منذ بداية الزمن ، سعى البشر لفهم ما يتكون منه الكون وكل شيء بداخله. وبينما تصور المجوس والفلاسفة القدماء عالمًا يتكون من أربعة أو خمسة عناصر - الأرض والهواء والماء والنار (والمعدن أو الوعي) - من خلال العصور القديمة الكلاسيكية ، بدأ الفلاسفة في وضع نظريات مفادها أن كل المادة تتكون بالفعل من صغيرة ، ذرات غير مرئية وغير قابلة للتجزئة.
منذ ذلك الوقت ، انخرط العلماء في عملية اكتشاف مستمرة مع الذرة ، على أمل اكتشاف طبيعتها الحقيقية وتركيبها. بحلول القرن العشرين ، أصبح فهمنا مصقولًا لدرجة أننا استطعنا بناء نموذج دقيق له. وخلال العقد الماضي ، تقدم فهمنا إلى أبعد من ذلك ، لدرجة أننا وصلنا لتأكيد وجود جميع أجزائه النظرية تقريبًا.
اليوم ، يركز البحث الذري على دراسة هيكل ووظيفة المادة على المستوى دون الذري. لا يتألف هذا فقط من تحديد جميع الجسيمات دون الذرية التي يُعتقد أنها تشكل ذرة ، ولكن التحقيق في القوى التي تحكمها. وتشمل هذه القوى النووية القوية والقوى النووية الضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية. هنا تفصيل لكل ما جئنا لتعلمه عن الذرة حتى الآن ...
هيكل الذرة:
يمكن تقسيم نموذجنا الحالي للذرة إلى ثلاثة أجزاء مكونة - البروتونات والنيوترون والإلكترونات. يحتوي كل جزء من هذه الأجزاء على شحنة مرتبطة ، مع بروتونات تحمل شحنة موجبة ، وإلكترونات ذات شحنة سالبة ، والنيوترونات لا تحتوي على شحنة صافية. وفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، تشكل البروتونات والنيوترونات نواة الذرة ، بينما تدور الإلكترونات في "سحابة".
تنجذب الإلكترونات في الذرة إلى البروتونات في النواة بواسطة القوة الكهرومغناطيسية. يمكن للإلكترونات الهروب من مدارها ، ولكن فقط استجابة لمصدر خارجي للطاقة يتم تطبيقه. كلما اقترب مدار الإلكترون من النواة ، زادت القوة الجذابة ؛ وبالتالي ، كلما زادت القوة الخارجية اللازمة لإفلاس الإلكترون.
تدور الإلكترونات حول النواة في مدارات متعددة ، يتوافق كل منها مع مستوى طاقة معين للإلكترون. يمكن للإلكترون تغيير حالته إلى مستوى طاقة أعلى عن طريق امتصاص الفوتون بطاقة كافية لدفعه إلى الحالة الكمية الجديدة. وبالمثل ، يمكن للإلكترون في حالة طاقة أعلى أن ينخفض إلى حالة طاقة أقل بينما يشع الطاقة الزائدة كفوتون.
تكون الذرات محايدة كهربائيًا إذا كان لديها عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات. تسمى الذرات التي لديها عجز أو فائض من الإلكترونات أيونات. يمكن نقل الإلكترونات الأبعد عن النواة إلى ذرات أخرى قريبة أو مشتركة بين الذرات. بهذه الآلية ، تستطيع الذرات الارتباط بالجزيئات وأنواع أخرى من المركبات الكيميائية.
جميع هذه الجسيمات دون الذرية الثلاثة هي فيرميونات ، وهي فئة من الجسيمات المرتبطة بالمادة الأولية (الإلكترونات) أو المركبة (البروتونات والنيوترونات) في الطبيعة. وهذا يعني أن الإلكترونات ليس لها بنية داخلية معروفة ، في حين تتكون البروتونات والنيوترونات من جزيئات دون ذرية أخرى. دعا الكواركات. هناك نوعان من الكواركات في الذرات ، والتي لها شحنة كهربائية جزئية.
تتكون البروتونات من كواركين "أعلى" (كل منهما بتكلفة +2/3) وكوارك "سفلي" (-1/3) ، بينما تتكون النيوترونات من كوارك واحد علوي وكواركين سفليين. يفسر هذا التمييز الفرق بين الجسيمين ، والذي يعمل على شحنة +1 و 0 على التوالي ، في حين أن الإلكترونات لديها شحنة -1.
تشمل الجسيمات دون الذرية الأخرى اللبتون ، الذي يتحد مع فيرميون لتشكيل لبنات المادة. يوجد ستة لبتونات في النموذج الذري الحالي: جسيمات الإلكترون والميون والتاو والنيوترينوات المرتبطة بها. يتم تمييز الأصناف المختلفة من جسيمات Lepton ، والتي يطلق عليها عادة "النكهات" ، من خلال أحجامها وشحناتها ، مما يؤثر على مستوى تفاعلاتها الكهرومغناطيسية.
ثم هناك أجهزة قياس الوزن ، والتي تُعرف باسم "حاملات القوة" لأنها تتوسط القوى المادية. على سبيل المثال ، الجلوونات مسؤولة عن القوة النووية القوية التي تحافظ على الكواركات معًا في حين يعتقد أن بوزونات W و Z (لا تزال افتراضية) مسؤولة عن القوة النووية الضعيفة وراء المغناطيسية الكهرومغناطيسية. الفوتونات هي الجسيم الأولي الذي يتكون منه الضوء ، في حين أن Higgs Boson مسؤول عن إعطاء البوزونات W و Z كتلتها.
الكتلة الذرية:
تأتي غالبية كتلة الذرات من البروتونات والنيوترونات التي تشكل نواتها. الإلكترونات هي الأقل كتلة من الجسيمات المكونة للذرة ، مع كتلة 9.11 × 10-31 كجم وحجم صغير جدًا بحيث لا يمكن قياسه بالتقنيات الحالية. تبلغ كتلة البروتونات 1.836 مرة من الإلكترون ، عند 1.6726 × 10-27 كجم ، في حين أن النيوترونات هي الأكثر ضخامة من الثلاثة ، عند 1.6929 × 10-27 كجم (1،839 ضعف كتلة الإلكترون).
العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات في نواة الذرات (يسمى "نوكليونات") يسمى عدد الكتلة. على سبيل المثال ، يتم تسمية عنصر الكربون -12 لأنه يحتوي على عدد كتلة 12 - مشتق من نوياته الـ 12 (ستة بروتونات وستة نيوترونات). ومع ذلك ، يتم ترتيب العناصر أيضًا استنادًا إلى أعدادها الذرية ، وهو نفس عدد البروتونات الموجودة في النواة. في هذه الحالة ، يحتوي الكربون على عدد ذري من 6.
من الصعب جدًا قياس الكتلة الفعلية للذرة أثناء الراحة ، حيث أن حتى أكبر الذرات هي خفيفة جدًا بحيث لا يمكن التعبير عنها في الوحدات التقليدية. على هذا النحو ، غالبًا ما يستخدم العلماء وحدة الكتلة الذرية الموحدة (ش) - وتسمى أيضًا دالتون (دا) - والتي يتم تعريفها على أنها اثنا عشر من كتلة ذرة محايدة خالية من الكربون 12 ، والتي تبلغ حوالي 1.66 × 10-27 كلغ.
يستخدم الكيميائيون أيضًا الشامات ، وهي وحدة تعرف بأنها مول واحد لأي عنصر له دائمًا نفس عدد الذرات (حوالي 6.022 × 1023). تم اختيار هذا الرقم بحيث إذا كان للعنصر كتلة ذرية تبلغ 1 ش ، فإن مول من ذرات ذلك العنصر له كتلة قريبة من جرام واحد. نظرًا لتعريف وحدة الكتلة الذرية الموحدة ، فإن لكل ذرة كربون -12 كتلة ذرية تساوي بالضبط 12 ش ، وبالتالي يزن مول من ذرات الكربون -12 0.012 كجم بالضبط.
الاضمحلال الإشعاعي:
أي ذرتين لهما نفس عدد البروتونات تنتمي إلى نفس العنصر الكيميائي. لكن الذرات التي تحتوي على عدد متساو من البروتونات يمكن أن يكون لها عدد مختلف من النيوترونات ، والتي يتم تعريفها على أنها نظائر مختلفة للعنصر نفسه. غالبًا ما تكون هذه النظائر غير مستقرة ، ومن المعروف أن جميع أولئك الذين لديهم عدد ذري أكبر من 82 مشع.
عندما يتعرض عنصر ما للتحلل ، تفقد نواته الطاقة عن طريق إصدار الإشعاع - والذي يمكن أن يتكون من جزيئات ألفا (ذرات الهيليوم) ، وجزيئات بيتا (البوزيترونات) ، وأشعة جاما (الطاقة الكهرومغناطيسية عالية التردد) وإلكترونات التحويل. المعدل الذي يتحلل فيه عنصر غير مستقر يُعرف باسم "نصف العمر" ، وهو مقدار الوقت المطلوب للعنصر لينخفض إلى نصف قيمته الأولية.
يتأثر استقرار النظير بنسبة البروتونات إلى النيوترونات. من بين 339 نوعًا مختلفًا من العناصر التي تحدث بشكل طبيعي على الأرض ، تم تصنيف 254 (حوالي 75٪) على أنها "نظائر مستقرة" - أي أنها لا تخضع للتسوس. هناك 34 عنصرًا مشعًا إضافيًا لها نصف عمر أطول من 80 مليون سنة ، وكانت أيضًا موجودة منذ النظام الشمسي المبكر (وبالتالي لماذا يطلق عليها "العناصر البدائية").
وأخيرًا ، من المعروف أن 51 عنصرًا إضافيًا قصيرة العمر تحدث بشكل طبيعي ، مثل "العناصر الابنة" (أي المنتجات الثانوية النووية) من انحلال العناصر الأخرى (مثل الراديوم من اليورانيوم). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون العناصر المشعة قصيرة العمر نتيجة عمليات حيوية طبيعية على الأرض ، مثل قصف الأشعة الكونية (على سبيل المثال ، الكربون 14 ، الذي يحدث في غلافنا الجوي).
تاريخ الدراسة:
تأتي أقدم الأمثلة المعروفة للنظرية الذرية من اليونان والهند القديمة ، حيث افترض فلاسفة مثل ديموقريطس أن كل المادة كانت تتكون من وحدات صغيرة غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتدمير. صُمم مصطلح "الذرة" في اليونان القديمة وأدى إلى ظهور مدرسة الفكر المعروفة باسم "الذرة". ومع ذلك ، كانت هذه النظرية مفهومًا فلسفيًا أكثر من كونها علمية.
لم يتم حتى القرن التاسع عشر أن تُفصَّل نظرية الذرات كمسألة علمية ، مع إجراء التجارب الأولى المستندة إلى الأدلة. على سبيل المثال ، في أوائل القرن التاسع عشر الميلادي ، 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 في نسب الأعداد الصحيحة الصغيرة ، وخلص إلى أن هذه التفاعلات حدثت في مضاعفات العدد الكامل للوحدات المنفصلة - بمعنى آخر ، الذرات. من خلال سلسلة من التجارب التي تنطوي على غازات ، ذهب دالتون إلى تطوير ما يعرف باسم نظرية دالتون الذرية ، والتي لا تزال أحد أحجار الزاوية للفيزياء والكيمياء الحديثة.
تنقسم النظرية إلى خمسة فرضيات: العناصر ، في أنقى حالاتها ، تتكون من جزيئات تسمى الذرات ؛ ذرات عنصر معين هي نفسها ، حتى آخر ذرة ؛ يمكن التمييز بين ذرات العناصر المختلفة من خلال أوزانها الذرية ؛ تتحد ذرات العناصر لتكوين مركبات كيميائية ؛ لا يمكن إنشاء أو تدمير الذرات في التفاعل الكيميائي ، بل يتغير التجميع دائمًا.
بحلول أواخر القرن التاسع عشر ، بدأ العلماء في التفكير في أن الذرة تتكون من أكثر من وحدة أساسية واحدة. ومع ذلك ، غامر معظم العلماء بأن هذه الوحدة ستكون بحجم أصغر ذرة معروفة - الهيدروجين. ثم في عام 1897 ، من خلال سلسلة من التجارب باستخدام أشعة الكاثود ، الفيزيائي ج. أعلن طومسون أنه اكتشف وحدة أصغر 1000 مرة وأخف بـ 1800 مرة من ذرة الهيدروجين.
كما أظهرت تجاربه أنها متطابقة مع الجسيمات الناتجة عن التأثير الكهروضوئي والمواد المشعة. أظهرت التجارب اللاحقة أن هذا الجسيم يحمل تيارًا كهربائيًا من خلال الأسلاك المعدنية والشحنات الكهربائية السالبة داخل الذرات. ولهذا السبب تم تغيير الجسيم - الذي كان يُطلق عليه في الأصل "جسيم" - إلى "إلكترون" فيما بعد ، وذلك بعد توقع الجسيمات جورج جونستون ستوني عام 1874.
ومع ذلك ، افترض طومسون أيضًا أنه تم توزيع الإلكترونات في جميع أنحاء الذرة ، والتي كانت بحرًا موحدًا بشحنة موجبة. أصبح هذا يعرف باسم "نموذج البرقوق" ، والذي ثبت خطأه فيما بعد. حدث هذا في عام 1909 ، عندما أجرى الفيزيائيان هانز جيغر وإرنست مارسدن (تحت إشراف إرنست رذرفود) تجربتهما باستخدام رقائق معدنية وجسيمات ألفا.
بالتوافق مع نموذج دالتون الذري ، اعتقدوا أن جسيمات ألفا ستمر مباشرة من خلال الرقاقة مع انحراف ضئيل. ومع ذلك ، انحرف العديد من الجسيمات عند زوايا أكبر من 90 درجة. لتفسير ذلك ، اقترح روثرفورد أن الشحنة الموجبة للذرة تتركز في نواة صغيرة في المركز.
في عام 1913 ، اقترح الفيزيائي نيلز بور نموذجًا تدور فيه الإلكترونات حول النواة ، ولكن لا يمكنها فعل ذلك إلا في مجموعة محدودة من المدارات. واقترح أيضًا أن الإلكترونات يمكن أن تقفز بين المدارات ، ولكن فقط في التغيرات المنفصلة للطاقة المقابلة لامتصاص أو إشعاع الفوتون. لم يعمل هذا على تحسين نموذج روثرفورد المقترح فحسب ، بل أدى أيضًا إلى ظهور مفهوم الذرة الكمية ، حيث تصرفت المادة في حزم سرية.
سمح تطور مطياف الكتلة - الذي يستخدم مغناطيسًا لثني مسار حزمة من الأيونات - بقياس كتلة الذرات بدقة أكبر. استخدم الكيميائي فرانسيس ويليام أستون هذه الأداة لإظهار أن النظائر لها كتل مختلفة. تبع ذلك بدوره الفيزيائي جيمس شادويك ، الذي اقترح عام 1932 النيوترون كطريقة لشرح وجود النظائر.
طوال أوائل القرن العشرين ، تم تطوير الطبيعة الكمية للذرات بشكل أكبر. في عام 1922 ، أجرى الفيزيائيان الألمانيان Otto Stern و Walther Gerlach تجربة حيث تم توجيه حزمة من ذرات الفضة من خلال مجال مغناطيسي ، والذي كان يهدف إلى تقسيم الحزمة بين اتجاه الزخم الزاوي للذرات (أو الدوران).
كانت النتائج ، المعروفة باسم تجربة ستيرن جيرلاخ ، هي انقسام الحزمة إلى جزئين ، اعتمادًا على ما إذا كان دوران الذرات موجهًا لأعلى أو لأسفل. في عام 1926 ، استخدم الفيزيائي إروين شرودنغر فكرة أن الجسيمات تتصرف مثل الموجات لتطوير نموذج رياضي يصف الإلكترونات بأنها أشكال موجية ثلاثية الأبعاد بدلاً من مجرد جسيمات.
نتيجة لاستخدام الأشكال الموجية لوصف الجسيمات هو أنه من المستحيل حسابيًا الحصول على قيم دقيقة لكل من موضع وزخم الجسيم في أي وقت معين. في نفس العام ، صاغ فيرنر هايزنبرغ هذه المشكلة ووصفها بأنها "مبدأ عدم اليقين". وفقًا لـ Heisenberg ، للحصول على قياس دقيق للموضع ، لا يمكن للمرء إلا الحصول على مجموعة من القيم المحتملة للزخم ، والعكس صحيح.
اكتشف علماء الفيزياء في الثلاثينيات الانشطار النووي بفضل تجارب أوتو هان وليز ميتنر وأوتو فريش. تضمنت تجارب هان توجيه النيوترونات إلى ذرات اليورانيوم على أمل إنشاء عنصر عبر اليورانيوم. بدلاً من ذلك ، حولت العملية عينته من اليورانيوم 92 (Ur92) إلى عنصرين جديدين - الباريوم (B56) والكريبتون (Kr27).
تحقق Meitner و Frisch من التجربة ونسبوها إلى انقسام ذرات اليورانيوم لتشكيل عنصرين بنفس الوزن الذري الكلي ، وهي عملية أطلقت أيضًا كمية كبيرة من الطاقة عن طريق كسر الروابط الذرية. في السنوات التي تلت ذلك ، بدأ البحث في التسليح المحتمل لهذه العملية (أي الأسلحة النووية) وأدى إلى بناء أول قنابل ذرية في الولايات المتحدة بحلول عام 1945.
في الخمسينيات من القرن الماضي ، سمح تطوير معجلات الجسيمات المحسّنة وكاشفات الجسيمات للعلماء بدراسة تأثيرات الذرات التي تتحرك في طاقات عالية. من هذا ، تم تطوير النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، والذي شرح بنجاح حتى الآن خصائص النواة ، ووجود جسيمات دون ذرية نظرية ، والقوى التي تحكم تفاعلاتها.
التجارب الحديثة:
منذ النصف الأخير من القرن العشرين ، كانت العديد من الاكتشافات الجديدة والمثيرة فيما يتعلق بالنظرية الذرية وميكانيكا الكم. على سبيل المثال ، في عام 2012 ، أدى البحث الطويل عن Higgs Boson إلى انفراج حيث أعلن الباحثون العاملون في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) في سويسرا عن اكتشافه.
في العقود الأخيرة ، خصص الفيزيائيون قدرًا كبيرًا من الوقت والطاقة لتطوير نظرية المجال الموحد (المعروف أيضًا باسم نظرية التوحيد الكبرى أو نظرية كل شيء). من حيث الجوهر ، منذ أن تم اقتراح النموذج القياسي لأول مرة ، سعى العلماء إلى فهم كيفية عمل القوى الأساسية الأربعة للكون (الجاذبية والقوى النووية القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية) معًا.
في حين يمكن فهم الجاذبية باستخدام نظريات أينشتاين عن النسبية ، ويمكن فهم القوى النووية والكهرومغناطيسية باستخدام نظرية الكم ، لا يمكن لأي من النظريتين تفسير القوى الأربع التي تعمل معًا. أدت محاولات حل هذا الأمر إلى عدد من النظريات المقترحة على مر السنين ، بدءًا من نظرية الأوتار إلى الجاذبية الكمومية. حتى الآن ، لم تؤد أي من هذه النظريات إلى اختراق.
لقد قطع فهمنا للذرة شوطا طويلا ، من النماذج الكلاسيكية التي اعتبرتها مادة صلبة خاملة تتفاعل مع الذرات الأخرى ميكانيكيا ، إلى النظريات الحديثة حيث تتكون الذرات من جزيئات حيوية تتصرف بشكل غير متوقع. على الرغم من أن الأمر استغرق عدة آلاف من السنين ، إلا أن معرفتنا بالبنية الأساسية لكل المادة قد تقدمت بشكل كبير.
ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من الألغاز التي لم يتم حلها بعد. مع الوقت والجهود المتواصلة ، قد نفتح أخيرًا الأسرار المتبقية المتبقية للذرة. ثم مرة أخرى ، قد يكون من الجيد جدًا أن أي اكتشافات جديدة نقوم بها ستثير المزيد من الأسئلة - وقد تكون أكثر إرباكًا من تلك التي جاءت من قبل!
لقد كتبنا العديد من المقالات حول الذرة لمجلة الفضاء. إليكم مقالة عن النموذج الذري لجون دالتون ، والنموذج الذري لنيلز بور ، من كان ديموقراطي ؟، وكم ذرة موجودة في الكون؟
إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول الذرة ، فراجع مقالة وكالة ناسا حول تحليل العينات الصغيرة ، وهنا رابط لمقالة ناسا حول الذرات والعناصر والنظائر المشعة.
لقد سجلنا أيضًا حلقة كاملة من فريق علم الفلك حول Atom. استمع هنا ، الحلقة 164: داخل الذرة ، الحلقة 263: الاضمحلال الإشعاعي ، والحلقة 394: النموذج القياسي ، البوسون.
