لقد قطعت النظرية الذرية شوطًا طويلًا على مدى آلاف السنين الماضية. بدءًا من القرن الخامس قبل الميلاد مع نظرية ديموقريطس عن "الكريات" غير القابلة للتجزئة التي تتفاعل مع بعضها البعض ميكانيكيًا ، ثم تنتقل إلى النموذج الذري لدالتون في القرن الثامن عشر ، ثم تنضج في القرن العشرين باكتشاف الجسيمات دون الذرية ونظرية الكم ، كانت رحلة الاكتشاف طويلة ومتعرجة.
يمكن القول إن أحد أهم المعالم على طول الطريق كان نموذج بور الذري ، والذي يشار إليه أحيانًا بالنموذج الذري لرذرفورد بور. اقترح هذا النموذج ، الذي اقترحه الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في عام 1913 ، الذرة كنواة صغيرة ذات شحنة موجبة تحيط بها الإلكترونات التي تتحرك في مدارات دائرية (محددة بمستويات طاقتها) حول المركز.
النظرية الذرية حتى القرن التاسع عشر:
تأتي أقدم الأمثلة المعروفة للنظرية الذرية من اليونان والهند القديمة ، حيث افترض فلاسفة مثل ديموقريطس أن كل المادة تتكون من وحدات صغيرة غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتدمير. صُمم مصطلح "الذرة" في اليونان القديمة وأدى إلى ظهور مدرسة الفكر المعروفة باسم "الذرة". ومع ذلك ، كانت هذه النظرية مفهومًا فلسفيًا أكثر من كونها علمية.
لم يتم حتى القرن التاسع عشر أن تُفصَّل نظرية الذرات كمسألة علمية ، مع إجراء التجارب الأولى المستندة إلى الأدلة. على سبيل المثال ، في أوائل القرن التاسع عشر الميلادي ، استخدم العالم الإنجليزي جون دالتون مفهوم الذرة لشرح سبب تفاعل العناصر الكيميائية بطرق معينة يمكن ملاحظتها ويمكن التنبؤ بها. من خلال سلسلة من التجارب التي تنطوي على الغازات ، ذهب دالتون لتطوير ما يعرف بالنظرية الذرية لدالتون.
توسعت هذه النظرية في قوانين المحادثة ذات النسب الجماعية والقصيرة ونزلت إلى خمسة أسس: العناصر ، في أنقى حالاتها ، تتكون من جزيئات تسمى الذرات ؛ ذرات عنصر معين هي نفسها ، حتى آخر ذرة ؛ يمكن التمييز بين ذرات العناصر المختلفة من خلال أوزانها الذرية ؛ تتحد ذرات العناصر لتكوين مركبات كيميائية ؛ لا يمكن إنشاء أو تدمير الذرات في التفاعل الكيميائي ، بل يتغير التجميع دائمًا.
اكتشاف الإلكترون:
بحلول أواخر القرن التاسع عشر ، بدأ العلماء أيضًا في التفكير في أن الذرة تتكون من أكثر من وحدة أساسية واحدة. ومع ذلك ، غامر معظم العلماء بأن هذه الوحدة ستكون بحجم أصغر ذرة معروفة - الهيدروجين. بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، سيتغير هذا بشكل جذري ، بفضل البحث الذي أجراه علماء مثل السير جوزيف جون طومسون.
من خلال سلسلة من التجارب باستخدام أنابيب أشعة الكاثود (المعروفة باسم أنبوب كروكس) ، لاحظ طومسون أن أشعة الكاثود يمكن أن تنحرف عن طريق المجالات الكهربائية والمغناطيسية. وخلص إلى أنه بدلاً من كونها مكونة من ضوء ، فإنها تتكون من جزيئات مشحونة بالسالب أصغر مرة واحدة وأخف بمقدار 1800 مرة من الهيدروجين.
هذا دحض بشكل فعال فكرة أن ذرة الهيدروجين كانت أصغر وحدة للمادة ، وذهب طومسون أبعد من ذلك ليقترح أن الذرات قابلة للقسمة. لشرح الشحنة الإجمالية للذرة ، والتي تتكون من كل من الشحنات الإيجابية والسلبية ، اقترح طومسون نموذجًا يتم بموجبه توزيع "الكريات" ذات الشحنة السالبة في بحر موحد من الشحنة الموجبة - المعروف باسم نموذج البرقوق.
سميت هذه الجسيمات لاحقًا باسم "الإلكترونات" ، استنادًا إلى الجسيم النظري الذي تنبأ به الفيزيائي الأنجلو أيرلندي جورج جونستون ستوني في عام 1874. ومن هذا ، ولد نموذج البرقوق ، سميت بذلك لأنها تشبه الصحراء الإنجليزية التي تتكون من كعكة البرقوق والزبيب. تم تقديم المفهوم إلى العالم في إصدار مارس 1904 من المملكة المتحدة مجلة فلسفية ، الى اشادة واسعة.
نموذج روثرفورد:
كشفت التجارب اللاحقة عن عدد من المشكلات العلمية في نموذج حلوى البرقوق. بالنسبة للمبتدئين ، كانت هناك مشكلة في إثبات أن الذرة تمتلك شحنة خلفية إيجابية موحدة ، والتي أصبحت تعرف باسم "مشكلة طومسون". بعد خمس سنوات ، سيتم دحض النموذج من قبل هانز جايجر وإرنست مارسدن ، الذين أجروا سلسلة من التجارب باستخدام جسيمات ألفا وورق الذهب - المعروف أيضًا. تجربة "رقائق الذهب".
في هذه التجربة ، قام Geiger و Marsden بقياس نمط تشتت جسيمات ألفا مع شاشة الفلورسنت. إذا كان نموذج طومسون صحيحًا ، فستمر جسيمات ألفا من خلال التركيب الذري للرقاقة بدون عوائق. ومع ذلك ، لاحظوا بدلاً من ذلك أنه في حين أن معظمهم يتم إطلاق النار من خلاله مباشرة ، فإن بعضهم مشتتون في اتجاهات مختلفة ، مع عودة البعض الآخر في اتجاه المصدر.
استنتج Geiger و Marsden أن الجسيمات واجهت قوة إلكتروستاتيكية أكبر بكثير من تلك التي سمح بها نموذج طومسون. بما أن جزيئات ألفا هي مجرد نوى هيليوم (مشحونة إيجابيا) ، فهذا يعني أن الشحنة الموجبة في الذرة لم تنتشر على نطاق واسع ، ولكنها تتركز في حجم صغير. بالإضافة إلى ذلك ، حقيقة أن تلك الجسيمات التي لم تنحرف تمر عبر عوائق تعني أن هذه المساحات الإيجابية تم فصلها بواسطة فجوات واسعة من الفضاء الفارغ.
بحلول عام 1911 ، قام الفيزيائي إرنست رذرفورد بتفسير تجارب جيجر مارسدن ورفض نموذج طومسون للذرة. وبدلاً من ذلك ، اقترح نموذجًا تتكون فيه الذرة من مساحة فارغة في الغالب ، مع تركيز كل شحنتها الإيجابية في مركزها في حجم صغير جدًا ، محاطًا بسحابة من الإلكترونات. أصبح هذا يعرف باسم نموذج روثرفورد للذرة.
نموذج بور:
صقلت التجارب اللاحقة التي قام بها أنطونيوس فان دن برويك ونيلز بور النموذج أكثر. في حين اقترح فان دن برويك أن العدد الذري لعنصر مشابه جدًا لشحنته النووية ، فقد اقترح الأخير نموذجًا يشبه النظام الشمسي للذرة ، حيث تحتوي النواة على العدد الذري للشحنة الموجبة ويحيط بها متساوي عدد الإلكترونات في الأصداف المدارية (المعروفة أيضًا بنموذج بور).
بالإضافة إلى ذلك ، قام نموذج بور بتحسين عناصر معينة من نموذج روثرفورد التي كانت إشكالية. وشملت هذه المشاكل الناشئة عن الميكانيكا الكلاسيكية ، التي تنبأت بأن الإلكترونات ستطلق الإشعاع الكهرومغناطيسي أثناء دوران النواة. بسبب فقدان الطاقة ، يجب أن يكون الإلكترون يتصاعد بسرعة إلى الداخل وينهار في النواة. باختصار ، يشير هذا النموذج الذري إلى أن جميع الذرات كانت غير مستقرة.
تنبأ النموذج أيضًا أنه مع دوران الإلكترونات إلى الداخل ، سيزداد انبعاثها بسرعة في التردد حيث أصبح المدار أصغر وأسرع. ومع ذلك ، أظهرت التجارب على التفريغ الكهربائي في أواخر القرن التاسع عشر أن الذرات لا تنبعث منها سوى طاقة كهرومغناطيسية عند ترددات منفصلة معينة.
قام بوهر بحل ذلك من خلال اقتراح أن الإلكترونات التي تدور حول النواة بطرق تتوافق مع نظرية الكم للإشعاع. في هذا النموذج ، يمكن للإلكترونات أن تشغل بعض المدارات المسموح بها فقط بطاقة محددة. علاوة على ذلك ، يمكنهم اكتساب الطاقة وفقدانها فقط من خلال القفز من مدار مسموح به إلى آخر ، وامتصاص أو إصدار الإشعاع الكهرومغناطيسي في هذه العملية.
ارتبطت هذه المدارات بطاقات محددة ، والتي أشار إليها قذائف الطاقة أو مستويات الطاقة. بعبارة أخرى ، طاقة الإلكترون داخل الذرة ليست متواصلة ، لكنها "محددة". وبالتالي يتم تسمية هذه المستويات بالرقم الكمي ن (ن = 1 ، 2 ، 3 ، إلخ.) التي ادعى أنه يمكن تحديدها باستخدام صيغة Ryberg - قاعدة صاغها عام 1888 الفيزيائي السويدي يوهانس Ryberg لوصف أطوال موجات الخطوط الطيفية للعديد من العناصر الكيميائية.
تأثير نموذج بور:
في حين أثبت نموذج بور أنه رائد في بعض النواحي - دمج ثابت Ryberg وثابت Planck (المعروف أيضًا باسم نظرية الكم) مع نموذج Rutherford - إلا أنه يعاني من بعض العيوب التي ستوضحها التجارب في وقت لاحق. بالنسبة للمبتدئين ، افترضت أن للإلكترونات نصف قطرًا ومدارًا معروفين ، وهو أمر من شأنه أن يرفضه فيرنر هايزنبرغ بعد عقد من الزمن بمبدأ عدم اليقين.
بالإضافة إلى ذلك ، بينما كان مفيدًا للتنبؤ بسلوك الإلكترونات في ذرات الهيدروجين ، فإن نموذج بور لم يكن مفيدًا بشكل خاص في التنبؤ بأطياف الذرات الأكبر. في هذه الحالات ، حيث تحتوي الذرات على إلكترونات متعددة ، لم تكن مستويات الطاقة متسقة مع ما توقعه بور. لم يعمل النموذج أيضًا مع ذرات الهيليوم المحايدة.
لم يستطع نموذج بور أيضًا تفسير تأثير زيمان ، وهي ظاهرة لاحظها الفيزيائيون الهولنديون بيتر زيمان في عام 1902 ، حيث تنقسم الخطوط الطيفية إلى قسمين أو أكثر في وجود مجال مغناطيسي خارجي ثابت. ولهذا السبب ، تمت محاولة العديد من التحسينات باستخدام نموذج بور الذري ، ولكن ثبت أن هذه المشاكل أيضًا.
في النهاية ، سيؤدي هذا إلى استبدال نموذج بور بنظرية الكم - بما يتفق مع عمل هايزنبرغ وإروين شرودنغر. ومع ذلك ، يظل نموذج بور مفيدًا كأداة تعليمية لتعريف الطلاب على نظريات أكثر حداثة - مثل ميكانيكا الكم والنموذج الذري لقشرة التكافؤ.
وقد يثبت أيضًا أنه معلم رئيسي في تطوير النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، وهو نموذج يتميز بـ "السحب الإلكترونية" ، والجسيمات الأولية ، وعدم اليقين.
لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول النظرية الذرية هنا في مجلة الفضاء. هذا هو النموذج الذري لجون دالتون ، ما هو نموذج البرقوق ، ما هو نموذج سحابة الإلكترون ؟، من كان ديموقريطوس؟ وما هي أجزاء الذرة؟
يلقي علماء الفلك أيضًا بعض الحلقات حول هذا الموضوع: الحلقة 138: ميكانيكا الكم ، الحلقة 139: مستويات الطاقة والأطياف ، الحلقة 378: روثرفورد والذرات والحلقة 392: النموذج القياسي - مقدمة.
مصادر:
- نيلز بور (1913) "حول دستور الذرات والجزيئات ، الجزء الأول"
- نيلز بور (1913) "حول دستور الذرات والجزيئات ، الجزء الثاني أنظمة تحتوي فقط على نواة واحدة"
- موسوعة بريتانيكا: نموذج Borh الذري
- Hyperphysics - نموذج بور
- جامعة تينيسي ، نوكسفيل - نموذج بوره
- جامعة تورنتو - نموذج بور للذرة
- وكالة ناسا - تخيل الكون - الخلفية: الذرات والطاقة الخفيفة
- عن التعليم - نموذج بور للذرة
