بعد التعارف نموذج طومسون الذري، الذي يعتبر الإلكترونات في وسط مشحون إيجابياً ، وهو نموذج أكثر تقدمًا يُعرف باسم نموذج رذرفورد الذري. كان العالم المسؤول عن هذا التقدم الجديد في العلم هو إرنست رذرفورد. ولد في 20 أغسطس 1871 وتوفي في 19 أكتوبر 1937. قدم خلال حياته مساهمات كبيرة في الكيمياء وعالم العلوم بشكل عام.
لذلك ، سنخصص هذه المقالة لنخبرك بكل ما تحتاج لمعرفته حول نموذج رذرفورد الذري.
تجربة أوراق الذهب
ذكر نموذج تومسون القديم أن الإلكترونات كانت موجودة في وسط مشحون إيجابيا. في عام 1909، أجرى إرنست رذرفورد برفقة مساعدين هما جيجر ومارسدن دراسة عُرفت باسم تجربة ورقة الذهب حيث تمكنوا من التحقق من أن كانت وصفة "بودنج الزبيب" الشهيرة التي ابتكرها تومسون خاطئة. وهي أن هذه التجربة الجديدة كانت قادرة على إظهار أن الذرة لها بنية ذات شحنة موجبة قوية. هذه التجربة أو يمكن أن تساعد في إعادة تأسيس بعض الاستنتاجات التي انتهى بها الأمر إلى تقديمها كنموذج رذرفورد الذري في عام 1911.
لم تكن التجربة المعروفة باسم Leaf of Gold فريدة من نوعها ولكن تم إجراؤها بين عامي 1909 و 1913. ولهذا استخدموا معامل الفيزياء بجامعة مانشستر. كانت هذه التجارب ذات أهمية كبيرة حيث يمكن التوصل إلى استنتاجات جديدة من نتائجها التي وصلت إلى نموذج ذري ثوري.
تكونت هذه التجربة مما يلي: يجب قصف ورقة رقيقة من الذهب بسمك 100 نانومتر بكمية كبيرة من جسيمات ألفا. كانت جسيمات ألفا وأيونات. أي الذرات التي لا تحتوي على إلكترونات ، لذلك كان لديها فقط البروتونات والنيوترونات. من خلال وجود النيوترونات والبروتونات ، كانت الشحنة الكلية للذرة موجبة. كانت هذه التجربة تهدف بشكل أساسي إلى تأكيد ما إذا كان نموذج طومسون صحيحًا. إذا كان هذا النموذج صحيحًا ، كان على جسيمات ألفا أن تمر عبر ذرات الذهب في خط مستقيم.
من أجل دراسة الانحراف الذي تسببه جسيمات ألفا ، كان لابد من وضع مرشح كبريتيد الزنك الفلوريسنت حول رقائق الذهب الدقيقة. كانت نتيجة هذه التجربة أنه لوحظ أن بعض الجسيمات كانت قادرة على المرور عبر ذرات الذهب للورقة في خط مستقيم. ومع ذلك ، فإن بعض جسيمات ألفا هذه انحرفت في اتجاهات عشوائية.
استنتاجات تجربة الورقة الذهبية
ونظراً لهذه الحقيقة، لم يكن من الممكن التحقق من صحة ما اعتبرته النماذج الذرية السابقة. أشارت هذه النماذج الذرية إلى أن الشحنة الموجبة كانت موزعة بالتساوي في الذرات، مما يجعل مرورها أسهل حيث أن شحنتها لن تكون قوية عند نقطة معينة.
كانت نتائج تجربة الورقة الذهبية هذه غير متوقعة تمامًا. هذا جعل رذرفورد يعتقد أن الذرة لها مركز به شحنة موجبة قوية والتي تتكون عندما يكون جسيم ألفا محاولة تمريره مرفوض من قبل الهيكل المركزي. من أجل إنشاء مصدر أكثر موثوقية ، تم اعتبار الجسيمات بكميات من تلك التي تم عكسها وتلك التي لم يتم عكسها. بفضل هذا الاختيار للجسيمات ، كان من الممكن تحديد حجم النواة مقارنة بمدار الإلكترونات حولها. يمكن أيضًا استنتاج أن معظم مساحة الذرة فارغة.
وقد تبين أن بعض جسيمات ألفا قد انحرفت بواسطة رقاقة الذهب. وقد انحرفت بعضها فقط بزوايا صغيرة للغاية. وقد ساعد هذا في التوصل إلى استنتاج مفاده أن الشحنة الموجبة في الذرة ليست موزعة بشكل موحد. أي أن الشحنة الموجبة تتواجد داخل الذرة بشكل مركز في حجم صغير جداً من الفراغ.
انجرف عدد قليل جدًا من جسيمات ألفا إلى الخلف. يشير هذا الانحراف إلى أنه يمكن للجسيمات المذكورة أن ترتد. بفضل كل هذه الاعتبارات الجديدة ، يمكن إنشاء نموذج رذرفورد الذري بأفكار جديدة.
نموذج رذرفورد الذري
سنقوم بدراسة ما هي مبادئ نموذج رذرفورد الذري:
- الجسيمات التي لها شحنة موجبة داخل الذرة يتم ترتيبها في حجم صغير جدًا إذا قارناها بالحجم الكلي للذرة المذكورة.
- تتواجد كل كتلة الذرة تقريبًا في هذا الحجم الصغير المذكور. هذه الكتلة الداخلية كانت تسمى بالنواة.
- الإلكترونات ذات الشحنات السالبة تم العثور عليها تدور حول النواة.
- تدور الإلكترونات بسرعات عالية حول النواة وتفعل ذلك في مسارات دائرية. وتسمى هذه المسارات بالمدارات. في وقت لاحق يعرفهم باسم المدارات.
- يتم دائمًا ربط كل من الإلكترونات المشحونة سلبًا والنواة المشحونة إيجابيًا في الذرة معًا بقوة الجذب الكهروستاتيكي.
قبول وحدود نموذج رذرفورد الذري
وكما كان متوقعًا، فتح هذا النموذج الجديد منظورًا جديدًا تمامًا للذرة في العالم العلمي. بفضل هذا النموذج الذري، تمكن العديد من العلماء في وقت لاحق من دراسة وتحديد عدد الإلكترونات التي يمتلكها كل عنصر من عناصر الجدول الدوري. بالإضافة إلى ذلك، تم التوصل إلى اكتشافات جديدة تساعد في تفسير كيفية عمل الذرة بأبسط طريقة ممكنة.
ومع ذلك، فإن هذا النموذج لديه أيضا بعض القيود والعيوب. ورغم أنها مثلت تقدماً كبيراً في عالم الفيزياء، إلا أنها لم تكن نموذجاً مثالياً ولا كاملاً. وهو من وفقًا لقوانين نيوتن وجانب مهم من قوانين ماكسويل ، هذا النموذج لا يستطيع تفسير بعض الأشياء:
- لم يتمكن من تفسير كيف أن الشحنات السالبة قادرة على البقاء معًا في النواة. وفقًا للنظرية الإلكترونية، يجب أن تتنافر الشحنات الموجبة مع بعضها البعض.
- كان التناقض الآخر تجاه القوانين الأساسية للديناميكا الكهربائية. إذا تم الأخذ في الاعتبار أن الإلكترونات التي تحمل شحنة موجبة يجب أن تدور حول النواة، فيجب أن تصدر إشعاعات كهرومغناطيسية. يؤدي إصدار هذا الإشعاع إلى استهلاك طاقة من شأنها أن تتسبب في انهيار الإلكترونات داخل النواة. لذلك، هذا النموذج الذري لا يستطيع تفسير استقرار الذرة.
