تخطَّ إلى المحتوى
EN
اكتشافات

الذرة

تاريخ الذرة وبنيتها: من المذهب الذري اليوناني القديم والنظرية الكيميائية لدالتون (Dalton) إلى اكتشافات الإلكترون والنواة والنموذج الميكانيكي الكمومي.

الذرة أصغر وحدة في المادة العادية تحافظ على هويتها الكيميائية، وتتألف من نواة من البروتونات والنيوترونات تحيط بها الإلكترونات. وقد اقترح الذريون القدماء جسيمات غير قابلة للانقسام تتحرك في الفراغ؛ وأعطى جون دالتون (John Dalton) الفكرة صياغة كمية في أوائل القرن الـ19، وبين عامي 1897 و1932 اكتُشفت الإلكترونات والنواة والبروتون والنيوترون، فانتقل العلم من نموذج بور (Bohr) عام 1913 إلى الذرة الميكانيكية الكمومية القائمة على معادلة شرودنغر (Schrödinger) الموجية عام 1926. وتكتمل الصورة الحديثة بالنظائر والكواركات والنموذج القياسي.

شبكة من أشكال سحابية زرقاء مضيئة حول محاور.
مخططات كثافة لمدارات الهيدروجين الذرية الأولى — سحابات إلكترونية تشكّلها ميكانيكا الكم. · PoorLeno ( talk ) · Public domain
اقترحهليوقيبوس (القرن 5 قبل الميلاد)؛ ونظّمه تلميذه ديمقريطس (Democritus).
أصل الاسممن اليونانية «أتوموس» (atomos)، والمعنى الحرفي «غير القابل للانقسام».
في هذا المقال
  1. 1نظرة عامة
  2. 2المذهب الذري في اليونان القديمة
  3. 3نظرية دالتون الحديثة
  4. 4اكتشاف الإلكترون
  5. 5اكتشاف النواة والبروتون
  6. 6نموذج بور والمعادلة الموجية
  7. 7النيوترون والنظائر
  8. 8النموذج القياسي ومكونات المادة
  9. 9المقاييس الذرية والنووية
  10. 10خط زمني: من المذهب الذري القديم إلى الذرة الكمومية
  11. 11أسئلة شائعة
  12. 12الرسم البياني للمعرفة

نظرة عامة

الذرة هي وحدة البناء الأساسية للكيمياء، وأصغر وحدة يمكن تقسيم المادة إليها دون تحرير جسيمات مشحونة كهربائيًا، كما أنها أصغر وحدة من المادة تحتفظ بالخصائص المميزة للعنصر الكيميائي 1Atom | Definition, Structure, History, Examples, Diagram, & Facts · Encyclopaedia Britannica ↗. وتتألف الذرة من بروتونات ونيوترونات في النواة تحيط بها الإلكترونات 2DOE Explains...the Standard Model of Particle Physics · U.S. Department of Energy, Office of Science ↗. وتُبنى المادة العادية كلها، بما فيها كل ذرة في الجدول الدوري للعناصر، من ثلاثة أنواع فقط من جسيمات المادة: الكواركات العلوية والسفلية، التي تكوّن البروتونات والنيوترونات في النواة، والإلكترونات المحيطة بالنواة 2.

1. المذهب الذري في اليونان القديمة

يُنسب اختراع المذهب الذري في التقليد اليوناني عادةً إلى ليوقيبوس (Leucippus)، وهو مفكر من القرن الخامس قبل الميلاد 3Ancient Atomism · Stanford Encyclopedia of Philosophy ↗. وقد رأى الذريون اليونانيون الأوائل أن المكوّنين الأساسيين المتضادّين في الصفة في العالم الطبيعي هما الأجسام غير القابلة للانقسام المسماة الذرات، والفراغ، ووصفوا هذا الأخير بأنه ببساطة لا شيء أو نفي للوجود 3. وطوّر هؤلاء القدماء فلسفة طبيعية منهجية تفسّر أصول كل شيء انطلاقًا من تفاعل أجسام غير قابلة للانقسام، إذ تصطدم ذرات لها خصائص ذاتية قليلة مثل الحجم والشكل بعضها ببعض، فترتد وتتعاشق في فراغ لا نهائي 3. وذهب ليوقيبوس إلى أن عددًا لا نهائيًا من الذرات يتحرك أبد الدهر عبر فراغ لا نهائي، ويمكنها أن تشكّل أنظمة كونية (kosmoi) بحركة دوّامية تنشأ عشوائيًا داخل عنقود كبير بما فيه الكفاية من الذرات 3.

اعتبر أرسطو (Aristotle) هذه المادية القوية المتسقة منافسًا رئيسيًا للفلسفة الطبيعية الغائية، وبعد انتقاداته أعاد أبيقور (Epicurus) صياغة النظرية فاكتسبت حياة ثانية كمذهب مدرسة كرّست نفسها لطلب الطمأنينة وحياة جماعية من الملذات البسيطة 3. وقد جاءت قصيدة لوكريتيوس (Lucretius) «دي ريروم ناتورا» (De Rerum Natura)، المعروفة في الإنجليزية باسم «في طبيعة الأشياء»، مؤرَّخة بعبارة «كُتبت 50 ق.م» في نسخة أرشيف كلاسيكيات الإنترنت (Internet Classics Archive) بترجمة ويليام إليري ليونارد (William Ellery Leonard) 4On the Nature of Things (De Rerum Natura), Book I · Internet Classics Archive, MIT (trans. William Ellery Leonard) ↗. ويقرر لوكريتيوس أن الطبيعة كلها، القائمة بذاتها، تتكون من شيئين: الأجسام والفراغ الذي وُضعت فيه الأجسام وتتحرك من حوله، ويلاحظ أن الحس العام يشهد بأن الجسم موجود بذاته 4. ويعلّم لوكريتيوس أنه لم يُولد شيء قط من لا شيء، وأن الخوف لا يملك سلطانًا على الفناء إلا لأن البشر، إذ يرون في الأرض والسماء كثيرًا مما يجهلون سببه، يعتقدون أن آلهة تعمل هناك 4. ويؤكد لوكريتيوس أنه لا سكون لأي من الأجسام بين العناصر، إذ لا قاع تستقر فيه، وأن كل شيء يمضي في حركة لا تنتهي إلى الأبد 4.

تمثال نصفي رخامي لفيلسوف يوناني ملتحٍ.
تمثال نصفي لديموقريطوس، الفيلسوف اليوناني الذي اقترح أن المادة تتكوّن من ذرات غير قابلة للتجزئة. · Anthony Keeling · CC0

2. نظرية دالتون الحديثة

وُلد جون دالتون (John Dalton) في إيغلزفيلد (Eaglesfield) بكمبرلاند (Cumberland) في 5 أو 6 سبتمبر 1766، وتوفي في مانشستر (Manchester) في 27 يوليو 1844، وكان عالم أرصاد وكيميائيًا إنجليزيًا ورائدًا في تطوير النظرية الذرية الحديثة 5John Dalton | Biography, Discoveries, Atomic Model, & Facts · Encyclopaedia Britannica ↗. نشأ في أسرة كويكرية متواضعة في كمبرلاند بإنجلترا، وكسب رزقه معظم حياته معلمًا ومحاضرًا عامًا 6John Dalton & The Theory of Atomism · Science History Institute ↗. وبعد استقراره في مانشستر، انضم إلى الجمعية الأدبية والفلسفية في مانشستر، التي وفرت له بيئة فكرية محفزة وتسهيلات مخبرية 6. وكانت أول ورقة يقدمها للجمعية عن عمى الألوان الذي أصابه، ويُسمى حتى اليوم أحيانًا «دالتونية» (Daltonism) 6.

ارتأت النظرية الذرية لدالتون أن كل عنصر يتكون من نوعه الفريد الخاص من الذرات غير القابلة للانقسام، وأن ذرات العنصر الواحد متشابهة كلها لكنها تختلف عن ذرات العناصر الأخرى 7John Dalton: atoms, eyesight and auroras · Science and Industry Museum (Science Museum Group) ↗. وقد اقترح دالتون هذه النظرية في أوائل القرن الـ19، واستخلصها من دراساته الأرصادية، وهي أساس المفهوم الحديث للذرة 6. وينص قانون النسب المتضاعفة عنده على أنه عندما يكوّن عنصران أكثر من مركب واحد، تكون كتل أحد العنصرين المتحدة مع كتلة ثابتة من الآخر في نسبة من أعداد صحيحة صغيرة 5. وجمع دالتون نظرياته الذرية في كتاب «نظام جديد للفلسفة الكيميائية» (1808-1827) 6.

جدول مطبوع قديم لدوائر تحمل رموزاً بجانب أسماء العناصر.
جدول رموز دالتون الذرية من كتابه «نظام جديد للفلسفة الكيميائية» (1808). · John Dalton · Public domain

أنشأ دالتون أول جدول أولي للأوزان الذرية في 1803 8John Dalton | Science Museum Group Collection · Science Museum Group Collection ↗. وفي 1826 أصبح أول من نال الميدالية الملكية من الجمعية الملكية 8. وقد صنع بيتر إيوارت (Peter Ewart) من مانشستر نحو 1810 خمس كرات خشبية استخدمها جون دالتون حتى عقد 1840 في عروضه لنظريته الذرية 7. وتُحفظ نماذج دالتون الذرية الخشبية و«قبعة التفكير» في مجموعة متحف العلوم، إلى جانب معرض مئوية رذرفورد (Rutherford) في مانشستر 7.

3. اكتشاف الإلكترون

في عقد 1830 طُرحت أول مرة فكرة أن الكهرباء تنتقل بواسطة جسيم دقيق مرتبط بالذرة. 9J.J. Thomson – Facts · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗ وفي 1897 بيّن طومسون أن أشعة المهبط تتكون من جسيمات — هي الإلكترونات — تنقل الكهرباء. 9 واستنتج من ذلك أن الإلكترونات جزء من الذرات. 9 وقد جاء هذا الاكتشاف تتويجًا لدراسة أصلية لأشعة المهبط. 10J.J. Thomson – Biographical · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗

أُعلن اكتشاف الإلكترون يوم الجمعة 30 أبريل 1897 خلال محاضرة طومسون المسائية في المؤسسة الملكية. 10 وكان طومسون قد عُيّن في 1884 أستاذًا لكافنديش، في بداية حقبة مثيرة لاستكشاف الآليات الداخلية للجزيئات والذرات. 11Our history · Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge ↗ وفي 1897 اكتشف الإلكترون في مختبر كافنديش بكامبريدج. 11 ومُنح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1906 تقديرًا للمزايا العظيمة لأبحاثه النظرية والتجريبية في توصيل الغازات للكهرباء. 9 واكتشف طريقة لفصل أنواع مختلفة من الذرات والجزيئات باستخدام الأشعة الموجبة، وهي فكرة طوّرها أستون وديمبستر وآخرون باتجاه اكتشاف نظائر كثيرة. 10

صورة شخصية بالأبيض والأسود لرجل بشارب بزي أكاديمي.
جوزيف جون طومسون، مكتشف الإلكترون عام 1897. · Unknown (Wikimedia Commons) · Public domain

4. اكتشاف النواة والبروتون

في عام 1909 كان رذرفورد (Rutherford) وزميله هانز غايغر (Hans Geiger) يبحثان عن مشروع بحثي لطالبهما إرنست مارسدن (Ernest Marsden)، بينما كان رذرفورد يقيس الزوايا الأمامية الصغيرة التي تتبعثر عندها معظم جسيمات ألفا عن هدف ذهبي 12May, 1911: Rutherford and the Discovery of the Atomic Nucleus · American Physical Society (APS News) ↗. وقد اقترح رذرفورد، رافضًا إغفال أي زاوية في التجربة، أن يبحث مارسدن عن جسيمات ألفا التي تتبعثر فعليًا إلى الخلف، ورغم أنه كان يُتوقع ألا يجد مارسدن شيئًا فقد أجرى التجربة بعناية 12. وفي مايو 1911 نشر رذرفورد التفسير القائل إن التبعثر الخلفي لجسيمات ألفا سببه لب صلب كثيف في مركز الذرة، أسماه النواة 12.

اقترح رذرفورد أن تدور الإلكترونات حول اللب المركزي كما تدور الكواكب حول الشمس 12. وقد حسب أن النواة لا يتجاوز حجمها نحو 1/100,000 من حجم الذرة، أي أن معظم الذرة فضاء فارغ 12. وأعلن النتيجة في مارس 1911 في اجتماع للجمعية الأدبية والفلسفية في مانشستر 12. وكان أعظم اكتشاف لرذرفورد هو النواة الذرية، وقد جرى اكتشافها في مانشستر عام 1911، وأفضت إلى نموذج رذرفورد للذرة الذي حفّز، في مطلع القرن الـ20، ثورة الفيزياء الحديثة 13History and heritage · Department of Physics and Astronomy, The University of Manchester ↗.

نموذج مقطعي لغرفة معدنية تجريبية مع حلقة كاشف.
إعادة بناء حديثة لجهاز غايغر–مارسدن الذي كشفت نتائجه عن النواة الذرية. · Kurzon · CC BY 4.0

بين 1914 و1919 أجرى رذرفورد تجارب كثيرة في مانشستر بقذف غاز النيتروجين بجسيمات ألفا، ورجّح أن الإشعاع النافذ المنبعث قد يكون نواة ذرة الهيدروجين 14Rutherford's Legacy – the birth of nuclear physics in Manchester · The University of Manchester ↗. وكانت نواة الهيدروجين المنبعثة في تجارب رذرفورد الأولى للتفاعل النووي في الحقيقة جسيمًا دون ذري يُسمى اليوم البروتون، وكشف بلاكيت (Blackett) لاحقًا آلية التفاعل 14. وفي 1917 أصبح إرنست رذرفورد أول من أحدث تفاعلًا نوويًا اصطناعيًا في مختبرات مانشستر، وهو إنجاز يُوصف شائعًا بأنه شطر الذرة، وإن كان يختلف اختلافًا جوهريًا عن الانشطار النووي الذي اكتُشف لاحقًا خلال عقد 1930 من القرن العشرين 14.

5. نموذج بور والمعادلة الموجية

في عام 1913 اقترح نيلز بور (Niels Bohr) نظريةً لذرة الهيدروجين قائمة على النظرية الكمومية، التي لا تأخذ فيها بعض المقادير الفيزيائية سوى قيم متقطعة 15Niels Bohr – Facts · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗. وفي هذا النموذج تتحرك الإلكترونات حول النواة في مدارات محددة فحسب، ويُصدر الإشعاع عندما يقفز إلكترون إلى مدار أدنى طاقة 15. وقد فسّر النموذج سببَ إصدار الذرات ضوءًا ذا أطوال موجية ثابتة فقط 15. وفي السادس من مارس عام 1913 أرسل بور ورقةً إلى مرشده رذرفورد (Rutherford) يشرح فيها كيف فسّر نموذجه الجديد لبنية الذرة طيف الهيدروجين 16March 6, 1913: Bohr describes his model of atom to Rutherford · American Physical Society (APS News) ↗.

لا يزال نموذج بور (Bohr) يُدرَّس في صفوف الفيزياء التمهيدية لكنه ليس صحيحًا تمامًا؛ فهو يخالف مبدأ عدم اليقين لأنه يعطي الإلكترونات نصف قطر محددًا ودورات مدارية معروفة لا يمكن تحديدهما مباشرةً في الوقت نفسه 16. ويقدم النموذج تنبؤات ضعيفة لأطياف الذرات الأكبر 16. ويُعترف اليوم بذرة بور على أنها سلف للوصف الميكانيكي الكمومي للذرات الذي تطور بعد عمل بور بأكثر من عقد 16. وقد أكسبه عمله الرائد في بنية الذرة جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1922 تقديرًا لخدماته في بحث بنية الذرات والإشعاع المنبعث منها 16.

بافتراض أن المادة مثل الإلكترونات يمكن اعتبارها جسيمات وموجات معًا، صاغ إرفين شرودنغر (Erwin Schrödinger) في 1926 معادلة موجية حسبت بدقة مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات 17Erwin Schrödinger – Facts · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗. وقد نال شرودنغر جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1933 عن اكتشاف صيغ جديدة مثمرة للنظرية الذرية 17.

6. النيوترون والنظائر

في عام 1932 اكتشف جيمس تشادويك (James Chadwick) النيوترون، وهو جسيم متعادل تقارب كتلته كتلة البروتون 18James Chadwick – Facts · Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) ↗. وقد جاء هذا الكشف تتويجًا لمسار طويل من البحث في بنية النواة، كان من أبرز محطاته أن رذرفورد (Rutherford) تعرّف بين 1917 و1919 على نواة الهيدروجين المنبعثة في أول تفاعل نووي اصطناعي، وهي في حقيقتها الجسيم الذي يُعرف اليوم بالبروتون 14.

النظائر أفراد من عائلة عنصر ما تشترك ذراتها كلها في العدد نفسه من البروتونات في النواة، لكنها تحتوي أعدادًا مختلفة من النيوترونات 19DOE Explains...Isotopes · U.S. Department of Energy, Office of Science ↗. ويوجد الكربون طبيعيًا في صورة ثلاثة نظائر: الكربون-12 بستة نيوترونات، والكربون-13 بسبعة نيوترونات، والكربون-14 بثمانية نيوترونات، ولكل عنصر عدد نظائره الخاص 19. وإضافة نيوترون واحد فحسب قد تغيّر خصائص النظير تغيرًا جذريًا 19؛ فالكربون-12 مستقر ولا يخضع أبدًا لتحلل إشعاعي، بينما الكربون-14 غير مستقر ويتحلل بعمر نصف يقارب 5,730 سنة إلى النيتروجين-14 المستقر، ويعمل هذا التحلل عمل الساعة التي تُظهر عمر الجسم في عملية تُسمى التأريخ بالكربون 19.

ومن بين جميع العناصر، يُعدّ الهيدروجين العنصر الوحيد الذي تحمل نظائره أسماء فريدة، هي الديوتيريوم ذو النيوترون الواحد، والتريتيوم ذو النيوترونين 19. ويحدد عدد البروتونات في الذرة عددها الذري في الجدول الدوري للعناصر، ولذلك فإن الكربون بستة بروتونات عدده الذري 6 في الجدول الدوري 20DOE Explains...Protons · U.S. Department of Energy, Office of Science ↗. وكتلة البروتون أقل قليلًا من كتلة النيوترون، ولذلك ليست أعداد الكتلة الذرية أعدادًا صحيحة، ولذلك أيضًا تبلغ كتلة الكربون، بستة بروتونات وستة نيوترونات، 12.011 وحدة كتلة ذرية 20.

7. النموذج القياسي ومكونات المادة

البروتونات والنيوترونات هادرونات، أي جسيمات مركبة من كواركات يربط بعضها ببعض قوة التفاعل القوي؛ فالبروتون يحتوي على كواركين علويين وكوارك سفلي واحد، بينما يحتوي النيوترون على كوارك علوي واحد وكواركين سفليين. 20 2

يفسّر النموذج القياسي كيف تشكّل الكواركات، التي تتكوّن منها البروتونات والنيوترونات، واللبتونات، التي تشمل الإلكترونات، كل المادة المعروفة، وكيف تؤثر فيها الجسيمات الحاملة للقوى المنتمية إلى مجموعة البوزونات. 2 وهو يفسّر ثلاثًا من القوى الأساسية الأربع التي تحكم الكون: الكهرومغناطيسية يحملها الفوتون، والقوة القوية الغلوونات، والقوة الضعيفة بوزونات W وZ. 2 ورغم أن النموذج القياسي هو أفضل وصف متاح اليوم للعالم دون الذري، فإنه لا يفسّر الصورة الكاملة، إذ يتضمن ثلاثًا فقط من القوى الأساسية الأربع ويغفل الجاذبية. 21The Standard Model · CERN ↗

في 4 يوليو 2012 أعلنت تجربتا أطلس وسي إم إس في مصادم الهادرونات الكبير التابع لسيرن أنهما رصدتا، كلٌّ على حدة، جسيمًا جديدًا في نطاق كتلي حول 126 جيجا إلكترون فولت، متوافقًا مع بوزون هيغز. 21 وفي 8 أكتوبر 2013 مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء مناصفةً لفرانسوا إنغلير وبيتر هيغز عن الاكتشاف النظري لآلية تسهم في فهم أصل كتلة الجسيمات دون الذرية، وقد أكّده اكتشاف الجسيم الأولي المتنبأ به في مصادم الهادرونات الكبير التابع لسيرن. 21

8. المقاييس الذرية والنووية

تتخذ الذرة مقياسًا بالغ الاتساع في عالم الصغائر، إذ يبلغ نصف قطرها من 1 إلى 2 أنغستروم، والأنغستروم الواحد يساوي 10^-10 متر 1. ويُترجم هذا المقياس إلى صورة محسوسة حين نعلم أن نحو 50 مليون ذرة متتالية تقيس 1 سم 1. وهي أبعاد تجعل الذرات جميعًا متقاربة في الحجم تقريبًا على الرغم من تباين عناصرها 1.

أما المقاسات النووية فتُقاس بالفيمتومتر الذي يساوي 10^-15 متر 1. ويعتمد قطر النواة على عدد الجسيمات التي تحتويها، فيتراوح بين نحو 4 فيمتومترات لنواة خفيفة مثل الكربون و15 فيمتومترًا لنواة ثقيلة مثل الرصاص 1. وهناك تتركز كتلة الذرة كلها تقريبًا 1.

ويُشتق الوزن الذري القياسي لعنصر ما بحساب متوسط الكتل الذرية النسبية لنظائره 22Atomic Weights and Isotopic Compositions - Column Descriptions · National Institute of Standards and Technology (NIST) ↗. وتُعاير هذه القيم وفق مرجع تكون فيه ذرة الكربون-12 المتعادلة ذات كتلة ذرية نسبية مقدارها 12 على هذا المقياس 22. ولبعض العناصر يُعطى الوزن الذري القياسي على هيئة مجال للوزن الذري [ a, b ]، يدل على مجموعة قيم الوزن الذري في المواد الطبيعية، حيث a وb حدّاه الأدنى والأعلى 22.

9. خط زمني: من المذهب الذري القديم إلى الذرة الكمومية

  • القرن 5 ق.م
    المذهب الذري اليوناني القديم
    يُنسب عادةً إلى ليوقيبوس (Leucippus)، وهو مفكر من القرن الخامس قبل الميلاد، اختراع المذهب الذري في التقليد اليوناني؛ وقد تبنّى تلميذه ديمقريطس (Democritus) النظرية القائلة إن الأجسام غير القابلة للانقسام المسماة الذرات والفراغ هي المكونات الأساسية للعالم الطبيعي، فنظّمها وأحكم صياغتها.
  • نحو 50 ق.م
    لوكريتيوس (Lucretius) يكتب «دي ريروم ناتورا»
    تعرض قصيدة لوكريتيوس (Lucretius) «في طبيعة الأشياء» المذهب الذري في شعر لاتيني، وتعلّم أن الطبيعة كلها تتكون من الأجسام والفراغ، وأنه لا شيء يُولد أبدًا من لا شيء.
  • 5 أو 6 سبتمبر 1766
    ميلاد جون دالتون (John Dalton)
    وُلد جون دالتون (John Dalton) في إيغلزفيلد بكمبرلاند، وتوفي في مانشستر في 27 يوليو 1844؛ وكان عالم أرصاد وكيميائيًا إنجليزيًا ورائدًا في تطوير النظرية الذرية الحديثة.
  • 1801
    قانون الضغوط الجزئية
    صاغ دالتون (Dalton) قانون الضغوط الجزئية، الذي ينص على أن ضغط الغاز المخلوط يساوي مجموع الضغوط التي يبذلها كل مكوّن من مكوناته لو شغل الحيز نفسه.
  • 1803
    أول جدول للأوزان الذرية
    في ختام ورقة بحثية كتبها عام 1803 عن امتصاص السوائل للغازات، عرض دالتون (Dalton) أول جدول أولي للأوزان الذرية.
  • 1808–1827
    نظام جديد للفلسفة الكيميائية
    جمع دالتون (Dalton) نظرياته الذرية في كتاب «نظام جديد للفلسفة الكيميائية»، الذي يرى أن كل عنصر يتكون من نوعه الفريد الخاص من الذرات غير القابلة للانقسام.
  • 30 أبريل 1897
    اكتشاف الإلكترون
    أعلن طومسون (J.J. Thomson) اكتشاف الإلكترون خلال محاضرته المسائية في المؤسسة الملكية (Royal Institution)، تتويجًا لدراسة أصلية لأشعة المهبط.
  • 1906
    جائزة نوبل لطومسون (Thomson)
    نال طومسون (J.J. Thomson) جائزة نوبل في الفيزياء تقديرًا لأبحاثه النظرية والتجريبية في توصيل الغازات للكهرباء.
  • 1908
    جائزة نوبل لرذرفورد (Rutherford)
    نال إرنست رذرفورد (Ernest Rutherford) جائزة نوبل في الكيمياء عن أبحاثه في تفكك العناصر وكيمياء المواد المشعة.
  • مايو 1911
    الذرة النووية
    نشر رذرفورد (Rutherford) تفسيره بأن جسيمات ألفا المرتدّة إلى الخلف عن رقاقة ذهب تنحرف بفعل لب صلب كثيف في مركز الذرة — هو النواة — وقدّر أن حجمه لا يزيد على نحو 1/100,000 من حجم الذرة.
  • 1913
    نموذج بور (Bohr) للذرة
    اقترح نيلز بور (Niels Bohr) نظرية لذرة الهيدروجين تتحرك فيها الإلكترونات في مدارات محددة فحسب، وتُصدر إشعاعًا عند انتقالها إلى مدار أدنى طاقة، مما يفسر لماذا تصدر الذرات ضوءًا ذا أطوال موجية ثابتة.
  • 1917–1919
    أول تفاعل نووي اصطناعي
    بقذف النيتروجين بجسيمات ألفا في مانشستر، أصبح رذرفورد (Rutherford) وفريقه أول من أحدث تفاعلًا نوويًا اصطناعيًا؛ وكانت نواة الهيدروجين المنبعثة هي البروتون في حقيقة الأمر.
  • 1926
    معادلة شرودنغر (Schrödinger) الموجية
    بافتراض أن المادة مثل الإلكترونات يمكن اعتبارها جسيمات وموجات معًا، صاغ إرفين شرودنغر (Erwin Schrödinger) معادلة موجية حسبت بدقة مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات.
  • 1932
    اكتشاف النيوترون
    أثبت جيمس تشادويك (James Chadwick) أن الإشعاع النافذ المنبعث عند توجيه جسيمات ألفا نحو البريليوم يتألف من جسيم متعادل كتلته تقارب كتلة البروتون — هو النيوترون.
  • 4 يوليو 2012
    رصد بوزون هيغز (Higgs)
    أعلنت تجربتا أطلس (ATLAS) وسي إم إس (CMS) في مصادم الهادرونات الكبير (Large Hadron Collider) التابع لسيرن (CERN) أنهما رصدتا جسيمًا جديدًا في نطاق كتلي حول 126 جيجا إلكترون فولت، متوافقًا مع بوزون هيغز (Higgs boson).
  • سبتمبر 2017
    ترقية 12 جيجا إلكترون فولت في مختبر جيفرسون (Jefferson Lab)
    اكتملت رسميًا ترقية 12 جيجا إلكترون فولت لمعجل سيبياف (CEBAF) في مختبر جيفرسون (Jefferson Lab)، فضاعفت طاقة تشغيله الأصلية ثلاث مرات لتصوير النوى في أعمق مستوياتها.

10. أسئلة شائعة

من أين جاءت كلمة «ذرة»، ومن أول من قال بها؟

يعود أصل الكلمة إلى الصفة اليونانية القديمة «أتوموس» (atomos)، ومعناها الحرفي «غير القابل للانقسام» 3. ويُنسب اختراع المذهب الذري في التقليد اليوناني عادةً إلى ليوقيبوس، وهو مفكر من القرن الخامس قبل الميلاد 3، الذي نظّم تلميذه ديمقريطس أفكاره 3.

من صاحب أول نظرية ذرية حديثة، وكيف نشأت؟

هو جون دالتون، الذي اقترح نظريته في أوائل القرن الـ19 واستخلصها من دراساته الأرصادية، وهي أساس المفهوم الحديث للذرة 6. وقد أنشأ أول جدول أولي للأوزان الذرية في 1803 8، وجمع نظرياته في كتاب «نظام جديد للفلسفة الكيميائية» (1808-1827) 6.

كيف اكتُشفت مكونات الذرة الثلاثة: الإلكترون والنواة والنيوترون؟

بيّن طومسون في 1897 أن أشعة المهبط تتكون من جسيمات هي الإلكترونات، واستنتج أنها جزء من الذرات 9، وأُعلن الاكتشاف في 30 أبريل 1897 خلال محاضرة له في المؤسسة الملكية 10. وفي مايو 1911 نشر رذرفورد تفسيرًا لتبعثر جسيمات ألفا إلى الخلف سببه لب صلب كثيف في مركز الذرة أسماه النواة 12. ثم اكتشف جيمس تشادويك النيوترون في 1932، وهو جسيم متعادل كتلته تقارب كتلة البروتون 18.

ما مكونات الذرة، وما الذي يكوّن البروتون والنيوترون من الداخل؟

تتكون الذرة من بروتونات ونيوترونات في النواة تحيط بها الإلكترونات 2. والبروتون والنيوترون هادرونات، أي جسيمات مركبة من كواركات يربط بعضها ببعض قوة التفاعل القوي 20؛ فالبروتون يحتوي على كواركين علويين وكوارك سفلي واحد، بينما يحتوي النيوترون على كوارك علوي واحد وكواركين سفليين 20.

ما حجم الذرة، وما نسبة النواة منها؟

كل الذرات بالحجم نفسه تقريبًا: نحو 50 مليون ذرة من مادة صلبة مصطفة في صف واحد تقيس 1 سم، ويبلغ نصف قطر الذرة من 1 إلى 2 أنغستروم، والأنغستروم الواحد يساوي 10^-10 متر 1. أما النواة فلا تشغل سوى 1/100,000 من حجم الذرة، وتُقاس المقاسات النووية بالفيمتومتر الذي يساوي 10^-15 متر 1، ويتراوح قطرها بين نحو 4 فيمتومترات لنواة خفيفة مثل الكربون و15 فيمتومترًا لنواة ثقيلة مثل الرصاص 1.

ما النظائر، وهل تختلف خصائصها؟

النظائر أفراد من عائلة عنصر ما تشترك ذراتها كلها في العدد نفسه من البروتونات في النواة، لكنها تحتوي أعدادًا مختلفة من النيوترونات 19. ولها خصائص كيميائية متطابقة تقريبًا، غير أنها تختلف في الكتلة ومن ثم في الخصائص الفيزيائية 23What are Isotopes? · International Atomic Energy Agency (IAEA) ↗، وإضافة نيوترون واحد فحسب قد تغيّر خصائص النظير تغيرًا جذريًا 19.

المراجع (25)

25 مصادر · كتاب 2 · موقع 23

  1. 1Atom | Definition, Structure, History, Examples, Diagram, & Facts — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
  2. 2DOE Explains...the Standard Model of Particle Physics — U.S. Department of Energy, Office of Science موقع↩عرض المصدر
  3. 3Ancient Atomism — Stanford Encyclopedia of Philosophy موقع↩عرض المصدر
  4. 4On the Nature of Things (De Rerum Natura), Book I — Internet Classics Archive, MIT (trans. William Ellery Leonard) كتاب↩عرض المصدر
  5. 5John Dalton | Biography, Discoveries, Atomic Model, & Facts — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
  6. 6John Dalton & The Theory of Atomism — Science History Institute موقع↩عرض المصدر
  7. 7John Dalton: atoms, eyesight and auroras — Science and Industry Museum (Science Museum Group) موقع↩عرض المصدر
  8. 8John Dalton | Science Museum Group Collection — Science Museum Group Collection موقع↩عرض المصدر
  9. 9J.J. Thomson – Facts — Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) 1906 موقع↩عرض المصدر
  10. 10J.J. Thomson – Biographical — Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) 1906 موقع↩عرض المصدر
  11. 11Our history — Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge كتاب↩عرض المصدر
  12. 12May, 1911: Rutherford and the Discovery of the Atomic Nucleus — American Physical Society (APS News) 1911 موقع↩عرض المصدر
  13. 13History and heritage — Department of Physics and Astronomy, The University of Manchester موقع↩عرض المصدر
  14. 14Rutherford's Legacy – the birth of nuclear physics in Manchester — The University of Manchester موقع↩عرض المصدر
  15. 15Niels Bohr – Facts — Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) 1922 موقع↩عرض المصدر
  16. 16March 6, 1913: Bohr describes his model of atom to Rutherford — American Physical Society (APS News) 1913 موقع↩عرض المصدر
  17. 17Erwin Schrödinger – Facts — Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) 1933 موقع↩عرض المصدر
  18. 18James Chadwick – Facts — Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) 1935 موقع↩عرض المصدر
  19. 19DOE Explains...Isotopes — U.S. Department of Energy, Office of Science موقع↩عرض المصدر
  20. 20DOE Explains...Protons — U.S. Department of Energy, Office of Science موقع↩عرض المصدر
  21. 21The Standard Model — CERN موقع↩عرض المصدر
  22. 22Atomic Weights and Isotopic Compositions - Column Descriptions — National Institute of Standards and Technology (NIST) موقع↩عرض المصدر
  23. 23What are Isotopes? — International Atomic Energy Agency (IAEA) موقع↩عرض المصدر
  24. 24Ernest Rutherford – Facts — Nobel Prize Outreach (NobelPrize.org) 1908 موقععرض المصدر
  25. 25Science — Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) موقععرض المصدر