ان الفكرة التي كشفت عن تركيب الذرات هي النشاط الاشعاعي، وقد اكتشفها الكيميائي الفرنسي هنري بيكاريل عام 1896. وبين عام 1901 و1903 وجد رذرفورد والكيميائي الانكليزي فردريك سودي دليلاً أقوى على ان الذرة المشعة هي ذرة ثقيلة بطاقة عالية. وحتماً بعد مرور ثانية أو سنة أو ملايين السنين، فالطاقة الفائضة ستنفصل بلفظ جسيمات بسرعة عالية. يسميها الفيزيائيون تجزؤاً أو انحلالاً إلى عناصر أخف قليلاً.

إحدى تلك الجسيمات هي جسيمات الفا، عرفها رذرفورد والفيزيائي الألماني الشاب كايكر بانها ذرة الهيليوم، ثاني أخف العناصر بعد الهيدروجين. وفي عام 1903 قام رذرفورد بقياس سرعة جسيمات الفا المتحررة من ذرات الراديوم المشع فكانت الدهشة ان سرعتها هي 25,000 كم ثانية، أي أن سرعتها تعادل مائة الف ضعف سرعة الطائرة النفاثة. عندئذ فهم رذرفورد ان هذه الجسيمات من الممكن ان تتحطم داخل الذرة فتظهر مدى العمق داخل الذرة.

الفكرة بسيطة، وهي ان نطلق جسيمة الفا على ذرة ما. فإذا كان هناك شيء صلب تصطدم به أثناء مرورها إلى داخل الذرة، فعندئذ تنحرف عن مسارها الأصلي. وباطلاق الآلاف والآلاف من جسيمات الفا على ذرة ما ومراقبة كيف يمكن أن تنحرف عن مسارها، يكون من الممكن بناء صورة داخلية عن الذرة. ففي تجربة رذرفورد التي انجزها كايكر والفيزيائي النيوزلندي الشاب أرنست مارسدن عام 1909، تجربة استطارة الفا، استخدما عينة صغيرة من مادة الراديوم لتواجه جسيمات الفا ما يشبه إطلاقاً مجهرياً للنار. فلقد وضعا مادة الراديوم خلف لوح من الرصاص ذي فتحة ضيقة، فظهر شعاع رفيع من جسيمات الفا من الجهة الأخرى للوح الرصاص. فكان أصغر مسدس في العالم للجسيمات الدقيقة السريعة.

وضع كايكر ومارسدن رقاقة معدنية مصنوعة من الذهب بسماكة بضعة آلاف من الذرات في خط النار. وكانا متوهمين ان كل جسيمات الفا الصادرة من المسدس ستمر عبر هذه الفتحة. ولكن أصبحا على يقين بأن بعض هذه الجسيمات – أثناء مرورها – ستمر بالقرب من ذرات الذهب لتنحرف بعدها عن مسارها الطبيعي. وخلال زمن تجربة كايكر ومارسدن تم التعرف على جسيمة داخل الذرة، انه الإلكترون الذي اكتشفه الفيزيائي البريطاني جي جي طومسون سنة 1895. والإلكترونات هي جسيمات صغيرة ولكن مضحكة أصغر بحوالي 2000 مرة من ذرة الهيدروجين، وهي على ما يبدو جسيمات محيرة في علم الكهرباء، ومنشقة عن الذرات، تتموج على طول سلك من النحاس وسط مليارات من الإلكترونات، مكونة تياراً كهربائياً. الإلكترون هو أول جسيم دون الذري، وهو يحمل إشارة سالبة. ولا أحد يعرف بالضبط ما هي الشحنة الكهربائية، ولا نعرف سوى أنها تأتي بشكلين سالبة وموجبة. والمادة الاعتيادية المؤلفة من ذرات، ليس لها شحنة كهربائية. وفي الذرات الاعتيادية، الشحنة السالبة تتوازن مع الشحنة الموجبة على نحو أفضل. وهذه هي سمات الشحنة الكهربائية فالشحنات المختلفة تتجاذب أما المتماثلة فتتنافر فيما بينها. وبالنتيجة هناك قوة تجاذب بين إلكترونات الذرات المشحونة سلبياً وتلك الجسيمات المشحونة إيجابياً. هذا هو التجاذب الذي يجمع الشيء بأكمله مع بعضه البعض.

وبعد فترة ليست ببعيدة عن اكتشاف الإلكترون، استعمل طومسون هذه النظريات لاختراع الصورة العلمية الأولى للذرة. حيث رآها كما لو أنها مجموعة من الإلكترونات الصغيرة المثبتة على كرة مليئة بالشحنات الموجبة "ما يشبه الزبيب في قالب حلوى". فكان هذا نموذج حلوى طومسون للذرات والذي جعل كايكر ومارسدن يظنان انه تأكيد لتجربتهما حول استطارة جسيمات الفا.

لقد كانا محبطين. اما الشيء الذي اطفأ نموذج الحلوى لتومسون فقد كان نادراً ولكنه ملاحظ فواحدة من كل 8000 جسيمة الفا تطلق على رقاقة الذهب ترتد عنها.

وطبقاً لنموذج الحلوى لطومسون، فالذرة مؤلفة من وفرة من الإلكترونات الثاقبة كالدبوس والمغروسة – المثبتة – في عالم من الشحنات الموجبة اما جسيمة الفا التي اطلقها كايكر ومارسدن على رقائق مرتبة، فهي من جهة أخرى تمثل قطاراً سريعاً شبه ذري لا يمكن إيقافه، وهو أثقل بحوالي 8000 إلكترون. واحتمال أن تنحرف هذه الجسيمة السريعة على نحو جارف عن مسارها أكبر من احتمال انحراف القطار السريع عن سكة القطار بشكل طائش. يقول رذرفورد "انه من غير المتوقع ان تقذف بمحارة تبلغ سماكتها 38 سم على انسجة ورقية ثم ترتد لتضربك!" استنتج كايكر ومارسدن بكل فخر ان الذرة ليست بالشيء الرقيق على الإطلاق. فهناك أشياء مدفونة بداخلها من الممكن أن توقف القطار السريع شبه الذري عن مساره، وتجعله يكف عن الدوران ثم من الممكن ادارته من جديد وهناك كتلة صلبة ناعمة ذات شحنة موجبة في المركز ترد الشحنات الموجبة عن جسيمة ألفا الداخلة. بيد ان هذه الكتلة الصلبة قادرة على أن تقاوم جسيمة الفا الضخمة بدون ان تبدو انها ضاربة، ومن المجحف جداً ان نقول انها جسيمة ضخمة. فبالحقيقة إنها تحتوي على معظم كتلة الذرة تقريباً. فهنا اكتشف رذرفورد النواة الذرية.

ان الصورة الداخلية للذرة يمكن تخيلها، ولقد بدت مخالفة لنموذج الحلوى الذي تحدث عنه تومسون والصورة عبارة عن نظام شمسي صغير، فالإلكترونات السالبة الشحنة تجذبها النواة الموجبة الشحنة، فتدور حولها كدوران الكواكب حول الشمس. وتبدو النواة على الأقل أضخم من جسيمة الفا، ولكن ليس لصد الإلكترونات وطردها خارج الذرة. علماً أن النواة تحتوي على 99.9% من كتلة الذرة ⁽³⁾.

والنواة تبدو صغيرة جدا جدا. فإذا وضعت الطبيعة عدداً كبيراً من الشحنات الموجبة في حجم صغير جدا، تمارس النواة عندئذ قوة تنافرية بحيث تجعل جسيمة الفا تتخذ شكل U. لكن الأكثر لفتا للنظر في ما يتعلق برؤية رذرفورد للذرة هو فراغها المخيف. فالكاتب المسرحي توم ستوبارد وضعها بشكل جميل في مسرحيته الحظ الجيد: "الآن أقبض كف يدك، فإذا كان كف يدك أكبر من نواة الذرة، فإن الذرة أكبر من القديس بول، وإذا حدث هذا ليكون ذرة الهيدروجين، عندئذ هناك إلكترون واحد ينتقل من مكان لآخر أشبه بحشرة العثة في الكاتدرائية الفارغة، تحت القبة أو عند المذبح".

____________________________________
هوامش

(3) لقد اكتشف الفيزيائيون ان النواة تحتوي على نوعين من الجسيمات، إحداهما جسيمة مشحونة تسمى البروتون والأخرى متعادلة أو غير مشحونة تسمى النيوترون وعدد البروتونات داخل النواة مساو لعدد الإلكترونات التي تدور خارج النواة. والفرق بين الذرات هو بعدد البروتونات داخل النوى (وبالنتيجة عدد الإلكترونات في مدارات الذرة). فعلى سبيل المثال، يحتوي الهيدروجين بروتوناً داخل النواة، بينما يحتوي اليورانيوم 92 بروتوناً.

مواضيع ذات صلة

خواص الذرات

البنية الإلكترونية للذرات

الذرات

Linear systems

Confined waves, with natural frequencies

The reflection of waves

Einstein’s laws of radiation

The Boltzmann law

Energy levels

The size of an atom

Bremsstrahlung

Synchrotron radiation