نموذج رذرفورد

نموذج رذرفورد هو اسم يُطلق على مفهوم احتواء الذرة على نواة مُدمجة. ظهر هذا المفهوم بعد أن أشرف إرنست رذرفورد على تجربة جايجر-مارسدن عام 1909، والتي أظهرت ارتدادًا أكبر بكثير لجسيمات ألفا مما استطاع نموذج طومسون للذرة تفسيره. كان نموذج طومسون يفترض توزيع الشحنة الموجبة في الذرة. بينما اقترح تحليل رذرفورد وجود شحنة مركزية عالية مُركّزة في حجم صغير جدًا مقارنةً ببقية الذرة، ويحتوي هذا الحجم المركزي على معظم كتلة الذرة . عُرفت المنطقة المركزية لاحقًا باسم نواة الذرة . لم يناقش رذرفورد تنظيم الإلكترونات في الذرة، ولم يقترح بنفسه نموذجًا لها. انضم نيلز بور إلى مختبر رذرفورد، وطوّر نظرية لحركة الإلكترون عُرفت باسم نموذج بور .

على مدار القرن التاسع عشر، نُوقشت ونُشرت أفكار نظرية حول الذرات. وكان نموذج جيه ​​جيه طومسون أول هذه النماذج التي استندت إلى جسيمات دون ذرية رُصدت تجريبيًا. في الورقة البحثية نفسها التي أعلن فيها طومسون نتائجه حول الطبيعة "الجسيمية" لأشعة الكاثود ، وهو الحدث الذي يُعتبر اكتشافًا للإلكترون ، بدأ بالتكهن بنماذج ذرية مُكوّنة من إلكترونات. طوّر طومسون نموذجه، الذي يُعرف الآن بنموذج حلوى البرقوق ، بشكل أساسي في الفترة ما بين عامي 1904 و1906. قدّم نموذجًا ميكانيكيًا مُفصّلًا للإلكترونات وهي تتحرك في حلقات متحدة المركز، لكن الشحنة الموجبة اللازمة لموازنة الإلكترونات السالبة كانت عبارة عن كرة بسيطة ذات شحنة منتظمة وتركيب غير معروف. ^{[ 1 ] : 13.} بين عامي 1904 و1910، طوّر طومسون صيغًا لانحراف جسيمات بيتا السريعة من نموذجه الذري للمقارنة مع التجربة. أظهر عمل مماثل أجراه رذرفورد باستخدام جسيمات ألفا في النهاية أن نموذج طومسون لا يمكن أن يكون صحيحًا. ^{[ 2 ] : 269}

كانت من بين النماذج المبكرة أيضًا نماذج "كوكبية" أو شبيهة بالنظام الشمسي. ^{[ 1 ] : 35} في ورقة بحثية نُشرت عام 1901، ^{[ 3 ]} استخدم جان بابتيست بيرين اكتشاف طومسون في اقتراح نموذج شبيه بالنظام الشمسي للذرات، حيث تتكون الذرات من "شموس موجبة" ذات شحنة قوية جدًا محاطة بـ"جسيمات، وهي نوع من الكواكب الصغيرة سالبة الشحنة"، حيث تشير كلمة "جسيمات" إلى ما نسميه الآن الإلكترونات. ناقش بيرين كيف يمكن أن ترتبط هذه الفرضية بظواهر مهمة لم تكن مُفسَّرة آنذاك، مثل التأثير الكهروضوئي ، وأطياف الانبعاث ، والنشاط الإشعاعي . ^{[ 4 ] : ​​145} لاحقًا، نسب بيرين الفضل إلى رذرفورد في اكتشاف النموذج النووي. ^{[ 5 ]}

اقترح هانتارو ناغاوكا عام 1904 نموذجًا مشابهًا إلى حد ما، مستخدمًا حلقات زحل كنموذج مماثل. ^{[ 1 ] : 37} تتكون الحلقات من عدد كبير من الجسيمات التي تتنافر فيما بينها، ولكنها تنجذب إلى شحنة مركزية كبيرة. وقد حُسبت هذه الشحنة لتكون 10000 ضعف شحنة جسيمات الحلقة لتحقيق الاستقرار. أظهر جورج أ. شوت عام 1904 أن نموذج ناغاوكا لا يتوافق مع نتائج التحليل الطيفي الذري، فسقط النموذج من دائرة الاهتمام. ^{[ 1 ] : 37}

نشأ نموذج رذرفورد النووي للذرة من سلسلة تجارب أجراها على جسيمات ألفا ، وهي نوع من الإشعاع اكتشفه رذرفورد عام 1899. أظهرت هذه التجارب أن جسيمات ألفا "تتشتت" أو ترتد عن الذرات بطرقٍ تختلف عما تنبأ به نموذج طومسون. في عامي 1908 و1910، أثبت هانز جايجر وإرنست مارسدن في مختبر رذرفورد أن جسيمات ألفا يمكن أن تنعكس أحيانًا عن رقائق الذهب. إذا كان طومسون محقًا، فإن الشعاع سيخترق رقاقة الذهب مباشرةً. اخترق معظم جسيمات الشعاع الرقاقة، لكن انحرف عدد قليل منها. ^{[ 6 ]}

في ورقة بحثية نُشرت في مايو 1911، ^{[ 7 ]} قدّم رذرفورد نموذجه الفيزيائي الخاص لبنية الجسيمات دون الذرية، كتفسير للنتائج التجريبية غير المتوقعة. ^{[ 2 ]} في هذا النموذج، تتكون الذرة من شحنة مركزية (وهي النواة الذرية الحديثة ، مع أن رذرفورد لم يستخدم مصطلح "النواة" في ورقته). وقد اقتصر رذرفورد في بحثه على منطقة مركزية صغيرة ذات شحنة موجبة أو سالبة عالية جدًا في الذرة.

وللتوضيح، لنفترض مرور جسيم ألفا عالي السرعة عبر ذرة ذات شحنة مركزية موجبة N e ، ومحاطة بشحنة معوضة من N إلكترون. ^{[ 7 ]} 

باستخدام حسابات الطاقة فقط، وتحديدًا مدى قدرة الجسيمات ذات السرعة المعروفة على اختراق شحنة مركزية مقدارها 100  إلكترون، تمكن رذرفورد من حساب أن نصف قطر الشحنة المركزية في ذرة الذهب يجب أن يكون أقل (لم يكن بالإمكان تحديد مقدار هذا النقص) من 3.4 × 10⁻¹⁴ ^متر . وقد تم ذلك في ذرة ذهب معروفة بنصف قطر يبلغ حوالي 10⁻¹⁰ ^متر ، وهو اكتشاف مثير للدهشة، إذ يشير إلى وجود شحنة مركزية قوية تقل عن 1/3000 من قطر الذرة.

ركز نموذج رذرفورد جزءًا كبيرًا من شحنة الذرة وكتلتها في نواة صغيرة جدًا، لكنه لم يُحدد أي بنية للإلكترونات المتبقية أو الكتلة الذرية المتبقية. وقد أشار إلى النموذج الذري لهانتارو ناغاوكا ، حيث تترتب الإلكترونات في حلقة واحدة أو أكثر، ببنية مجازية تُشبه حلقات زحل المستقرة. كما احتوى نموذج بودنغ البرقوق لجيه جيه طومسون على حلقات من الإلكترونات تدور حول بعضها.

اقترحت ورقة رذرفورد أن الشحنة المركزية للذرة قد تكون "متناسبة" مع كتلتها الذرية بوحدات كتلة الهيدروجين (حوالي دالتون واحد ) (نصفها تقريبًا، وفقًا لنموذج رذرفورد). بالنسبة للذهب، يبلغ هذا العدد الكتلي 197 (لم يكن معروفًا بدقة كبيرة آنذاك)، ولذلك افترض رذرفورد أنه قد يكون 196  وحدة كتل ذرية. مع ذلك، لم يحاول رذرفورد الربط المباشر بين الشحنة المركزية والعدد الذري ، لأن "العدد الذري" للذهب (الذي كان آنذاك مجرد رقم موقعه في الجدول الدوري ) كان 79، وقد افترض رذرفورد أن الشحنة تبلغ حوالي +100 وحدة (اقترح في الواقع 98 وحدة من الشحنة الموجبة، أي نصف 196). وبالتالي، لم يقترح رذرفورد رسميًا أن الرقمين (رقم الموقع في الجدول الدوري، 79، والشحنة النووية، 98 أو 100) قد يكونان متطابقين تمامًا.

في عام 1913، اقترح أنطونيوس فان دن بروك أن الشحنة النووية والوزن الذري غير مرتبطين، مما مهد الطريق لفكرة أن العدد الذري والشحنة النووية متطابقان. وسرعان ما تبنى فريق رذرفورد هذه الفكرة، وأكدها تجريبياً هنري موزلي في غضون عامين . ^{[ 1 ] : 52}

هذه هي المؤشرات الرئيسية:

• لا تؤثر سحابة الإلكترونات في الذرة (بشكل كبير) على تشتت جسيمات ألفا .
• تتركز معظم الشحنة الموجبة للذرة في حيز صغير نسبيًا في مركزها، يُعرف اليوم بالنواة . تتناسب كمية هذه الشحنة طرديًا مع الكتلة الذرية للذرة (حتى قيمة شحنة قد تصل إلى نصفها تقريبًا) ، أما الكتلة المتبقية فتُعزى في معظمها إلى النيوترونات . هذه الكتلة والشحنة المركزية المركزة هي المسؤولة عن انحراف جسيمات ألفا وبيتا .
• تتركز كتلة الذرات الثقيلة مثل الذهب في الغالب في منطقة الشحنة المركزية، حيث تُظهر الحسابات أنها لا تنحرف أو تتحرك بواسطة جسيمات ألفا عالية السرعة، والتي تتمتع بزخم عالٍ جدًا مقارنة بالإلكترونات، ولكن ليس فيما يتعلق بالذرة الثقيلة ككل.
• يبلغ قطر الذرة نفسها حوالي 100,000 (10⁵ ⁾ ضعف قطر النواة. ^{[ 8 ]} ويمكن تشبيه ذلك بوضع حبة رمل في منتصف ملعب كرة قدم . ^{[ 9 ]}

لم يُثر نموذج رذرفورد الذري الجديد أي رد فعل في البداية. ^{[ 10 ] : 28} تجاهل رذرفورد الإلكترونات صراحةً، ولم يذكر سوى نموذج هانتارو ناغاوكا الزحلي . بتجاهله للإلكترونات، تجاهل رذرفورد أيضًا أي آثار محتملة لتحليل الطيف الذري في الكيمياء. ^{[ 11 ] : 302} لم يُدافع رذرفورد نفسه عن نموذجه الذري في السنوات اللاحقة: فكتابه الصادر عام 1913 بعنوان "المواد المشعة وإشعاعاتها" لم يذكر الذرة إلا مرتين؛ بينما ركزت كتب أخرى لمؤلفين آخرين في ذلك الوقت على نموذج طومسون. ^{[ 12 ] : 446}

ظهر أثر نموذج رذرفورد النووي بعد وصول نيلز بور إلى مانشستر كباحث ما بعد الدكتوراه بدعوة من رذرفورد. تخلى بور عن عمله على نموذج طومسون لصالح نموذج رذرفورد النووي، وطوّر نموذج رذرفورد-بور على مدى السنوات التالية. وفي نهاية المطاف، دمج بور أفكارًا مبكرة من ميكانيكا الكم في نموذج الذرة، مما أتاح التنبؤ بالأطياف الإلكترونية ومفاهيم الكيمياء. ^{[ 2 ] : 304}

بعد اكتشاف رذرفورد، ساهمت الأبحاث اللاحقة في تحسين فهمنا لنواة الذرة. واكتشف العلماء في نهاية المطاف أن الذرات تحتوي على نواة موجبة الشحنة (تحمل عددًا ذريًا من الشحنات) في مركزها، ويبلغ نصف قطرها حوالي 1.33 × 10⁻¹⁵ ^مترًا × [العدد الكتلي الذري] ^{1/3 .} وتبين أن الإلكترونات أصغر حجمًا من ذلك ^.

• نموذج رذرفورد من كلية ريموند
• نموذج رذرفورد من جامعة كيوشو