النماذج الذرية
كانت إحدى المساهمات العظيمة لميكانيكا الكم هي أفضل تفسير للظواهر في أصغر المقاييس التي عرفها العلم حتى ذلك الحين ، الذرة. كان الفيزيائي الذي تمكن من تقديم تفسير كمي للذرة هو الدنماركي نيلز بور ، ولكن من أجل فهم ما كانت مساهمته في التركيب الذري ، فلنراجع بعض النماذج المصنوعة للذرة التي سبقته.
جون دالتون (1766-1844):
قال جون دالتون:
- كل شيء في الطبيعة يتكون من ذرات
- لا يمكن إنشاء الذرات أو إتلافها. هذا يعني أن عدد ذرات أي عنصر كيميائي يجب أن يظل ثابتًا في الكون منذ نشأته.
- الذرات المتساوية لها نفس الخصائص وذرات مختلفة لها خصائص مختلفة. تتميز ذرات عنصر معين بكتلها. (أثبت المستقبل خلاف ذلك ، تتميز الذرات بالعدد الذري وليس بكتلها).
- يمكن للذرات أن تتحد وتتحد مع بعضها البعض لتشكيل هياكل أكثر استقرارًا ، تسمى الجزيئات ، والتي تشكل البنية الأساسية لجميع المواد.
جيه جيه طومسون (1856-1940):
كان طومسون قادرًا على تحديد العلاقة بين الشحنة والكتلة لأشعة الكاثود ، مُثبتًا تجريبياً أن "الأشعة" عبارة عن جسيمات مشحونة. يعتبر هذا الاكتشاف الرسمي للإلكترون. يأتي اسم الإلكترون من الكلمة اليونانية elektron ، والتي تعني العنبر ، وهو الراتنج النباتي الذي يفركه القدماء بجلود الحيوانات ، والذي بدأ يكتسب القدرة على جذب الأشياء الخفيفة. كان بيان طومسون أول ملاحظة تجريبية لطبيعة المادة الكهربائية. يتكون الجزء الآخر من المادة من كتلة موجبة ، والتي تحيد شحنة الإلكترونات وتجعل الذرات متعادلة كهربائيًا.
في عام 1898 صاغ طومسون نموذجه الذري ، حيث تكون الذرة عبارة عن كتلة موجبة مع إلكترونات سالبة مضمنة فيه. تم تعميد هذا النموذج باسم "بودنغ الزبيب".
وهكذا ، يقدم نموذج طومسون الذري ابتكارين أساسيين فيما يتعلق بذرة دالتون:
- للذرة خاصية كهربائية.
- الذرة غير قابلة للكسر خلافا لما تخيله المفكرون اليونانيون القدماء وجون دالتون نفسه.
رذرفورد (1871-1937):
استفاد رذرفورد من الانبعاثات الصادرة عن ذرات البولونيوم ، جنبًا إلى جنب مع العالمين جيجر ومارسدن ، وأجرى واحدة من أهم التجارب في محاولة لاكتشاف السلوك الصحيح للذرات.
تكونت التجربة من باعث لجسيمات ألفا (α) مثل البولونيوم ، وتم إطلاق حزم الجسيمات هذه على لوح دقيق للغاية من الذهب. عندما اصطدمت هذه الجسيمات بالشفرة ، عانت الجسيمات نوعًا من الانحراف ، وقليل منها ينحرف ولكن القليل جدًا الذي اصطدم بالشفرة عاد في الاتجاه المعاكس. إذا كان نموذج "Plum Pudding" صحيحًا ، فإن ما توقعه رذرفورد وبقية الفريق هو أن جميع الجسيمات (α) يعبر الصفيحة الذهبية ، ويعاني من انحرافات طفيفة فقط ، لأنه وفقًا لنظرية طومسون ، لن يكون للجسيمات السالبة أو الغيوم الموجبة كثافة كتلة كافية أو شحنة كافية لتعكس الجسيمات (α).
مع هذا تخيل رذرفورد أن الذرة سيكون لها منطقة أصغر بكثير من حجم الذرة نفسها ، مع تركيز كل كتلتها تقريبًا في مركزها. ستكون الذرة مساحة فارغة كبيرة ، مع إلكترونات بعيدة عن النواة وكتلة ضئيلة عمليًا. يظهر نموذج رذرفورد الذري في الصورة أدناه.
الذرة الحديثة :( XX - XXI):
نجحت نماذج ذرية أخرى أكثر حداثة ، تتضمن ميكانيكا الموجات وميكانيكا الكم ، وشرحت عددًا من العيوب في نموذج رذرفورد. كان نيلز بور أحد العلماء الذين أظهروا شكلاً مستقرًا وأنيقًا للذرة.
كان لنموذج رذرفورد بعض التناقضات الخطيرة في تفسير حركة الإلكترونات. وفقًا للميكانيكا الكلاسيكية ، يجب أن يصدر الجسيم الكهربائي المتحرك موجات كهرومغناطيسية بشكل مستمر. سيؤدي هذا إلى فقدان الإلكترون للطاقة حتى يصطدم بالنواة ، أي من خلال الميكانيكا الكلاسيكية ، ستكون ذرة رذرفورد غير مستقرة.
تمكن نيلز بور عام 1903 ، المهتم بتفسير انبعاث الضوء بواسطة الذرات المثارة ، من صياغة نموذج ذري جديد. كان معروفًا بالفعل أن مصادر الضوء المرئي تعتمد أساسًا على حركة الإلكترونات. يمكن رفع الإلكترونات في الذرات من أقل حالاتها من حيث الطاقة إلى أعلى حالاتها من خلال طرق مختلفة ، مثل الحرارة أو التيار الكهربائي. عندما تعود الإلكترونات في النهاية إلى أدنى مستوياتها ، فإنها تصدر إشعاعات قد تكون في المنطقة المرئية من الطيف. انظر أدناه النموذج الذي اقترحه بوهر.
خلص بوهر إلى أن الإلكترون لا يصدر إشعاعات طالما بقي في نفس المدار ، بل كان ينبعث منه فقط عندما ينتقل من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل.
سمحت له النظرية الكمومية بصياغة مفهوم أكثر دقة: لن تكون المدارات موجودة على أي مسافات من النواة ، على العكس من ذلك ، سيكون هناك عدد قليل فقط من المدارات الممكنة ، كل منها يتوافق مع مستوى طاقة معين للإلكترون. يجب أن يتم مرور الإلكترون إلى مدار عن طريق القفزات ، ولن ينتقل الإلكترون عبر الفضاء بين هذه الطبقات ، لأنه عند امتصاص الطاقة ، سيقفز الإلكترون إلى مدار خارجي أكثر (وهو مفهوم يسمى قفزة الكم) و ، عند انبعاثه فإنه ينتقل إلى مفهوم داخلي أكثر (مفهوم يعرف باسم الفوتون). يظهر كل من هذه الإرسالات في الطيف كخط مضيء في وضع جيد.
مع كل هذه النظريات المذكورة أعلاه ، مثل إشعاع الجسم الأسود والتأثير الكهروضوئي ونظرية بوهر الذرية الجديدة ، فإن ميكانيكا الكم لها أسس جيدة في المفاهيم والنظريات. بعد هذه الاكتشافات ، اتخذ العلم اتجاهًا جديدًا أدرك فيه العلماء أنه عند التعامل مع أصغر المقاييس مثل الذرة أو أصغر منها ، فإن من يحكم القوانين في هذا الكون المجهري هي قوانين ميكانيكا الكم ، قوانين مختلفة تمامًا عندما يتعلق الأمر إلى الكون المجهري اليومي ، والذي سنرى فيه بمزيد من التفصيل كيف كان استمرار هذه النظرية والفروع التي تنطبق عليها.