وقفنا في الحلقة الماضية عند رذرفورد و تساؤلاته والأمور التي أثارت حفيظته ..... سنبدأ رحلتنا من مانشستر و مع رذرفورد و مساعديه هانز جايجر ( مخترع عداد جايجر) و ارنست مارسدن فقد قاموا بابتكار سلسلة من التجارب المثيرة سنتكلم الآن عن أهمها ...
1909 – تجربة رذرفورد – جامعة مانشستر
الأدوات : صندوق بداخله منبع راديوم مشع يصدر جسيمات ألفا . رقاقة من الذهب (ثخانتها نحو 1 ميكرومتر) تصوب جسيمات الفا الصادرة من المنبع تجاهها . شاشة مفسفسرة ( كاشف Detector ) من مادة بلورية هي ZnS تعطي وميضا كلما اصطدم بها جسيم الفا . طبعا توضع الشاشة أو الكاشف ضمن زاوية بحيث يمكنها رصد جسيمات الفا المتشتتة عن رقاقة الذهب . أي يمكننا أن نحسب عدد جسيمات الفا المتشتتة ضمن زاوية معينة للكاشف , مثلا بين Q والزاوية Q dQ لكل وحدة زمن بالنسبة لزاوية الكاشف بالنسبة لمحور التجربة .
و مرت أسابيع و لم يجد فريق البحث أي شيء , فقد كانت أشعة الراديوم تخترق صفيحة الذهب وفي أحيان قليلة تنحرف , اقترح رذرفورد أن يقوموا برصد أشعة الفا المرتدة للوراء فقد كان يملك حدس علمي منقطع النظير ... -و في ظهيرة أحد الأيام من عام 1909 , اندفع جايجر باتجاه مكتب رذرفورد و معه أخبار مذهلة , لقد رصدنا ارتداد جسيم الفا إلى الوراء , إلا أن هذا كان يحدث بشكل نادر جدا ( واحد من كل 8000 جسيم الفا) , إنها نسبة ضئيلة جدا , لكنها جعلت رذرفورد يرسم العالم ما دون ذري ...
لقد درس رذرفورد سلوك جسيمات الفا الصادرة من المنبع و تبين له أنها تسلك ثلاث طرق كما هو موضح بالشكل التالي :
نلاحظ من الشكل حالات جسيمات الفا التي رصدها رذرفورد على الكاشف (الشاشة المفسفرة) :
•الحالة الأولى يمر فيها الجسيم دون أن يعاني أي انحراف و هذا دليل على مروره في فراغ ... •الحالة الثانية و هي التي يرتد فيها الجسيم و هذا يدل على أن الجسيم اصطدم بجسيم صغير داخل الذرة. •الحالة الثالثة وهي التي ينحرف فيها الإلكترون (جسيمات الفا) و هذا دليل على وجود شيء ما يؤثر على مسار الجسيم مما يجعله ينحرف و هذا ما سنقوم بتوضيحه لاحقا ...
ما يهمنا الآن أن ذلك قاد رذرفورد لتفسيره الوحيد الذي افترض فيه أن الذرة مؤلفة من نواة مركزية صغيرة و ثقيلة موجبة الشحنة تحيط بها غمامة من الالكترونات السالبة , أي أنها تشبه مسارات الكواكب حول الشمس ... [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
نعود الآن إلى جسيمات الفا الموجبة الشحنة حيث تقوم بتصادمات مرنة مع النواة و يعتمد انحرافها على اتجاهها الأصلي كما شاهدنا في الشكل السابق, و يمكن تبيان أن مسار جسيم الفا هو قطع زائد طالما هو واقع في منطقة تنافر النواة .كما يعتمد الانحراف على المسافة بين مركز النواة و خط حركة هذا الجسيم عندما يكون بعيدا عن النواة , و يعود التشتت بزوايا كبيرة إلى التأثير الشديد لنواة الذرة على المسار القريب منها .
اعتبر رذرفورد الاعتبارات التالية أثناء دراسته الرياضية لتجربته :
•ينشأ التشتت من التنافر (حسب قانون كولوم) الذي يحدث عند اقتراب جسيم الفا من النواة (حيث شحنة النواة موجبة و جسيمات الفا موجبة أيضا ) . • جسيم الفا لا يخترق النواة , أي طاقته لا تسمح بالاقتراب من سطحها في حالة التصادم المركزي و بذلك يتم التعامل معهما كشحنتين نقطيتين. • الدراسة تنحصر في تشتت جسيم الفا من الذرات الثقيلة و يترتب على ذلك إهمال ارتداد النواة و اعتبارها ساكنه قبل و بعد الإثارة. • استخدام الميكانيكا غير النسبية لاشتقاق التوزيع الزاوي . • إهمال تصادمات جسيمات الفا مع الالكترونات , إذ أن عدم إهمالها سينتج انحرافات صغيرة للغاية و بالتالي لن يتغير بتاتا في التوزيع الزاوي المشتق بإهمال هذه التصادمات.
الآن ما رأيكم بأن يمسك كل منكم ورقة و قلم ؟ لا طبعا الأمور بسيطة و لا تحتاج لذلك ... سنبدأ الكلام بالرموز الرياضية ..... ذرة شحنتها Ze و كتلتها M حيث يبين الشكل التالي نواة ثابتة ,فإذا فرضنا أن أحد جسيمات الفا الذي له شحنة ze)=2e ) و كتلة m , قد بدأ يتحرك أفقيا من سالب مالانهاية بسرعة v باتجاه النواة فيصطدم مركزيا معها ..
أولاً : قبل بدأ عملية التشتت (الحالة الإبتدائية) :
يقترب جسيم الفا من نوة الذرة بسرعة ابتدائية متجهه و كمية حركة ابتدائية P و نظرا لكبر المسافة بينهما تكون قوة التنافر ضئيلة لدرجة استمرار الحركة بسرعة متجهه ثابتة و في خط مستقيم يسمى بالخط المقارب لمسار الحركة الابتدائية , و الخط المقارب يوازي الخط الأفقي و يبتعد عنه بمسافة b تسمى بارامتر التصادم أو (وسيط الصدم) , و يمكن حسابها بدلالة زاوية التشتت (ثيتا) حسب العلاقة التالية : [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث : e^2 تمثل شحنة جسيم الفا. Zعدد البروتونات في جسيم الفا. (إبلسون نوت) يمثل السماحية الكهربية للفراغ. r^2 المسافة الفاصلة بين النواة و جسيم الفا و m كتلة جسيم الفا و vسرعة جسيمات الفا.
ثانيا:أثناء عملية التشتت : أ-عند إقتراب جسيم الفا من النواة بمسافة كافية ستبدأ فعالية قانون كولوم و تتغير سرعة و اتجاه حركة الجسيم تحت تأثير قوة التنافر المركزية:
r^2 المسافة الفاصلة بين النواة و جسيم الفا حيث نلاحظ أن العلاقة بين القوة و المسافة الفاصلة علاقة عكسية فكلما ابتعد الجسيم عن النواة قلّ الـتأثير الكولومي على الجسيم مما يسمح للجسيم بالمرور دون أي انحراف.
ثالثا:بعد الانتهاء من عملية التشتت (الحالة النهائية) : مزيدا من ابتعاد جسيم الفا عن النواة سيجعل القوة بينهما ضئيلة إلى الدرجة التي يبتعد الجسيم عن النواة بسرعة متجهه ثابتة و كمية حركة نهائية في خط مستقيم يسمى بالخط المقارب لمسار الحركة النهائية. يسلك جسيم الفا مسار يمكن تمثيله بمعادلة قطع زائد hyperbola تحت تأثير قوة كولوم كما في الشكل السابق . [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
و لإيجاد معادلة حامل المسار hyperbola في الإحداثيات القطبية ,لنفرض أن أحد جسيمات الفا له سرعة vi=v و يتجه نحو مركز النواة الثابتة , و b بارامتر التصادم (المسافة الفاصلة بين جسيم الفا و نواة شريحة الذهب), الآن عند اقتراب الجسيم أكثر و أكثر من النواة أي عندما b تساوي صفر تقريبا ستعمل قوة التنافر على إبطائه باضطراد حتى يسكن لحظيا عند أدنى نقطة اقتراب, و بعد هذه اللحظة سيعكس الجسيم اتجاه حركته في الاتجاه المضاد.
فإذا فرضنا أن أدنى نقطة اقتراب تبعد عن النواة بمسافة D فإنه حسب قانون حفظ الطاقة ستتساوى عند هذه النقطة طاقة الحركة الابتدائية (initial kinetic energy) مع طاقة الوضع الكهربية (electric potential energy) أي أن : [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
حيث : mكتلة جسيم الفا . v سرعة الجسيم . (إبسلون نوت) ثابت السماحيّة الكهربية للفراغ . Zعدد البروتونات e^2شحنة جسمات الفا.
• بعد ذلك و بدلالة v أو الطاقة الحركة الابتدائية K لجسم الفا يمكن الحصول على العلاقة التالية : [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
لاحظ أننا في الطرف الأخير من المعادلة قمنا بإستبدال mv^2 \2بـ K و بدلالة الثابت D يمكننا كتابة المعادلة :
فالعلاقة العامة بين r (بعد الجسيم الفا عن نواة ذرة الذهب) و زاوية الانحراف (فاي) أو ببساطة يمكن تسميتها معادلة المسار (Equation of the trajectory) يمكن كتابتها بدلالة كل من b (بارامتر التصادم) و D (ثابت يعبر عن أقرب مسافة للنواة) كما يلي : كيف تمكن رذرفورد في تجربته من استنتاج نصف قطر النواة ؟. لقد درس علاقة طاقة جسيمات الفا المتجهة للنواة وأقصى مسافة يمكن أن تصل لها جسيمات الفا للنواة وكانت هذه هي الطريقة التي استخدمها رذرفورد لتقدير نصف قطر النواة وكانت أول محاولة ناجحة واتفقت نتائجه مع نتائج بور إلى حد ما . [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
اعتمد فيها على أن جسيمات الفا عندما تصل إلى النواة وقبل أن ترتد تكون طاقة حركة جسيمات الفا تساوي طاقة الوضع بينها وبين النواة. وافترض رذرفورد في حساباته أن جسيمات الفا لا يمكن أن تخترق النواة وافترض أيضا أن جسيمات الفا لا يمكن أن تحرك النواة (نظريا طبعا) ..
وعندما قذف جسيمات الفا بطاقات مختلفة (عن طريق استخدام مصادر مشعة مختلفة )وجد أن قيمة R النظرية تتوافق مع القيمة العملية ومن خلال الشكل التالي الذي يبين النتائج التجريبية الخاصة بتقدير نصف قطر النواة في شريحة رقيقة من الألمنيوم Z=13 و التي حصل عليها الباحثون العاملون في مجموعة رذرفورد عند دراسة تشتت جسيمات الفا بزاوية ثابتة كبيرة عند 180درجة من أجل قيم مختلفة لـ r ...
حيث نلاحظ ان المحور الرأسي محور y يمثل النسبة بين العدد التجريبي Nexp و العدد النظري N المحسوبة من المعادلة: [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
أما المحور الأفقي فيمثل أدنى مسافة اقتراب r عند الزاوية 180درجة محسوبة من المعادلة : [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
نلاحظ توافق القيم العملية مع النظرية بالخط المستقيم الذي يمثل القيمة 1 ولكن عندما ازدادت طاقة جسيمات الفا أكثر من القدر الذي تستطيع النواة أن تبقى ثابتة ولا تتحرك بدأت النتائج العملية تختلف عن النتائج النظرية , ولذلك نرى حيود في المنحنى عن القيمة 1 , وعند أول المنعطف على النواة نستطيع أن نعرف قيمة نصف القطر الذي اقتربت منه جسيمات الفا أكثر ما يمكن , وهو جدار النواة, و لقد تمكن رذرفورد من تقدير نصف قطر نواة ذرة الألمنيوم على أنها في حدود 10^-14 متر.
إذا و في كلمة و نصف ...
أدرك رذرفورد أن الذرة تشبه النظام الشمسي الكترونات سالبة , و نواة موجبة الشحنة و هي أصغر بـ 10000 مرة من الذرة نفسها , و هذا يفسر ارتداد جسيمات الفا ( 1 الى 8000 ) فالذرة أغلبها فراغ (مرور جسيمات الفا) .
ما رأيكم لو تخيلنا قليلا ؟!!! يمكننا تخيل ذرة رذرفورد بمقياس أكبر " فإذا كانت النواة بحجم كرة قدم فسيكون أقرب إلكترون في مداره على بعد نصف ميل , و بقية الذرة ستكون فراغ بالكامل " . أي أننا إذا استطعنا إزالة الفراغ الموجود في كامل جسمك عندها ستنكمش لتصبح أصغر حجما من حبيبة الملح ... طبعا سيبقى وزنك كما هو و لن يتغير ...لا تخف .... و إذا فعلنا نفس الشيء مع البشرية فإنها ستصبح بحجم تفاحة ...
• فجأة ظهرت مشكلة و كانت مشكلة كبيرة وفقا للعلم السائد في ذلك الوقت وهي أن على الالكترونات أن تفقد طاقتها و تبطئ من سرعتها و تدور في مدار حلزوني ( كما في الشكل ) حتى تسقط في النواة بأقل من طرفة عين و تتلاشى الذرة ...
إذا ذرة رذرفورد كانت تتعارض مع قوانين العلم السائدة في ذلك الوقت ...
لذلك كان لابد من ظهور جيل جديد من العلماء يثور على الأعراف السائدة في ذلك الزمان و يأتي بطرح غير مسبوق و يبدأ من حيث انتهى رذرفورد ليكمل المسير من أجل الوصول للحقيقة ... من هم هؤلاء العلماء ؟؟؟... و ما هي الطريقة التي فكروا بها ؟.. و كيف استطاعوا حل المشاكل التي اعترضت ذرة رذرفورد ؟... كل ذلك و أكثر سنعرفة في الحلقة القادمة من الذرة ...
.gif){kind=icon}
