نموذج رذرفورد الذري

لقد شاهدنا جميعًا التفاح في الحلوى. كان يُعتقد سابقًا أن الإلكترونات في الذرة موزعة على الشحنة الموجبة مثل التفاح في الحلوى. بعبارة أخرى، كان يُعتقد أن الشحنة الموجبة موجودة في جميع أنحاء الذرة والإلكترونات السالبة موزعة بشكل غير متساوٍ عليها كما في توزيع التفاح في الحلوى. هذا المفهوم للنموذج الذري معروف باسم نموذج التفاح في الحلوى للذرات. تم تقديم هذا المفهوم من قبل جي. جي. تومسون الذي كان أيضًا مكتشف الإلكترونات. وفقًا لـ نموذج التفاح في الحلوى، فإن الشحنات الموجبة والسالبة للذرة موزعة في جميع أنحاء جسم الذرة ولا يجب أن يكون هناك أي كتلة مركزية في الذرة.
في عام 1899، اكتشف إرنست رذرفورد من جامعة مانشستر الجسيمات ألفا التي هي أيونات الهيليوم المشحونة موجبيًا المنبعثة من المواد المشعة مثل اليورانيوم. تشكل هذه الجسيمات ألفا بقعًا ساطعة عندما تصطدم بشاشة مغطاة بالكبريتيد الزنك. بما أنه لا يوجد كتلة مركزية في الذرة، فقد تم التنبؤ بأنه إذا تم قصف رقيقة معدنية رقيقة بالإلكترونات ألفا المشحونة موجبيًا، فإن جميع هذه الجسيمات ألفا ستمر عبر الرقيقة دون انحراف كبير في مسارها.

الحقل الكهربائي الصغير الذي يتشكل في الذرات لا يمكن أن يؤثر كثيرًا على حركة الجسيم. لذلك تم التنبؤ بأن الانحراف قد يكون أقل من درجة واحدة في مسار حركة الجسيمات ألفا. ألهم هذا التنبؤ إرنست رذرفورد لإجراء التجارب لتأكيد نموذج التفاح في الحلوى للذرات. أمر زميله العالم إرنست مارسدن وهانز غايجر بتقذيفة الجسيمات ألفا على رقيقة معدنية رقيقة لتأكيد هذا التنبؤ. وفقًا للتوجيهات، أجرى إرنست مارسدن وهانز غايجر تجربة وأحدثا تاريخًا. وضعوا رقيقة ذهب رقيقة أمام مدفع الأشعة ألفا. كما وضعوا شاشة الكبريتيد الزنك حول رقيقة الذهب لمشاهدة البقع الساطعة عليها عند اصطدام الجسيمات ألفا بها. أجريت التجربة في غرفة مظلمة. لاحظوا خلال التجربة أن الجسيمات ألفا تمر عبر الرقيقة وتضرب الشاشة خلف الرقيقة كما كان متوقعًا.

ولكن بعد عد البقع الساطعة على الشاشة، وجدوا نتيجة غير متوقعة. لم تمر كل الجسيمات ألفا عبر الرقيقة بطريقة مستقيمة كما كان متوقعًا. نسبة صغيرة من الجسيمات ألفا المتقطعة غيرت مسار سيرها أثناء عبور رقيقة الذهب. ليس فقط انحرفت الجسيمات عن مسارها، بل إن بعضها القليل ارتد مباشرة نحو المصدر أو مدفع الأشعة ألفا. بعد دراسة دقيقة للملاحظات، قدم إرنست مارسدن وهانز غايجر تقريرًا لإرنست رذرفورد. وبعد النظر والدراسة لتقريرهما، تنبأ رذرفورد بنموذج مختلف للذرة، وهو ما يعرف بـ نموذج رذرفورد للذرة.

تنبأ بأن الجسيمات ألفا التي ارتدت مباشرة يجب أن تكون قد اصطدمت بكتلة أثقل بكثير وأن تكون تلك الكتلة مشحونة موجبيًا. وقد وُجد أيضًا أن بعض الجسيمات ألفا المنحرف لم ترتد ولكن لها زاوية انحراف كبيرة. من خلال ملاحظة زوايا الانحراف المختلفة وعدد الجسيمات المنحرفة بهذه الزوايا، تنبأ بأن الجسيمات ألفا الموجبة تتأثر أيضًا بشحنة موجبة مركزية ضخمة نسبيًا. قال إن تركيز الكتلة والشحنة الموجبة في نفس المكان داخل الذرة وهو في مركز الذرة وأطلق عليه اسم النواة. وقال أيضًا أن باستثناء النواة المركزية، فإن المساحة بأكملها داخل الذرة فارغة.

بعد تجربة رقيقة الذهب، قدم رذرفورد نموذجًا أكثر واقعية للذرة. يُعرف هذا النموذج أيضًا بـ نموذج الذرة النووي أو نموذج الذرة الكوكبي. تم تقديم هذا النموذج في عام 1911. وفقًا لـ نموذج رذرفورد الذري، فإن معظم كتلة الذرة مركزة في هذه النواة. هذه النواة مشحونة موجبيًا ومحيطة بها جسيمات صغيرة خفيفة سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات. تدور هذه الإلكترونات حول النواة بنفس الطريقة التي تدور بها الكواكب حول الشمس في النظام الكوكبي. لهذا السبب يُشار إلى هذا النموذج أيضًا باسم نموذج الذرة الكوكبي.

نصف قطر النواة حوالي 10-13 سم. نصف قطر المسار الدائري الذي تسلكه الإلكترونات حول النواة حوالي 10-12 سم وهو أكبر من قطر الإلكترون. نصف قطر الذرة حوالي 10-8 سم. وبالتالي، مثل النظام الكوكبي، الذرة أيضًا ذات طبيعة مفتوحة للغاية، مما يجعلها قابلة للاختراق بواسطة جسيمات عالية السرعة من أنواع مختلفة. يظهر نموذج الذرة الكوكبي لرذرفورد في الشكل أدناه-

يوجد قوة جذب بين النواة المشحونة موجبيًا والإلكترونات المشحونة سالبة التي تدور حول النواة. هذه القوة الكهروستاتيكية بين النواة المشحونة موجبيًا والإلكترونات المشحونة سالبة مشابهة للقوة الجاذبة بين الشمس والكواكب التي تدور حول الشمس. معظم جزء الذرة الكوكبية هو مساحة فارغة، والتي لا تقدم أي مقاومة لمرور الجسيمات الموجبة الصغيرة مثل الجسيمات ألفا.
النواة للذرة صغيرة وكثيفة وموجبة الشحنة مما يؤدي إلى تشتت الجسيمات الموجبة. هذا الظاهرة لتشتت الجسيمات ألفا الموجبة من قبل النواة الموجبة تفسر تشتت الجسيمات ألفا الموجبة بواسطة رقيقة الذهب كما لاحظها إرنست رذرفورد. نجح نموذج رذرفورد الذري في استبدال نموذج الذرة نموذج التفاح في الحلوى لثومسون الذي قدمه الفيزيائي الإنجليزي سير جي. جي. ثومسون.

وفقًا لنموذج رذرفورد الذري، فإن الإلكترونات ليست مرتبطة بكتلة الذرة. الإلكترونات إما ثابتة في الفضاء أو تدور في مسارات دائرية حول النواة. ولكن إذا كانت الإلكترونات ثابتة، فيجب أن تسقط في النواة بسبب قوة الجذب بين الإلكترون والنواة. من ناحية أخرى، إذا كانت الإلكترونات تتحرك في مسار دائري، فإنها وفقًا لـ نظرية الكهرومغناطيسية، فإن الشحنة المسرعة للإلكترون ستكون قد فقدت طاقتها باستمرار وسقطت في النواة كما هو موضح في الشكل أدناه. فشل نموذج رذرفورد الذري في تفسير لماذا لا تسقط الإلكترونات في النواة المشحونة موجبيًا.

وبالتالي، يمكن وصف العيوب في نموذج رذرفورد الذري كما يلي-

1. لا يشرح نموذج رذرفورد الذري توزيع الإلكترونات في مداراتها.

2. لا يشرح نموذج رذرفورد الذري استقرار الذرة ككل.

تم التغلب على العيوب المذكورة أعلاه في نموذج رذرفورد الذري بواسطة نموذج بور الذري (1913).

بيان: احترام المصدر الأصلي، المقالات الجيدة مستحقة للتبادل، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى الاتصال لحذف.