الذرة .. بين المنطق والتجريب -5
بسم الله الرحمن الرحيم
الذرة بين المنطق والتجريب
اعتبر طومسون أن هذا التناقض لا يظهر إلا في إحدى حالتين فقط:
1- إما أن تكون كتلة كرية أشعة الكاثود صغيرة جداً عند مقارنتها بكتلة ذرة الهيدروجين أصغر كتلة معروفة حينها في عالم الفيزياء، وهو ما رجحه طومسون.
2- أو أن تكون شحنة كرية أشعة الكاثود أكبر بكثير من مثيلتها علي ذرة الهيدروجين.
اعتمد طومسون علي نظرية ويلسون C. T. R. Wilson لإثبات الفرضية الأولي، تشرح هذه النظرية كيفية تكون الضباب في الأجواء المتربة، فإذا كان هناك هواء مشبع ببخار الماء air saturated with water vapour ثم تم تبريده فإنه يتحول إلي هواء فوق مشبع ببخار الماء supersaturated ،فإذا كان هذا الهواء يحتوي علي غبار فإن جزيئات الغبار تقوم بتجميع قطرات الماء الدقيقة حولها مما يساعد علي ظهور الضباب fog ، أو المطر وهو ما يفسر أن المطر والضباب يغسلان الهواء من الأتربة والغبار والعوالق، وفي حالة عدم وجود عوالق بالهواء فإن تكون الضباب تقل معدلاته، وجد ويلسون أن الجسيمات المشحونة لها القدرة علي تجميع قطرات الماء الدقيقة لتكوين الضباب مثلها مثل جزيئات الغبار، وبالتالي إذا كان الضباب علي وشك التكون في هواء فوق مشبع، فإن مرور جسيم مشحون في هذا الوسط يحفز عملية تكون الضباب بصورة سريعة علي طول مسار الجسيم في هذا الوسط، وبالتالي يمكن رؤية مسارات هذا الجسيم المشحون بكل سهولة.
إن اصطدام الشحنات السالبة بقطرات الماء يؤدي إلي انتقال الشحنة من علي الجسيمات إلي قطرات الماء لتصبح قطرات الماء سالبة الشحنة، وبوضع جسم موجب الشحنة فوق هذه القطرات المشحونة بشحنة سالبة فإنها ستنجذب إلي هذا الجسم، وبالتالي ستقع القطرة تحت تأثير قوتين متضادتين في الاتجاه، قوة وزنها وهى لأسفل، وقوة الجذب الكهربية وهي لأعلي، وبالتالي ستقل سرعة هبوط القطرة، ومع تعديل قيمة المجال الكهربي للجسم المشحون حتى نحصل علي وضع الاتزان، بمعنى أن القطرة لن تسقط علي الإطلاق وتبقي معلقة بين السماء والأرض، ففي هذه الحالة فإن وزن القطرة سيعادل قوة الجذب الكهربية للقطرة، وبافتراض أن X هي القوة الكهربية المؤثرة علي القطرة، e هي الشحنة علي القطرة، w هي وزن القطرة، فإننا سنحصل في وضع الاتزان علي
Xe = w
قد قمنا سابقاً بتعيين وزن القطرة، وبالطبع فإن قيمة X ستكون معلومة، فإننا نستطيع وبسهولة تعيين قيمة e، وقد أعطت هذه الطريقة قيمة e والتي كانت تساوي http://latex.codecogs.com/gif.latex?...0%7D&space;%7D وحدة كهروستاتيك، أو تعادل http://latex.codecogs.com/gif.latex?...0%7D&space;%7D وحدة كهرومغناطيسية، وهى نفس قيمة الشحنة الموجودة علي ذرة الهيدروجين في التحليل الكهربي للمحاليل المخففة.
هذا الإثبات هو الخطوة الأولي في إثبات الفرضية الأولي، قد يظن البعض أن الشحنة التي قمنا بتعيينها في التجارب السابقة ليست هي الشحنة علي كرية الكاثود، بل قد تكون قيمة الشحنة الموجودة علي جزئ أو مجموعة من جزيئات الغاز، ولكن دعني أخيب ظنكم، لقد وجد طومسون أن قيمة الشحنة كانت ثابتة وذلك عندما قام بتعريض الغاز للإشعاع الصادر من الراديوم، وهى نفس قيمتها عندما عرض لوح معدني للأشعة الفوق بنفسجية ultraviolet light ولقد كانت المفاجأة عندما حصل بذلك علي نفس كريات أشعة الكاثود وقد كانت بالكامل سالبة الشحنة.
بالتعويض عن قيمة e بالوحدات الكهرومغناطيسية في قيمة e/m لكريات أشعة الكاثود والتي تساوي http://latex.codecogs.com/gif.latex?...0%5E%7B7%7D%7D ، فإننا سنحصل علي قيمة m وهى كتلة هذه الكرية، فإننا سنجد أن قيمتها من رتبة كبر http://latex.codecogs.com/gif.latex?...8%7D&space;%7D.
بافتراض أن E هي شحنة ذرة الهيدروجين في التحليل الكهربي للمحاليل المخففة، M كتلة ذرة الهيدروجين، فإذا كان:
فإننا سنحصل علي:
توصل تاونسيند Townsend إلي أن قيمة e تعادل تماماً قيمة E، وعليه فإننا يمكننا أن نحصل علي:
بمعنى آخر أن كتلة كرية أشعة الكاثود حوالي 1/1700من كتلة ذرة الهيدروجين، هذا يعنى أننا أمام جسيم جديد يفرض علينا أن هناك ما هو أصغر من الذرة، ومن الوهلة الأولي ظن طومسون أن مبدأ الذرة غير قابلة للتقسيم أو التحطيم بدأ في الزوال علي عتبة هذا الاكتشاف ولكن كان لابد عليه أن يثبت ذلك بتجارب علمية مقننة.
استطاع طومسون الحصول علي هذه الكريات بعدة طرق مختلفة بجانب طريقة أشعة الكاثود، لقد حصل عليها عندما قام بتسخين بعض المعادن لدرجة الاحمرار، وجدها موجودة في الإشعاع الصادر من الروبيديوم Rubidium ، وسبيكة الصوديوم والبوتاسيوم alloy of sodium and potassium ، استطاع الحصول عليها عند تعريض المعادن للضوء وخاصة المعادن القلوية، كما تشع هذه الكريات بكميات كبيرة من خلال النشاط الإشعاعي لبعض المواد مثل اليورانيوم Uranium والراديوم، كما استطاع الحصول عليها بكميات كبيرة وذلك بتعرض الأملاح للهب، وقد اعتقد طومسون أن هذا سبب مقنع لتفسير وصول هذه الكريات إلينا من الشمس.
في جميع الحالات التي استطاع طومسون الحصول فيها علي كريات الكاثود كانت قيمة كل من شحنتها و e/m ثابتة بصورة ملفتة للنظر، وقد كان هذا الانتشار الواسع لهذه الكريات السبب الرئيسي لافتراض طومسون أن كرية أشعة الكاثود أحد مصادر بناء الذرات، وأن الذرة أصبحت ليست بشكل نهائي وحدة بناء المادة.
أدي هذا الاكتشاف إلي عدة تساؤلات من أهمها أين الشحنة الموجبة التي تعادل الشحنة الكهربية السالبة للذرة الأمر الذي جعل اللورد كلفن Kelvin ( Lord ) ينادي بحتمية إيجاد نموذج للذرة عام 1902، وبناءاً علي فرض جولد شتاين أن الذرة تحتوي علي جسيمات موجبة، كما أن الذرة متعادلة كهربياً، افترض طومسون عام 1904 أن الذرة عبارة عن جسم كروي ذي نصف قطر http://latex.codecogs.com/gif.latex?...5E%7B-10%7D%7D متر تقريباً موزع عليها بانتظام كهرباء موجبة وتحمل في ثناياها الكترونات سالبة الشحنة تعادل الشحنة الموجبة، وبذلك يكون طومسون هو أول من وضع نموذج علمي للذرة، وقد اعتبر طومسون أن تركيب الذرة يبدو أحياناً مثل خبز الزبيب لذا يطلق عليه في بعض الأحيان raisin bread model أو فطيرة الخوخ plum pudding model.
اقترح طومسون في هذا النموذج أن الالكترونات تتوزع داخل هذا الجسم الكروي بميكانيكية معقدة من أجل حدوث الاتزان بين قوي التنافر والتجاذب بين الالكترونات والشحنات الموجبة، فعلي سبيل المثال في ذرة الهيدروجين فإن إلكترونها الوحيد يقبع في مركز الكرة، بينما عند زيادة العدد الذري في ذرة الهليوم بوجود إلكترونين فإن هذين الإلكترونين يبتعدان عن بعضهما علي خط واحد يمر بمركز الكرة بحيث تكون المسافة بين كل منهما ومركز الكرة يعادل 0.57 من نصف قطر الكرة، وبدخول إلكترون ثالث، فإن هذه الالكترونات تترتب في شكل مثلثي، وبدخول الرابع تترتب في شكلاً مربعاً، وبزيادة عدد الالكترونات تبدأ في الانقسام إلي مجموعتين، ثم ثلاثة وهكذا.
وعند اكتساب الذرة للطاقة تبدأ هذه الالكترونات في الدوران داخل الكرة حتى تبدأ في الدوران حول هذا الجسم الكروي وبالوصول إلي دالة الجهد للمادة تنفصل الالكترونات عنها، ولكن هذه التفسيرات لم تكن تلقي قبولاً عند كثير من الفيزيائيين وعلي رأسهم رذرفورد الذي دأب علي إجراء التجارب لإثبات صحة هذه النظرية.
تابعونا في الحلقة القادمة لنتعرف علي التجارب المثيرة لرذرفورد وكيف هدم نموذج طومسون
رد: الذرة .. بين المنطق والتجريب -5
تسلم اخ محمد بارك الله فيك
رد: الذرة .. بين المنطق والتجريب -5
اقتباس:
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة ماستر مروان
تسلم اخ محمد بارك الله فيك
وبارك فيك أخي علي مرورك الطيب المبارك
مع وافر احترامي وتقديري
