علم الذرة

**تميم التميمي** · 02-02-11, 12:00 PM

pm
عالم الذرة

لقد نشأت فكرة تكوُّن كل شيء من أجزاء بسيطة صغيرة خلال القرن الخامس قبل الميلاد في نطاق الفلسفة الذرية. وقد قدم هذه الفلسفة الفيلسوف الإغريقي ليوسيبّوس. وقام تلميذه ديموقريطس بتطويرها بصورة أكمل. وأعطى ديموقريطس الجُسيم الأولي الاسم ذرة الذي يعني غير قابل للقطع. وقد تخيل الذرات كجسيمات صلبة صغيرة مركبة من نفس المادة، لكنها تختلف عن بعضها في الشكل والحجم. وقد أدخل العالم الإغريقي أبيقور في القرن الرابع قبل الميلاد أفكار ديموقريطس في فلسفته. وفي حوالي عام 50 ق.م. قدم الفيلسوف والشاعر الروماني لوكريشيس المباديء الأساسية للفلسفة الذرية في قصيدته: "عن طبيعة الأشياء".
وفي العصور الوسطى حدث تجاهل تام لفكرة الذرات. وقد نتج هذا التجاهل بسبب رفض أرسطو، وهو أحد فلاسفة الإغريق، لهذه الفكرة حيث سادت فيه نظرياته مجالات الفلسفة والعلم في العصور الوسطى. لكن فكرة كون الذرات هي وحدات البناء الأساسية لكل المواد عاشت وانتعشت في القرنين السادس عشر والسابع عشر الميلاديين نتيجة لاعتناق مؤسسي العلم الحديث، أمثال فرانسيس بيكون وإسحق نيوتن من إنجلترا، وكذلك جاليليو من إيطاليا، لها. ولكنهم لم يضيفوا شيئًا يُذكر إلى النظرية الذرية التي وصفها ديموقريطس.
ميلاد النظرية الذرية الحديثة. في عام 1750م خرج العالم رودجر بُسْكوفتْش اليوغوسلافي المولد بفكرة مؤداها أن ديموقريطس ربما يكون قد أخطأ بتصوره أن الذرة غير قابلة للتفتت. واعتقد بُسْكوفتش أن الذرة تحتوي على أجزاء أصغر وهذه بدورها تحتوي أيضًا على أجزاء أصغر وأصغر وهكذا حتى وحدات البناء الأساسية للمادة. وشعر أن وحدات البناء هذه لابد أن تكون نقاطًا هندسية بلاحجم على الإطلاق. واليوم يعتنق أغلب علماء الذرة صورة حديثة لفكر بُسْكوفتش.
حدث تقدم سريع في تطوير النظرية الذرية عندما أصبحت الكيمياء علمًا دقيقًا خلال أواخر القرن الثامن عشر. فقد اكتشف علماء الكيمياء أنه من الممكن تجميع العناصر لتكوين مركَّبات، وذلك بنسب محدَّدة مبنية على كتلة أي من هذه العناصر. وتمكن العالم البريطاني جون دالتون في عام 1803م من تطوير نظرية ذرية تفسر هذا الاكتشاف. فقد اقترح دالتون أن كل عنصر يتكون من نوع خاص من الذرات وأن اختلاف خواص العناصر ينجم عن اختلاف ذراتها. وذهب إلى أبعد من ذلك فقال: إن ذرات كل عنصر متماثلة تمامًا في الحجم والشكل والكتلة.
وتبعًا لنظرية دالتون، فإن الذرات، عندما تتجمع لتكوِّن مركَّبًا معيَّنًا، تتجمع دائمًا وفق نسب عددية محدَّدة. وعلى هذا يصبح تركيب كتلة من مركب معين هو نفسه على الدوام.
وتشتمل نظريته على البنود التالية :

تتكون العناصر من دقائق صغيرة تسمى الذرات .
ذرات العنصر الواحد لها الصفات نفسها ، وتختلف في هذه الصفات عن غيرها من العناصر .
الذرة اصغر جزء من العنصر وغير قابلة للانقسام
عندما تتحد الذرات لتكون مركبات فإن الاتحاد يتم بين ذرات صحيحةا
في عام 1897م، اكتشف عالم الفيزياء البريطاني جوزيف طومسون أن الذرات قابلة للتفتت. وقد توصل إلى اكتشافه هذا عندما كان يدرس الأشعة التي تنتقل بين الألواح المعدنية في صمام مفرغ. وقرر أن هذه الأشعة تتكون من جُسيمات خفيفة الوزن سالبة الشحنة. وبهذا يكون قد اكتشف الإلكترونات. وتبين طومسون على الفور أن الإلكترونات لابد أن تكون جزءًا من الذرة. واقترح نموذجًا للذرة تنغمس فيه الإلكترونات سالبة الشحنة في كرة موجبة الشحنة. وبالرغم من أن وصف طومسون كان بعيدًا كل البعد عن الوصف الصحيح للذرة، فإن عمله شجَّع علماء آخرين على بحث هيكل الذرة.

في عام 1911م قدَّم عالم الفيزياء البريطاني إرنِسْت رَذَرْفورد نظريته عن تكوين الذرة. فقد أعلن رذرفورد، وهو أحد تلاميذ طومسون السابقين، أن كل وزن الذرة تقريبًا مركَّزٌ في نواة دقيقة الحجم، وأن هذه النواة محاطة بإلكترونات تنتقل بسرعات بالغة الكبر خلال المنطقة الخارجية للذرة.
و قد كان روذرفورد قد توصل إلى مكونات الإشعاع الصادر من الراديوم، و بين أنه يتكون من ثلاثة مكونات ، أشعة ألفا ةوبيتا وغاما ،
وقد بنى رذرفورد نظريته عن الذرة على نتائج التجارب التي قام فيها بقذف شرائح رقيقة من الذهب بجسيمات ألفا. فقد نفذت أغلب الجُسيمات من الشرائح، مما بين أن ذرات الذهب لابد أن تكون مكونة أساسًا من فضاء فارغ. لكن بعض الجُسيمات ارتدت كما لو كانت قد اصطدمت بشيء صلب. واستخلص رذرفورد من ذلك أن هذه الجُسيمات المرتدة انعكست بفعل قوة عظيمة من النواة الصغيرة الثقيلة لذرة من ذرات الذهب.

معظم الجسيمات تنفذ دون انحراف أي أن معظم حجم الذره فراغ وليست مصمته

نسبة ضئيلة انحرفت عن مساره أي انها اقتربت من جسم مشحون بشحنة مشابهه ( موجبه) أي شحنه النواة الموجبة

نسبة قليله ارتدت عكس مسارها أي انه يوجد بالذرة جزء صغير جدا ذو كثافه عالية (النواة)

ولم تبين نظرية رذرفورد كيفية ترتيب الإلكترونات في الذرات.
وفي عام 1913م اقترح العالم الدنماركي نيلز بور، الذي كان قد سبق له العمل مع رذرفورد، وصفًا لذلك. افترض بور أن الإلكترونات تنتقل فقط في مجموعة محدَّدة من المدارات حول النواة. ولم يكن افتراض بور الأوَّلي هذا مناسبًا، ولكن كثيرًا من الأفكار خلف هذا الافتراض ثبتت صحتها.
يعبر عن كل مدار بعدد صحيح يسمى عدد الكم الرئيسي وقد وجد ان اقصى عدد لمستويات الطاقة هو سبعة في الحالة المستقرة

ملخص نظرية بور:
يتحرك الالكترون في مدار ثابت ويكون لكل مدار يتحرك فية الالكترون طاقة محددة ثابتة تتوقف على قربة او بعدة عن النواة
يعبر عن كل مدار بعدد صحيح يسمى عدد الكم الرئيسي وقد وجد ان اقصى عدد لمستويات الطاقة هو سبعة في الحالة المستقرة
لاتشع الذرة ضوءا عندما تتحرك الالكترونات في مدارها الثابت ولكن تشع ضوءا اذا انتقل الالكترون من مجال ذي طاقة معينه الى مجال ذي طاقة اقل وتكون الطاقة المنطلقة تساوي الفرق بين طاقتي المدارين
يتبع الالكترون في تحركة مسار دائري مما يؤدي الى تكوين قوة طاردة مركزية تعادل قوة جذب النواة للإلكترونات
فلاش بوهر

وفي عام 1924م رأى العالم الفرنسي لوي دي بروجلي أن للإلكترونات خواص الموجات. وفي 1928م تم الحصول على وصف سليم لترتيب الإلكترونات بمساعدة علماء فيزياء آخرين وخصوصًا وولفجانج باولي وإيرفين شرودينجر النمساويين وماكس بورن وفرنر هيسينبرج الألمانيين.
مبدأ بروجلي : كل جسيم متحرك تصاحبة حركة موجية لها بعض خصائص الموجات الضوئية
ريب هايزنبيرغ: يستحيل تحديد مكان وسرعة الاكترون معا في وقت واحد ولكن ذلك يخضع لقوانين الاحتمالات

المعادلة الموجية لشرودنغر: وضع شرودنجر المعادلة الموجية لحركة الالكترون وبواسطتها امكن معرفة احتمال وجود الالكترون في منطقة ما من الفراغ المحيط بالنواة اذن المنطقة في الفضاء المحيط بالنواة والتي يحتمل وجود الالكترون فيها في كل الاتجاهات والابعاد تسمى السحابة الإلكترونية
بناء على جهود العلماء السابقين فإن الذرة تتكون من :

نواة تحتوي على الشحنة الموجبة ( بروتونات ) تتركز فيها معظم كتلة النواة ومحاطة بإلكترونات سالبة الشحنة تتحرك بسرعة كبيرة جدا حوالي 2000 كم / ث

ولها خواص الموجات وتشغل مناطق الفراغ حول النواة ولها طاقات معينة واحتمال وجود الالكترونات خارج هذة المناطق ضئيل جدا

ويمكن حساب طاقات هذه المناطق وحساب ابعاد المجالات الالكترونية واشكالها الهندسية فيما يعرف بالاعداد الكمية

أعلن مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة ، تحطيم كل الأرقام القياسية في المشاهدة الدقيقة للذرات ، بعدما استخدم باحثوا المختبر المذكور آخر ما توصلت إليه التكنولوجيا في صناعة الميكروسكوب إضافة إلى تقنيات التصوير الرقمي المستندة إلى الكمبيوتر لدفع حدود الدقة في التصوير الذري إلى 0.6 أنغستورم .

على هذا المستوى من الدقة ، يمكن مشاهدة الذرات بوضوح كبير ، فالذرات يتراوح قطرها بين 1 و 4 أنغستروم .

و كان فريق الأبحاث في مختبر أوك ريدج قد تمكن من تصوير الذرات في بلورة السيلكون ما سمح لهم بمعاينة كل ذرة بمفردها .

و الوصول إلى هذه القدرة الكبيرة في مشاهدة عالم الذرات ، يسمح للعلماء بتأكيد أو نفي النظريات العلمية المتعلقة بالمادة ، كما يسمح لهم بتصميم و تطوير مواد جديدة و متطورة يمكن استخدامها في الكثير من التكنولوجيات العديدة .

و عن هذا الموضوع يقول العالم " ستيفن بيني كوك "Pennycook أنه منذ عشرين سنة فقط كان الحديث عن دقة التصوير هذه مجرد حلم

صورة ذرة السيليكون

منقووووووول....