ما هو النموذج الذري بودنغ البرقوق؟

منذ أن تم اقتراحه لأول مرة من قبل ديموقريطس في القرن الخامس قبل الميلاد ، خضع النموذج الذري للعديد من التحسينات على مدى آلاف السنين القليلة الماضية. منذ بداياتها المتواضعة كمادة صلبة خاملة غير قابلة للتجزئة تتفاعل ميكانيكيًا مع الذرات الأخرى ، قاد البحث المستمر والأساليب المحسنة العلماء إلى استنتاج أن الذرات تتكون في الواقع من جسيمات أصغر تتفاعل مع بعضها البعض كهرومغناطيسيًا.

كان هذا أساس النظرية الذرية التي ابتكرها الفيزيائي الإنجليزي ج. طومسون في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. كجزء من الثورة التي كانت تحدث في ذلك الوقت ، اقترح طومسون نموذجًا للذرة يتكون من أكثر من وحدة أساسية واحدة. استنادًا إلى مظهره ، والذي يتكون من 'بحر من الشحنة الموجبة المنتظمة' مع توزيع الإلكترونات في جميع أنحاءه ، أصبح نموذج طومسون يُطلق عليه 'نموذج حلوى البرقوق'.

على الرغم من أن نموذج Plum Pudding غير موجود بالمعايير الحديثة ، إلا أنه يمثل خطوة مهمة في تطوير النظرية الذرية. لم يقتصر الأمر على دمج الاكتشافات الجديدة ، مثل وجود الإلكترون ، بل أدخل أيضًا مفهوم الذرة ككتلة غير خاملة وقابلة للقسمة. من الآن فصاعدًا ، سيدرك العلماء أن الذرات نفسها كانت مكونة من وحدات أصغر من المادة وأن جميع الذرات تتفاعل مع بعضها البعض من خلال العديد من القوى المختلفة.

النظرية الذرية للقرن التاسع عشر:

تأتي أقدم الأمثلة المعروفة للنظرية الذرية من اليونان القديمة والهند ، حيث افترض فلاسفة مثل ديموقريطوس أن كل المادة تتكون من وحدات صغيرة غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتدمير. تمت صياغة مصطلح 'الذرة' في اليونان القديمة وأدى إلى ظهور مدرسة الفكر المعروفة باسم 'الذرية'. ومع ذلك ، كانت هذه النظرية مفهومًا فلسفيًا أكثر من كونها علمية.

ذرات وجزيئات مختلفة كما هو موضح في نظام جديد للفلسفة الكيميائية لجون دالتون (1808). الائتمان: المجال العام

لم يتم التعبير عن نظرية الذرات كمسألة علمية حتى القرن التاسع عشر ، مع إجراء التجارب الأولى القائمة على الأدلة. على سبيل المثال ، في أوائل القرن التاسع عشر ، استخدم العالم الإنجليزي جون دالتون مفهوم الذرة لشرح سبب تفاعل العناصر الكيميائية بطرق معينة يمكن ملاحظتها ويمكن التنبؤ بها.

بدأ دالتون بالسؤال عن سبب تفاعل العناصر بنسب أعداد صحيحة صغيرة وخلص إلى أن هذه التفاعلات حدثت في مضاعفات العدد الصحيح للوحدات المنفصلة - أي الذرات. من خلال سلسلة من التجارب التي اشتملت على الغازات ، واصل دالتون تطوير ما يعرف باسم نظرية دالتون الذرية . توسعت هذه النظرية في قوانين المحادثة ذات النسب الجماعية والمحددة - التي تمت صياغتها بحلول نهاية القرن الثامن عشر - ولا تزال أحد الأركان الأساسية للفيزياء والكيمياء الحديثة.

تنقسم النظرية إلى خمسة مقدمات: العناصر ، في أنقى حالتها ، تتكون من جسيمات تسمى الذرات. تتشابه ذرات عنصر معين حتى آخر ذرة ؛ يمكن التمييز بين ذرات العناصر المختلفة من خلال أوزانها الذرية ؛ تتحد ذرات العناصر لتكوين مركبات كيميائية ؛ لا يمكن إنشاء الذرات أو تدميرها في تفاعل كيميائي ، بل يتغير التجمع فقط.

بحلول أواخر القرن التاسع عشر ، بدأ العلماء أيضًا في وضع نظرية أن الذرة مكونة 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 ، تغير الوضع بشكل جذري.

منظر جانبي لنوع من أنبوب كروكس به صليب قائم. الائتمان: ويكيميديا ​​كومنز / D-Kuru

تجارب طومسون:

كان السير جوزيف جون طومسون (المعروف أيضًا باسم JJ Thompson) فيزيائيًا إنجليزيًا وأستاذًا في الفيزياء بكافنديش في جامعة كامبريدج من عام 1884 فصاعدًا. خلال ثمانينيات وتسعينيات القرن التاسع عشر ، دار عمله بشكل كبير حول تطوير النماذج الرياضية للعمليات الكيميائية ، وتحويل الطاقة من الناحية الرياضية والنظرية ، والكهرومغناطيسية.

ومع ذلك ، في أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر ، بدأ في إجراء التجارب باستخدام أنبوب أشعة الكاثود المعروف باسم أنبوب كروكس . يتكون هذا من وعاء زجاجي محكم الغلق به قطبين مفصولين بواسطة فراغ. عندما يتم تطبيق الجهد عبر الأقطاب الكهربائية ، تتولد أشعة الكاثود (والتي تأخذ شكل رقعة متوهجة من الغاز تمتد إلى أقصى نهاية الأنبوب).

من خلال التجربة ، لاحظ طومسون أن هذه الأشعة يمكن أن تنحرف عن طريق المجالات الكهربائية والمغناطيسية. وخلص إلى أنه بدلاً من أن تكون مكونة من ضوء ، فإنها تتكون من جسيمات سالبة الشحنة أطلق عليها 'الجسيمات'. عند قياس نسبة الكتلة إلى الشحن لهذه الجسيمات ، اكتشف أنها أصغر بمقدار 1 مرة وأخف وزنًا بـ 1800 مرة من الهيدروجين.

هذا دحض بشكل فعال فكرة أن ذرة الهيدروجين كانت أصغر وحدة في المادة ، وذهب طومسون أبعد من ذلك ليقترح أن الذرات قابلة للقسمة. لشرح الشحنة الإجمالية للذرة ، والتي تتكون من كل من الشحنات الموجبة والسالبة ، اقترح طومسون نموذجًا يتم بموجبه توزيع الجسيمات سالبة الشحنة في بحر موحد من الشحنة الموجبة.

تصوير التركيب الذري لذرة الهليوم. الائتمان: المشاع الإبداعي

سميت هذه الجسيمات لاحقًا باسم 'الإلكترونات' ، بناءً على الجسيم النظري الذي تنبأ به الفيزيائي الأنجلو-إيرلندي جورج جونستون ستوني في عام 1874. ومن هذا ، وُلِد نموذج بلوم بودينج ، وسمي بهذا الاسم لأنه يشبه إلى حد بعيد الصحراء الإنجليزية التي تتكون من كعكة البرقوق والزبيب. تم تقديم هذا المفهوم للعالم في إصدار مارس 1904 للمملكة المتحدة مجلة فلسفية وليشيد على نطاق واسع.

مشاكل مع نموذج حلوى البرقوق:

لسوء الحظ ، كشفت التجارب اللاحقة عن عدد من المشكلات العلمية في النموذج. بالنسبة للمبتدئين ، كانت هناك مشكلة إثبات أن الذرة تمتلك شحنة خلفية موجبة موحدة ، والتي أصبحت تُعرف باسم 'مشكلة طومسون'. بعد خمس سنوات ، تم دحض النموذج من قبل هانز جيجر وإرنست مارسدن ، اللذين أجروا سلسلة من التجارب باستخدام جسيمات ألفا ورقائق الذهب.

فيما أصبح يعرف بـ ' تجربة رقائق الذهب '، قاموا بقياس نمط تشتت جسيمات ألفا باستخدام شاشة فلورية. إذا كان نموذج طومسون صحيحًا ، فإن جسيمات ألفا ستمر عبر التركيب الذري للرقائق المعدنية دون عوائق. ومع ذلك ، فقد لاحظوا بدلاً من ذلك أنه في حين أن معظمهم أطلقوا النار مباشرة ، فإن بعضهم كان مبعثرًا في اتجاهات مختلفة ، وبعضهم يعود في اتجاه المصدر.

استنتج جيجر ومارسدن أن الجسيمات واجهت قوة إلكتروستاتيكية أكبر بكثير من تلك التي يسمح بها نموذج طومسون. نظرًا لأن جسيمات ألفا هي مجرد نوى هيليوم (مشحونة إيجابًا) ، فهذا يعني أن الشحنة الموجبة في الذرة لم تكن مشتتة على نطاق واسع ، ولكنها مركزة في حجم صغير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن حقيقة أن تلك الجسيمات التي لم تنحرف قد مرت دون عوائق تعني أن هذه المساحات الإيجابية مفصولة بخلجان شاسعة من الفضاء الفارغ.

النتائج المتوقعة لتجربة Gieger-Marsden (على اليسار) والنتائج الفعلية (على اليمين). الائتمان: ويكيميديا ​​كومنز / كورزون

.

بحلول عام 1911 ، فسر الفيزيائي إرنست رذرفورد تجارب جايجر-مارسدن ورفض نموذج طومسون للذرة. بدلاً من ذلك ، اقترح نموذجًا تتكون فيه الذرة من مساحة فارغة في الغالب ، مع تركيز كل شحنتها الموجبة في مركزها في حجم صغير جدًا ، محاط بسحابة من الإلكترونات. أصبح هذا يعرف باسم نموذج رذرفورد من الذرة.

أدت التجارب اللاحقة التي أجراها أنطونيوس فان دن بروك ونيلز بور إلى تحسين النموذج بشكل أكبر. بينما اقترح Van den Broek أن العدد الذري لعنصر ما مشابه جدًا لشحنته النووية ، اقترح الأخير نموذجًا يشبه النظام الشمسي للذرة ، حيث تحتوي النواة على العدد الذري للشحنة الموجبة وتحيط بها متساوية. عدد الإلكترونات في الأصداف المدارية (ويعرف أيضًا باسم نموذج بوهر ).

على الرغم من أنه سيتم فقدان مصداقيته في غضون خمس سنوات فقط ، إلا أن 'نموذج حلوى البرقوق' من طومسون سيثبت أنه خطوة حاسمة في تطوير النموذج القياسي فيزياء الجسيمات. إن عمله في تحديد أن الذرة قابلة للقسمة ، وكذلك وجود قوى كهرومغناطيسية داخل الذرة ، سيثبت أيضًا أنه له تأثير كبير على مجال فيزياء الكم.

لقد كتبنا العديد من المقالات الشيقة حول موضوع النظرية الذرية هنا في Universe Today. على سبيل المثال ، هنا كم عدد الذرات الموجودة في الكون؟ و نموذج جون دالتون الذري و ما هي اجزاء الذرة؟ و نموذج بوهر الذري و

لمزيد من المعلومات ، تأكد من مراجعة صفحات Physic’s Worlds على 100 عام من الإلكترون: من الاكتشاف إلى التطبيق و محسوبة كتل البروتون والنيوترونات من المبادئ الأولى

لدى Astronomy Cast أيضًا بعض الحلقات حول هذا الموضوع: الحلقة 138 و الحلقة 139 الحلقة: 378 و الحلقة: 392 .