدم نموذجه للذرة بناءً على النتائج التي توصل إليها. أطلق عليها اسم “نموذج حلوى البرقوق” (وإن لم يكن من قبل طومسون نفسه) ، فقد تصور الذرة على أنها كرة من الشحنة الموجبة ، مع إلكترونات منتشرة في جميع الأنحاء مثل البرقوق في الحلوى. بدأ العلماء في النظر إلى أحشاء الذرة ، لكن نموذج طومسون لم يستمر طويلًا – وكان أحد طلابه هو الذي قدم الدليل لإيداعه في التاريخ.

كان إرنست رذرفورد فيزيائيًا من نيوزيلندا درس في جامعة كامبريدج تحت قيادة طومسون. كان عمله الأخير في جامعة مانشستر هو الذي سيوفر مزيدًا من الأفكار حول الدواخل الداخلية للذرة. جاء هذا العمل بعد أن حصل بالفعل على جائزة نوبل في عام 1908 عن تحقيقاته في كيمياء المواد المشعة.

ابتكر رذرفورد تجربة لاستكشاف البنية الذرية التي تضمنت إطلاق جسيمات ألفا موجبة الشحنة على ورقة رقيقة من رقائق الذهب. كانت جسيمات ألفا صغيرة جدًا لدرجة أنها يمكن أن تمر عبر رقائق الذهب ، ووفقًا لنموذج طومسون الذي أظهر الشحنة الموجبة منتشرة على الذرة بأكملها ، يجب أن تفعل ذلك مع انحراف ضئيل أو بدون انحراف. من خلال إجراء هذه التجربة ، كان يأمل أن يكون قادرًا على تأكيد نموذج طومسون ، لكن انتهى به الأمر بفعل العكس تمامًا.

أثناء التجربة ، مرت معظم جسيمات ألفا عبر الرقاقة مع انحراف ضئيل أو بدون انحراف. ومع ذلك ، فقد انحرف عدد قليل جدًا من الجسيمات عن مساراتها الأصلية بزوايا كبيرة جدًا. كان هذا غير متوقع على الإطلاق. كما لاحظ رذرفورد نفسه ، “لقد كان أمرًا لا يُصدق تقريبًا كما لو أنك أطلقت قذيفة مقاس 15 بوصة على قطعة من المناديل الورقية وعادت وضربتك”. كان التفسير الوحيد الممكن هو أن الشحنة الموجبة لم تنتشر في جميع أنحاء الذرة ، بل كانت مركزة في مركز صغير كثيف: النواة. كان معظم ما تبقى من الذرة مجرد مساحة فارغة.

كان اكتشاف رذرفورد للنواة يعني أن النموذج الذري يحتاج إلى إعادة تفكير. اقترح نموذجًا حيث تدور الإلكترونات حول النواة الموجبة الشحنة. في حين أن هذا كان تحسينًا على نموذج طومسون ، إلا أنه لم يفسر ما الذي أبقى الإلكترونات تدور في مدار بدلاً من مجرد التصاعد الحلزوني في النواة.

ثم تدخل نيلز بور. كان بوهر فيزيائيًا دنماركيًا شرع في محاولة حل المشكلات باستخدام نموذج رذرفورد. لقد أدرك أن الفيزياء الكلاسيكية لا تستطيع أن تشرح بشكل صحيح ما كان يجري على المستوى الذري ؛ بدلاً من ذلك ، استدعى نظرية الكم لمحاولة شرح ترتيب الإلكترونات. افترض نموذجه وجود مستويات طاقة أو قذائف من الإلكترونات. يمكن العثور على الإلكترونات فقط في مستويات الطاقة المحددة هذه ؛ بعبارة أخرى ، تم تحديد طاقتهم ، ولا يمكن أن تأخذ أي قيمة. يمكن للإلكترونات أن تتحرك بين مستويات الطاقة هذه (التي أشار إليها بوهر باسم “الحالات الثابتة”) ، ولكن كان عليها أن تفعل ذلك إما بامتصاص أو إصدار الطاقة.

عالج اقتراح بوهر لمستويات الطاقة المستقرة مشكلة تصاعد الإلكترونات داخل النواة إلى حد ما ، ولكن ليس بالكامل. الأسباب الدقيقة أكثر تعقيدًا قليلاً مما سنناقشه هنا ، لأننا ندخل إلى عالم معقد لميكانيكا الكم ؛ وكما قال بور نفسه ، “إذا لم تصدمك ميكانيكا الكم بعمق ، فأنت لم تفهمها بعد”. بعبارة أخرى ، يصبح الأمر غريبًا نوعًا ما.

لم يحل نموذج بوهر جميع مشاكل النموذج الذري. لقد نجحت بشكل جيد مع ذرات الهيدروجين ، لكنها لم تستطع تفسير ملاحظات العناصر الثقيلة. كما أنه ينتهك مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، وهو أحد الركائز الأساسية لميكانيكا الكم ، والذي ينص على أننا لا نستطيع معرفة كل من الموقع الدقيق وزخم الإلكترون. ومع ذلك ، لم يتم افتراض هذا المبدأ إلا بعد عدة سنوات من اقتراح بور لنموذجه. على الرغم من كل هذا ، ربما لا يزال نموذج بوهر هو نموذج الذرة الذي تعرفه كثيرًا ، نظرًا لأنه غالبًا ما يكون النموذج الأول الذي تم تقديمه في المدرسة و لا يزال له استخداماته أيضًا ؛ إنه مفيد جدًا لشرح الترابط الكيميائي وتفاعل بعض مجموعات العناصر على مستوى بسيط.

على أي حال ، لا يزال النموذج بحاجة إلى صقل. في هذه المرحلة ، كان العديد من العلماء يحققون ويحاولون تطوير النموذج الكمي للذرة. من بين هؤلاء كان الفيزيائي النمساوي إروين شرودنجر ، الذي ربما سمعت عنه من قبل (إنه الرجل صاحب القطة والصندوق). في عام 1926 ، اقترح شرودنجر أنه بدلاً من تحرك الإلكترونات في مدارات أو أصداف ثابتة ، فإن الإلكترونات تتصرف كموجات. يبدو هذا غريبًا بعض الشيء ، لكن ربما تتذكر بالفعل أن الضوء يمكن أن يتصرف كموجة وجسيم (ما يُعرف باسم ازدواجية موجة-جسيم) ، وقد اتضح أن الإلكترونات تستطيع ذلك أيضًا.

حل شرودنجر سلسلة من المعادلات الرياضية للتوصل إلى نموذج لتوزيعات الإلكترونات في الذرة. يُظهر نموذجه النواة المحيطة بسحب كثافة الإلكترون. هذه الغيوم هي غيوم احتمالية. على الرغم من أننا لا نعرف بالضبط مكان وجود الإلكترونات ، فإننا نعلم أنه من المحتمل العثور عليها في مناطق معينة من الفضاء. يشار إلى هذه المناطق من الفضاء باسم المدارات الإلكترونية. ربما يكون مفهوماً لماذا لا تقود دروس الكيمياء في المدرسة الثانوية مباشرة مع هذا النموذج ، على الرغم من أنه النموذج المقبول اليوم ، لأنه يستغرق وقتًا أطول قليلاً لتفكيرك!

لم تكن كلمة شرودنجر هي الكلمة الأخيرة في الذرة. في عام 1932 ، اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك (طالب من إرنست رذرفورد) وجود النيوترون ، مكملاً صورتنا للجسيمات دون الذرية التي تشكل الذرة. القصة لا تنتهي عند هذا الحد. اكتشف الفيزيائيون منذ ذلك الحين أن البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة هي نفسها قابلة للقسمة إلى جسيمات تسمى الكواركات – لكن هذا خارج نطاق هذا المنشور! على أي حال ، تعطينا الذرة مثالًا رائعًا لكيفية تغير النماذج العلمية بمرور الوقت ، وتوضح كيف يمكن للأدلة الجديدة أن تؤدي إلى نماذج جديدة.

هذا المقال يعبر عن رأي كاتبه ولا يعبر بالضرورة عن ساسة بوست

المصادر

عرض التعليقات
تحميل المزيد