من هو مخترع الذرة؟ قام العديد من الباحثين والمفكرين، وأبرزهم نيوتن وجاليليو ولافوازييه وبويل، باستكشاف وتوسع في فكرة التركيب الذري والذرات، ومع ذلك، ذكر عالم وأرصاد جوية وفيزيائي إنجليزي يدعى جون دالتون لأول مرة أن كل شيء يتكون من ذرات في كتاب نشره عام 1808، وعلاوة على ذلك، فإن نظرية دالتون الذرية الشائعة والمعروفة جدا هي إحدى مساهماته، وإذا تحدثنا عن الذرة فإن ديموقريطوس وهو فيلسوف يوناني هو أول من استخدم مصطلح الذرة، وفي مقالتنا سوف نوضح أهم النظريات الذرية لاكتشاف الذرة، تابعونا.
مخترع الذرة جون دالتون، والذي قام باكتشافها في عام 1703، والذرة هي الوحدة الأساسية للمادة، والذرة تتكون من نواة مركزية كثيفة تحيط بها سحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة، وببساطة الذرة هي أصغر مكون للعنصر والتي تحمل الخصائص الكيميائية للعنصر، وتحتوي النواة الذرية على مزيج من البروتونات ذات الشحنة الموجبة والنيوترونات المتعادلة كهربائيا ما عدا في حالة الهيدروجين حيث استقرار النواة بدون النيوترونات، وإن إلكترونات الذرة مرتبطة بالنواة بواسطة القوة الكهرومغناطيسية، وبالمثل، فإن مجموعة من الذرات يمكن أن تبقى ملزمة لبعضها البعض وتكون الجزيء.
الذرة تحتوي على عدد متساو من البروتونات والإلكترونات المتعادلة كهربائيا، وإلا فإن الذرة سوف تحمل شحنات موجبة أو شحنات سالبة وتصبح الذرة متأينة، وتصنف الذرة وفقا لعدد البروتونات والنيوترونات في نواتها، حيث أن عدد البروتونات تحدد العنصر الكيميائي، وعدد النيوترونات تحدد نظائر العنصر، ولا يمكن أن تلاحظ الذرات بشكل فردي إلا باستخدام أدوات خاصة مثل المجهر.
تاريخ مخترع الذرة
قد اقترح أول مفهوم للذرة من قبل الفلاسفة الهنود واليونانيين الأوائل، وفي القرنين السابع عشر والثامن عشر، قدم الكيميائيون قواعد فيزيائية لهذه الفكرة من خلال إظهار أن بعض المواد لا يمكن تفكيكها بطرق كيميائية، وتعود أقدم إشارات مفهوم الذرة إلى الهند القديمة في القرن السادس قبل الميلاد، والتي ظهرت أولا في الجينية، ووضعت مدارس نيايا و فايشيشيكا نظريات متطورة لكيفية دمج الذرة في الأشياء الأكثر تعقيدا.
جون دالتون، كان الكيميائي البريطاني والفيزيائي الذي جاء مع نظرية أتوميستيكش، ودراسات دالتون البحثية حول خصائص الغلاف الجوي والغازات كانت أساس نظريته الذرية، وأعطت نظريته أدلة على أصغر الجسيمات في الكون، وقد أعلن لأول مرة نظريته في المؤسسة الملكية في محاضرة في عام 1803، ووفقا لنظرية مخترع الذرة جون دالتون، فإن هناك أنواع مختلفة من الذرة، وتسمى هذه بالعناصر.
ويعتبر الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين أمثلة على العناصر، وكل من هذه العناصر تختلف عن بعضها البعض فقط من حيث وزنها، والذرات من نفس العنصر جميعها لها نفس الكتلة، والذرات مختلفة العناصر مختلفة في الكتلة، واستخدم دالتون الرموز لتمثيل العناصر.
مخترع الذرة جون دالتون كان من تصور أن الذرة على الشكل الكروي، لذلك رسم الذرة سوف يكون على شكل دائرة، وهو من رأى أن ذرات العناصر المختلفة لها كتل مختلفة، وهو من وضع أسس العلم الذي يتناول دراسة الذرة ومكوناتها.
التطور في اختراع الذرة
مخترع الذرة جون دالتون اعتقد خطأ أن أبسط مركب بين أي عنصرين يكون دائما اتحاد ذرة واحدة لكل منهما، لذلك كان يعتقد مثلا أن مركب الماء HO وليس H2O، وأدى ذلك إلى ظهور عيوب في جدوله، وعلى سبيل المثال، فقد اعتقد أن ذرات الأكسجين أثقل من ذرات الهيدروجين بحوالي 5.5 مرة، وذلك لأنه في مركب الماء كان يقيس 5.5 جرام من الأكسجين لكل واحد جرام من الهيدروجين مع اعتقاده أن صيغة الماء هي HO، ولكن في الواقع ذرة الأكسجين أثقل من ذرة الهيدروجين حوالي 16 مرة.
في عام 1811 تم تصحيح الخلل في نظرية دالتون من قبل أميديو أفوجادرو، حيث اقترح أفوجادرو أن الأحجام المتساوية لأي غازين عند درجة حرارة وضغط متساويين يحتويان على عدد متساوي من الجزيئات، وبعبارة أخرى، فإن كتلة جزيئات الغاز لا تؤثر على حجمه، وأفوجادرو كان قادرا على تقديم تقديرات أكثر دقة للكتلة الذرية للأكسجين وعناصر أخرى مختلفة، وحزم بقوة التمييز بين الجزيئات والذرات.
في عام 1897 كان يعتقد أن الذرات هي أصغر قسم من المادة، ثم اكتشف جوزيف جون طومسون الإلكترونات من خلال عمله على أشعة الكاثود، ولتوضيح الشحنة المتعادلة الشاملة للذرة، فقد اقترح تومسون أن الجسيمات تتوزع في موجة متماثلة من الشحنات الموجبة.
في عام 1909 تم رفض نموذج طومسون من قبل أحد طلابه وهو إرنست رذرفورد، والذي اكتشف أن معظم الكتلة والشحنات الموجبة من الذرة تتركز في جزء صغير جدا من حجمها، والذي افترض أنه في مركز الذرة، وفي عام 1911، فقد اقترح رذرفورد نظرة ثورية للذرة، واقترح أن الذرة تتكون من نواة صغيرة كثيفة من الجسيمات ذات شحنة موجبة في وسط الذرة وهي النواة، وتحيط بها حلقة دائرية من الإلكترونات.
في عام 1913، طبق نيلز بوهر نظرية الكم التي وضعها ماكس بلانك وألبرت أينشتاين، والتي أضافت الكثير إلى نظرية التركيب الذري، وأدى تطوير ميكانيكا الكم خلال 1920 إلى تفسير اعتلال جميع الظواهر المتعلقة بدور الإلكترونات في الذرات وجميع الجوانب المرتبطة بها.
في عام 1932، اكتشف جيمس تشادويك نوع ثالث من الجسيمات أقل من الذرة، والتي أطلق عليها اسم النيوترون، وساعدت النيوترونات على استقرار البروتونات في نواة الذرة، ومع اكتشاف النيوترون في عام 1932 كانت الصورة الحديثة للذرة كاملة.
دور مخترع الذرة في تحسين الحياة البشرية
* كانت أعمال دالتون أدلة كافية على وجود الذرة التي أصبحت مفهوما علميا مسلم به.
* دراسة الذرة أعطت إدراك ومفهوم أفضل للفيزياء والكيمياء.
* أدت دراسات أخرى للذرات إلى اكتشاف الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات والفوتونات وغيرها، وساعدت هذه الاكتشافات أيضا على تطوير التكنولوجيات التي أحدثت ثورة في الاتصالات والأجهزة الإلكترونية وما إلى ذلك.
قائمة بالنظريات الذرية
لقد تطورت النظرية الذرية منذ العصور القديمة، ولقد أخذ العلماء بفرضية العلماء اليونانيين وبنوا عليها باكتشافاتهم ونظرياتهم المختلفة فيما يتعلق بالذرة، وهي مشتقة من الكلمة اليونانية أتوم وتعني غير قابلة للتجزئة، ومنذ ذلك الحين، اكتشف المجتمع العلمي أن هذه الجسيمات تنقسم إلى جسيمات فرعية تسمى البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، ومع ذلك، ظل اسم الذرة عالقا.
المعتقدات اليونانية القديمة
كان ليوكيبوس وديموقريطوس أول من اقترح في القرن الخامس قبل الميلاد أن كل المادة تتكون من وحدات صغيرة تسمى الذرات، وقد رأى الفيلسوفان أن هذه الجسيمات كانت عبارة عن جزيئات صلبة ليس لها بنية داخلية، وتأتي في أشكال وأحجام متنوعة، والصفات غير الملموسة مثل الطعم واللون وفقا لهذه النظرية مصنوعة من الذرات، إلا أن أرسطو عارض هذه الفكرة بشدة، وفشل المجتمع العلمي في الاهتمام بها جديا لعدة قرون.
نظرية دالتون
في عام 1808، واصل الكيميائي الإنجليزي جون دالتون البناء على المفهوم اليوناني للذرات، وافترض أن المادة تتكون من ذرات، وهي جزيئات صغيرة غير قابلة للتجزئة، واقترح أيضا أنه على الرغم من أن جميع ذرات عنصر واحد متطابقة، إلا أنها مختلفة تماما عن تلك التي تشكل العناصر الأخرى.
نظرية طومسون
اقترح الفيزيائي الإنجليزي جوزيف طومسون نظرية بودنغ البرقوق للذرة القابلة للقسمة في عام 1904، بعد اكتشاف الإلكترونات في عام 1897، ويفترض نموذجه أن الذرة تتكون من كرة كبيرة مشحونة بشحنة موجبة ومرصعة بإلكترونات سالبة الشحنة أطلق عليها اسم الجسيمات مثل الفاكهة في بودنغ البرقوق، وافترض كذلك أن شحنة الكرة الموجبة تساوي الشحنات السالبة للإلكترونات، واليوم نسمي الجسيمات الموجبة الشحنة بالبروتونات، والجسيمات السالبة بالإلكترونات.
نظرية رذرفورد
اقترح الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد نموذجا نوويا للذرة، توجد فيه نواة، عام 1911، كما اكتشف النشاط في هذا الجزء، وهو حركة البروتونات والإلكترونات داخل الجزء المركزي للذرة، كما افترض أن عدد البروتونات في الذرة يساوي عدد الإلكترونات، كما افترض وجود المزيد من الجسيمات المحايدة، وقد أصبحت هذه تعرف باسم النيوترونات.
نظرية بور
اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في عام 1913 نموذجا كوكبيا، حيث تدور الإلكترونات حول النواة تماما كما تدور الكواكب حول الشمس، وأثناء وجود الإلكترونات في المدار، يكون لديها ما وصفه بور بالطاقة الثابتة، وعندما تمتص هذه الجسيمات الطاقة وتنتقل إلى مدار أعلى، وتشير نظرية بور إليها على أنها إلكترونات مثارة، وعندما تعود الإلكترونات إلى مدارها الأصلي، فإنها تطلق هذه الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي.
أينشتاين و هايزنبرج وميكانيكا الكم
من خلال عقود من الأبحاث المضنية التي أجراها آلاف العلماء، تعتمد النظرية الذرية الحالية على العمل الذي قام به ألبرت أينشتاين و فيرنر هايزنبرغ وآخرون في الثلاثينيات، كما هو الحال مع النظريات السابقة، تتكون الذرة من نواة مركزية ثقيلة محاطة بعدد من الإلكترونات، على عكس النظريات السابقة التي تعاملت مع الإلكترونات والبروتونات والجسيمات الصغيرة الأخرى على أنها كتل صلبة محددة، فإن نظرية الكم الحديثة تعاملها على أنها سحب إحصائية.
ومن الغريب أنه يمكنك قياس سرعتهم بالضبط، أو مواقعهم، ولكن ليس كلاهما في نفس الوقت، فبدلا من أن تتصرف الإلكترونات ككواكب تدور في مسارات إهليلجية جيدة التصرف، فإنها تدور في سحب غامضة ذات أشكال مختلفة، ومن ثم تصبح الذرات أقل شبها بكرات البلياردو الصلبة والدقيقة وأكثر شبها بالإسفنج الدائري النابض، وعلى الرغم من كونها مادة صلبة، إلا أنها يمكن أن تظهر خصائص موجية مثل طول الموجة و أنماط التداخل.
نظرية الكوارك
عندما نظر العلماء إلى الذرات بأدوات متزايدة القوة، اكتشفوا أن البروتونات والنيوترونات التي تشكل النواة كانت بدورها مكونة من جسيمات أصغر، وفي ستينيات القرن العشرين، أطلق الفيزيائيان موراي جيل مان وجورج زفايج على هذه الجسيمات اسم الكواركات، مستعينين بكلمة استخدمت في إحدى روايات جيمس جويس، وتأتي الكواركات في أشكال مختلفة مثل أعلى، وأسفل، وأعلى، وأسفل، وتتشكل البروتونات والنيوترونات من حزم مكونة من ثلاثة كواركات أعلى، وأسفل، وأعلى، وأسفل، وأعلى، وأسفل على التوالي.
قام الفلاسفة والمنظرين والفيزيائيين والعلماء بتطوير النموذج الذري تدريجيا على مدار عدة قرون، وتم اقتراح عدة نماذج افتراضية وتعديلها ورفضها أو قبولها في النهاية، وقام العديد من العلماء والمفكرين باكتشافات وإجراء تجارب للوصول إلى النموذج الذري المقبول حاليا، وساهم تطور الرياضيات والتكنولوجيا المتخصصة بشكل كبير في الفهم المعاصر لطبيعة الذرات.
النماذج الكروية المبكرة
لأن الذرات صغيرة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها، كانت النماذج النظرية الأولى عبارة عن إنشاءات فكرية تعتمد على الأساليب المنطقية للاستدلال الاستقرائي والاستنتاجي، وكان الفيلسوف اليوناني الكلاسيكي ديموقريطوس أول من اقترح وجود الذرات في عام 400 قبل الميلاد، ولقد رأى أن المادة لا يمكن تقسيمها إلى ما لا نهاية، ويجب أن تتكون من جسيمات مستديرة غير قابلة للتجزئة تسمى الذرات، وفي عام 1800، توصل جون دالتون إلى نفس وجهة النظر الذرية باستخدام الطريقة التجريبية لدراسة الغازات والمركبات، وسميت نظريته بنموذج الكرة الصلبة، أو كرة البلياردو.
نموذج بودنغ البرقوق
في عام 1904، افترض العالم الفيزيائي البريطاني طومسون بودنغ البرقوق، أو كعكة الزبيب، نموذجا للذرية، وقد استند إلى معرفة الجسيمات دون الذرية المشحونة سلبا والتي تم اكتشافها مؤخرا والتي تسمى الإلكترونات، ودفعته تجارب طومسون باستخدام أنابيب أشعة الكاثود إلى وضع نظرية حول وجود جسيمات صغيرة داخل الذرات والتي كانت بمثابة الأجزاء الأساسية لجميع الذرات، وتصور نموذجه الإلكترونات السالبة، أو البرقوق، المعلقة داخل إطار موجب الشحنة، أو البودنج.
نموذجان لمدار الكواكب
من عام 1910 إلى عام 1911، اقترح إرنست رذرفورد النموذج الكوكبي أو النووي للذرة، وكان يعتقد أن الذرات تتكون في معظمها من مساحة فارغة، ولها نواة كثيفة، وتضمنت تجاربه إطلاق جسيمات ألفا على رقائق الذهب، وخلص إلى أن النواة الموجبة تحتوي على معظم كتلة الذرة، مع نموذج المدار الخاص به، قام نيلز بور بتحسين فكرة الذرة كنظام شمسي صغير في عام 1913، وكان نموذج بور يحتوي على إلكترونات تدور حول النواة في طبقات تشبه القشرة.
نموذج السحابة الإلكترونية
قام لويس دي برولي و إروين شرودنغر بتطوير نموذج السحابة الإلكترونية، أو نموذج ميكانيكا الكم، وقد استندوا في هذا النموذج إلى الإنجازات التي حققها فرع الفيزياء في ميكانيكا الكم، وبدلا من الإلكترونات الموجودة في مدارات ثابتة، يحتوي نموذج السحابة على مدارات محددة بالتوزيع الاحتمالي حول النواة، واعتمادا على ملاحظتها وقياسها، يمكن أن تتواجد الإلكترونات في العديد من الأماكن المختلفة، وفي بعض الأحيان في وقت واحد.
