نظرية ذرية

فكرة أن المادة مصنوعة من وحدات منفصلة فكرة قديمة جداً، وقد ظهرت في العديد من الثقافات القديمة كاليونان والهند. على أي حال، لقد ظهرت هذه الأفكار في التفكير الفلسفي واللاهوتي بدلاُ من الدليل والتجريب، وبسبب هذا، لم تُقنِع هذه الأفكار الجميع، وظلت الذرية أحد النظريات المنافسة لتفسير طبيعة المادة. لم يتبنى العلماء الذرية قبل القرن التاسع عشر، عندما ظهرت اكتشافات كيميائية يمكن تفسيرها بسهولة باستخدام مفهوم الذرات.

ظهر قانونان حول التفاعلات الكيميائية قرب نهاية القرن الثامن عشر لا يتضمن إشارةً إلى فكرة النظرية الذرية. كان الأول هو قانون انحفاظ الكتلة الذي صاغه أنطوان لافوازييه عام 1789، والذي ينص على أن الكتلة الكلية في تفاعل كيميائي تبقى ثابتة (أي أن مجموع كتلة المواد المتفاعلة يساوي مجموع كتلة المواد الناتجة).[2] أما الثاني فهو قانون النسب الثابتة، وقد أُثبت هذا القانون للمرة الأولى على يد الكيميائي الفرنسي جوزيف لويس بروست عام 1799،[3] ينص هذا القانون على أن مركباً ما إذا فُصِل إلى عناصره المُكوِّنة فإن هذه العناصر دائماً تأخذ نفس النسب، بغض النظر عن كمية أو مصدر المادة الأصلية.

درس جون دالتون ما سبق وتوسع فيه وطوّر قانون النسب المتضاعفة، الذي ينص على أنه إذا أمكن جمع عنصرين لتشكيل عدد من المركبات المحتملة، فإن النسبة بين الكتل المختلفة من أحد العنصرين التي تتحد مع كتلة ثابتة من العنصر الآخر تكون نسبة عددية صحيحة وبسيطة. على سبيل المثال، درس بروست أكاسيد القصدير ووجد أن كتلتها هي إما 88.1% قصدير و 11.9% أوكسجين أو 78.7% قصدير و 21.3% أوكسجين (و هي أوكسيد القصدير الثنائي وثنائي أوكسيد القصدير على التوالي). لاحظ دالتون من هذه النسب المئوية أن 100 غرام من القصدير ستجتمع مع إما مع 13.5 غرام أو 27 غرام من الأوكسجين. حيث تشكل 13.5 و 27 النسبة 1:2. وجد دالتون أن النظرية الذرية للمادة يمكن أن تشرح هذا النموذج الكيميائي الشائع بشكل أنيق، ففي حالة أكاسيد القصدير التي بحثها بروست، سوف تتحد ذرة واحدة من القصدير مع ذرة أو ذرتين من الأوكسجين.[4]

آمن دالتون بأن النظرية الذرية قادرة على تفسير سبب امتصاص المياه للغازات المختلفة بنسب مختلفة، على سبيل المثال وجد أن الماء يمتص ثنائي أوكسيد الكربون بشكل أفضل من امتصاصه لغزا النتروجين.[5] افترض دالتون أن سبب هذا السلوك الاختلافات في الكتلة ومزيج جزيئات الغاز، بالإضافة إلى أن جزيئات ثنائي أوكسيد الكربون أثقل وأكبر من جزيئات النيتروجين.

اقترح دالتون أن كل عنصر كيميائي يتكون من ذرات نوع فريد واحد، وعلى الرغم أن هذه الذرات لا يمكن تدميرها أو تغييرها بوسائل كيميائية، فإنه من الممكن أن تجتمع لتشكل بنى أكثر تعقيداً (المركبات الكيميائية). كانت هذه أول نظرية علمية حقيقية عن الذرة، حيث توصل دالتون إلى استنتاجاته عن طريق التجريب.

ذرات و جزيئات متنوعة كما تظهر في كتاب جون دالتون «نظام جديد للفلسفة الكيميائية» عام 1808.

عام 1803 قدم دالتون شفوياً قائمته الأولى للأوزان الذرية النسبية لعدد من المواد. نُشِرت هذه الورقة عام 1805، لكنه لم يناقش بالضبط طريقة حصوله على الأرقام.[5] كُشِف للمرة الأولى عن طريقة الحساب عام 1807 من قبل معارفه توماس طومسون في كتاب «نظام الكيمياء» في الطبعة الثالثة منه. وأخيراً نشر دالتون حساباً كاملاً في كتابه الخاص «نظام جديد للفلسفة الكيميائية» بين عامي 1808 و 1810.

قدّر دالتون الأوزان الذرية استناداً لنسب الكتلة عند اتحادها مع ذرة الهيدروجين، التي اِعتُبرت واحدةً للقياس. على الرغم من أن دالتون لم يتصور وجود ذرات بعض العناصر متحدةً بشكل جزيئات- على سبيل المثال الأوكسجين النقي يوجد بشكل جزيئات أوكسجين كل واحدة منها تتألف من ذرتين. واعتقد دالتون بصورة خاطئة أن أبسط مركب بين أي عنصرين هو دائماً المركب المكون من ذرة واحدة من أحدهما وذرة من الآخر (لذا فقد اعتقد أن HO أبسط من H₂O).[6] بالإضافة إلى سوء معداته والعيب في نتائجه، على سبيل المثال كان يعتقد عام 1803 أن ذرات الأوكسجين كانت أثقل بـ 5.5 مرات من ذرات الهيدروجين، لأنه قاس في الماء 5.5 غرام من الأوكسجين مقابل كل 1 غرام هيدروجين واعتقد كذلك أن صيغة الماء هي HO. عام 1806اعتمد دالتون أرقاماً أفضل، حيث خلص إلى أن الوزن الذري للأوكسجين هو 7 أضعاف الهيدروجين بدلاً من 5.5، وقد اعتمد هذا الوزن لبقية حياته، بينما خلص آخرون عاصروه إلى أن ذرة الأوكسجين يجب أن تزن 8 أضعاف ذرة الهيدروجين إذا اعتمد صيغة دالتون لجزيء الماء HO، أو يجب أن يزن 16 ضعف ذرة الهيدروجين إذا اعتمد الصيغة الحالية (H₂O).[7]

صَحَّح أميديو أفوجادرو الخلل في نظرية دالتون من حيث المبدأ عام 1811. اقترح أفيجادرو أن حجماً متساوياً من أي غازين عند درجة حرارة وضغط متساوي يحتوي هذا الحجم حينها على عدد متساوٍ من الجزيئات (بعبارة أخرى، كتلة جزيئات الغاز لا تؤثر على الحجم الذي يشغله الغاز).[8] وقد مكّن هذا القانون أفيجادرو من استنتاج الطبيعة الذرية الثنائية للعديد من الغازات عبر دراسة الأحجام التي تفاعلت معها، على سبيل المثال فإن 2 ليتر من الهيدروجين تتفاعل مع ليتر واحد من الأوكسجين لإنتاج ليترين من غاز بخار الماء (عند ضغط ودرجة حرارة ثابتين)، وهذا يعني أن جزيئة الأوكسجين الواحدة تنقسم إلى جزيئتين من أجل تشكيل جزيئتي ماء. وهكذا كان أفيجادرو قادراً على تقديم تقديرات أكثر دقة للكتلة الذرية للأوكسجين ومختلف العناصر الأخرى، واستطاع التمييز بشكل واضح بين الجزيئات والذرات.

عام 1827، لاحظ عالم النبات البريطاني روبرت براون أن جسيمات غبار الطلع داخل الماء تستمر في الحركة دون سبب واضح. فسّر أينشتاين هذه الحركة عام 1905 بأنها ناجمة عن جزيئات الماء التي تصدم حبات الطلع باستمرار، ووضغ نموذجاً رياضياً افتراضياً لوصف الحركة.[9] تم التحقق من صحة هذا النموذج تجريبياً عام 1908 من قبل الفيزيائي الفرنسي جن بيرين. وفرت الحركة البراونية دليلاً إضافياً على صحة نظرية الجسيمات.

الأشعة المهبطية (زرقاء) تنبعث من المهبط، و تتحول إلى شعاع من خلال الشقوق، ثم تنحرف بمرورها بين لوحين كهربائيين.

كان اعتقادأن الذرات هي أصغر تقسيمات المادة سائداً حتى عام 1897، عندما اكتشف جوزيف طومسون الإلكترون من خلال عمله على الأشعة المهبطية.[10]
يتألف أنبوب كروكس من حاوية زجاجية مغلقة تحتوي على قطبين كهربائيين يفصل بينهما فراغ. عند تطبيق الجهد الكهربائي على الأقطاب، تنشأ أشعة مهبطية تصدم الزجاج عند النهاية المقابلة من الأنبوب. من خلال التجارب اكتشف طومسون أنه يمكن حرف هذه الأشعة بواسطة الحقل الكهربائي (إضافةً إلى المجالات المغناطيسية، المعروفة سابقاً)و خلص طومسون إلى أن هذه الأشعة، تتألف من جسيمات خفيفة مشحونة بشحنة كهربائية سالبة أطلق عليها اسم «الجسيمات» (سماها علماء آخرون فيما بعد «الإلكترونات»)، بدلاً من كونها أحد أشكال الضوء. قاس طومسون نسبة الكتلة إلى الشحنة واكتشف أنها كانت أصغر بـ 1800 مرة من نسبة الهيدروجين أصغر الذرات. كانت هذه الجسيمات على عكس أي نوع آخر معروف سابقاً.

اقترح طومسون أن الذرات قابلة للتقسيم وأن هذه الجسيمات هي بمثابة لبنات البناء.[11] اقترح طومسون لشرح الشحنة الكلية المحايدة للذرة أن هذه الجسيمات تتوزع في نموذج بحر من الشحنة الموجبة.[12]

تجربة رذرفورد
على اليسار: النتائج المتوقعة: جسيمات ألفا تمر من خلال نموذج طومسون للذرة مع انحراف لا يُذكر.
على اليمين: النتائج التي تمت ملاحظتها: انحراف بسيط للجسيمات بسبب الشحنة الموجبة للنواة.

دحض أحد طلاب طومسون السابقين نموذجه للذرة عام 1909، كان هذا الطالب إرنست رذرفورد الذي اكتشف أن معظم كتلة الذرة وشحنتها الموجبة مُركَّزة في جزءٍ صغير جداً من حجمها في مركزها.

قام زميلا رذرفورد وهما هانز غايغر وإرنست مارسدن بإجراء تجربة بناء على طلب رذرفورد، حيث قاما بإطلاق جسيمات ألفا على صفائح رقيقة من المعدن وقاسا انحراف هذه الجسيمات بواسطة شاشة مفلورة.[13] توقّع المجرِّبون أن تمر جسيمات ألفا دون انحراف كبير، بسبب كتلة الإلكترونات الصغير جداً وزخم جسيمات ألفا العالي والتركيز المنخفض من الشحنات الموجبة لنموذج طومسون. إلا أن جزءاً صغيراً من جسيمات ألفا انحرف بشدة. قال رذرفورد أن الشحنة الموجبة للذرة يجب أن تتركز في حجم صغير جداً حتى تتمكن من إنتاج حقل كهربائي بشكل كافٍ لحرف جسيمات ألفا بهذه الشدة.

دفعت التجربة السابقة رذرفورد إلى اقتراح نموذج كوكبي، حيث تحيط سحابة من الإلكترونات بنواة صغيرة جداً موجبة الشحن.[14]

كان النموذج الكوكبي الذي اقترحه رذرفورد يشتمل على قصورين اثنين هامين. الأول أنه وعلى عكس الكوكاب التي تدور حول الشمس فإن الإلكترونات جسيمات مشحونة، ومن المعروف أن الشحنة الكهربائية التسارعة تنبعث منها موجات كهرطيسية وفقاً لصيغة لامور في الكهرطيسية التقليدية. ينبغي أن تفقد الشحنة في المدار الطاقة وتتجه بشكل دوامي نحو النواة لتصطدم بها في جزء صغير من الثانية. أمّا المشكلة الثانية فكانت أن نموذج الكواكب لا يمكن أن يفسّر ذرا أطياف الامتصاص والانبعاث العالية التي لوحظت.

نموذج بور للذرة.

أحدثت نظرية الكم ثورة في الفيزياء بدايات القرن العشرين، عندما افترض ماكس بلانك وألبرت أينشتاين أن الطاقة الضوئية تنبعث أو تُمتص في كميات منفصلة تعرف بالكمّات (مفردها: كمّة، كوانتم). دمج نيلز بور هذه الفكرة عام 1913 في نموذجه الذرّي، حيث يمكن للإلكترون أن يدور في مدارات دائرية معينة حول النواة بزخم زاوي ثابت وطاقة، وبعدها عن النواة يتناسب طاقتها.[15] ووفق هذا النموذج لن يدور الإلكترون باتجاه النواة بحركة دوامية، لأنه لا يمكن أن يفقد الطاقة بشكل مستمر، وبدلاُ من ذلك فإن الإلكترون يمكن له أن يقوم بـ «قفزات كميّة» بين مستويات الطاقة المختلفة.[15] وعندما تحدث هذه القفزات، فإن الضوءينبعث أو يُمتص بتردد مناسب للتغير في الطاقة (و بالتالي امتصاص وانبعاث الضوء يشكلان أطيافاً منفصلة).[15] لم يكن نموذج بور مثالياً، حيث أمكن التنبأ بخطوط طيف الهيدروجين، ولكن لم يكن من الممكن التنبأ بخطوط طيف الذرات عديدة الإلكترون. والأسوأ من ذلك أنه مع تحسّن تكنولوجيا الطيفية ظهرت خطوط في طيف الهيدروجين لم يستطع نموذج بور تفسيرها. عام 1916 أضاف أرنولد سومرفيلد مدارات بيضوية الشكل لنموذج بور لشرح خطوط الانبعاث الإضافية، ولكن هذا جعل النموذج صعباً جداً للاستخدام، وعلى الرغم من ذلك كان النموذج قاصراً عن تفسير ذرات أكثر تعقيداً.

استمر الحال بإجراء التجارب بواسطة نواتج التفكك الإشعاعي حتى عام 1913 عندما اكتشف كيميائي الإشعاع فريدريك سودي أنه من الممكن تواجد أكثر من عنصر في كل موقع في الجدول الدوري.[16] وقد صِيغ مصطلح Isotope النظير من قبل مارجريت تود كاسم مناسب لهذه العناصر.

أجرى جوزيف جون طومسون في العام ذاته تجربةً مرر فيها تياراً من أيون النيون عبر مجالات مغناطيسية وكهربائية ليصطدم هذا التيار بلوحة فوتوغرافية في الطرف المقابل. لاحظ طومسون بقعتين متوهجتين على اللوحة، واقترح مساري انحراف مختلفين. اقترح طومسون تفسيراً بأن لبعض أيونات النيون كتلة ولبعضها الآخر كتلة أخرى.[17] تم تفسير هذا الاختلاف في الكتل عند اكتشاف النيترونات عام 1932.

قام رذرفورد عام 1917 بقصف غاز النيتروجين بجسيمات ألفا ولاحظ نوى الهيدروجين المنبعثة من الغاز (عرف رذرفورد هذا مسبقاً لأنه قام بقصف الهيدروجين بجسيمات ألفا، وحصل على نوى الهيدروجين ضمن النواتج). خلص رذرفورد إلى أن نوى الهيدروجين نشأت من نواة ذرات النيتروجين نفسها (في الواقع، قسم رذرفورد النيتروجين عبر قصفه).[18] عرف رذرفورد من خلال عمله الخاص وعمل طلابه بور وهنري موسيلي أن الشحنة الإيجابية لأي ذرة يمكن دائماً أن تكون مساوية لشحنة عدد صحيح من نوى الهيدروجين. بالإضافة إلى أن الكتلة الذرية للعديد من العناصر تعادل تقريباً عدداً صحيحاً من كتلة نواة ذرة الهيدروجين-التي افترض لاحقاً أنها أخف الجسيمات- وهذان الاستنتاجان قاداه إلى استنتاج أن نوى الهيدروجين جسيمات مفردة ومكونات أساسية تدخل في تركيب جميع نوى الذرات. أسمى رذرفورد هذه الجسيمات البروتونات. وجد رذرفورد فيما بعد من خلال تجارب لاحقة أن الكتلة النووية لمعظم الذرات تتجاوز كتلة بروتونات تلك الذرة، لذا تكهن بأن الكتلة الفائضة تعود إلى جسيمات غير مشحونة غير معروفة أسماها نيوترونات. لاحظ فالتر بوته عام 1928 أن البريليوم عند قصفه بجسيمات ألفا يصدر إشعاعاً شديد الاختراق ومحايد كهربائياً. اِعتُقِد بدايةً أنه إشعاع غاما عالي الطاقة بسبب تشابه التأثير على إلكترونات المعادن، إلا أن جيمس شادويك وجد أن التأين كان أشدّ من أن يُعزى إلى إشعاع كهرطيسي، حيث تم حفظ الطاقة والزخم خلال التفاعل. عام 1932، كشف شادويك عن عناصر متنوعة كالهيدروجين والنيتروجين بإشعاع البريليوم الغامض وقام بقياس طاقة الجسيمات المشحونة المرتدة، واستنتج بناءاً على ذلك أن الإشعاع يتكون فعلاً من جسيمات محايدة كهربائياً ومن غير الممكن أن تكون عديمة الكتلة كأشعة غاما، وبدلاً من كونها أشعة غاما ادعى شادويك أن هذه الجسيمات هي نيوترونات رذرفورد.[19] وقد حصل تشادويك على جائزة نوبل عام 1935 لاكتشافه النيوترون.

المدارات الذرية الخمس الممتلئة لذرة النيون مفصولةً ومرتّبَةً بحسب ازدياد الطاقة من اليمين إلى اليسار، وتصبح المدارات الثلاثة الأخيرة متساوية في الطاقة كل مدار يحمل حتى إلكترونين وهي غالباً ما توجد في المناطق التي تمثلها الفقاعة الملونة.

اقترح لويس دي بروي عام 1924 أن جميع الجسيمات المتحركة-و خاصة الجسيمات دون الذرية كالإلكترونات- تظهر سلوكاً شبيهاً بالموجة. حاول إرفين شرودنغر المفتون بهذه الفكرة استكشاف فيما إذا كان من الممكن تفسير حركة الإلكترون في الذرة على نحو أفضل كموجة بدلاً من تفسيرها كجسيم. نشر شرودنجر معادلته الشهيرة عام 1926،[20] وتصف هذه المعادلة الإلكترون كدالة موجية بدلاً من جسيم نقطي. تنبأ هذا النهج بالعديد من الظواهر الطيفية التي فشل نموذج بور في شرحها. وعلى الرغم من أن النموذج كان مقنعاً رياضياً إلا أنه كان صعب التصور ولقي معارضةً.[21] أحد المنتقدين كان ماكس بورن، واقترح بورن أن دالة موجة شرودنجر لم تصف الإلكترون بل وصفت جميع حالاته الممكنة، وبالتالي يمكن استخدام دالة شرودنجر لحساب احتمال العثور على إلكترون في مدار معين حول النواة.[22] مهد هذا التوفيق بين نظريتين متعارضتين (الجسيم والموجة) إلى فكرة ازدواجية موجة-جسيم. على سبيل المثال ينكسر كالموجة ويمتلك كتلة كالجسيم.[23] نظراً لوصف الإلكترونات بالشكل الموجي أصبح من المستحيل رياضياً في الوقت ذاته حساب موضع وزخم الإلكترون، عُرف هذا فيما بعد بمبدأ الريبية لهايزنبرغ بعدما قدمه للمرة الأولى الفيزيائي النظري فيرنر هايزنبيرغ وقام بنشره عام 1927.[24] أبطل هذا نموذج بور ذو المدارات الدائرية المحددة بوضوح، حيث يصف النموذج الذري الحديث مواضع الإلكترونات في الذرة باحتمالات. حيث يمكن للإلكترون أن يتواجد على بعد أي مسافة من النواة، ولكن اعتماداً على مستوى الطاقة فإنه وبشكل أكثر تواتراً سيتواجد في مناطق معينة حول النواة دون غيرها، ويشار إلى هذه المناطق بالمدار الذري. تأتي المدارات بأشكال متعددة كالكرة أو الدمبل أو الطارة بالإضافة إلى نواة في الوسط.[25]