نموذج رذرفورد الذرّي

رذرفورد والذرّة:

نحن نعلم أن بنية الذرّة تتكون من الكترونات وبروتونات ونيوترونات. تم تقديم هذا بدقة بعد أن توصل العديد من العلماء إلى نماذج مختلفة. قدم أرنست رذرفورد النموذج الكلاسيكي للذرة وما يسمى نموذج رذرفورد الذري أو نموذج رذرفورد للذرة. ومع ذلك لم يعد يعتبر التمثيل الدقيق للذرة بعد الآن. اقترح رذرفورد أن الذرة تتكون من مساحة فارغة في الغالب مع الكترونات تدور في مجموعة مسارات يمكن التنبؤ بها حول نواة ثابتة موجبة الشحنة .

تعريف نموذج رذرفورد الذرّي:

يعتبر نموذج رذرفورد للذرة هو النموذج الكلاسيكي للذرة على الرغم من أنه لم يعد يعتبر تمثيلًا دقيقًا. يوضح نموذج رذرفورد أن الذرة هي في الغالب مساحة فارغة حيث تدور الإلكترونات حول نواة ثابتة موجبة الشحنة في مسارات محددة يمكن التنبؤ بها.
تم تطوير هذا النموذج للذرة من قبل أرنست رذرفورد وهو مواطن نيوزيلندي عمل في جامعة مانشستر في إنجلترا في أوائل القرن العشرين. أمضى رذرفورد معظم حياته الأكاديمية في البحث عن جوانب النشاط الإشعاعي وفي عام 1908 فاز بجائزة نوبل لاكتشافاته المتعلقة بالنشاط الإشعاعي. بعد ذلك بدأ رذرفورد في تطوير نموذجه للذرة.

تاريخ نموذج رذرفورد الذرّي:

يعود مفهوم الذرة إلى 400 قبل الميلاد عندما تصور الفيلسوف اليوناني ديموقريطوس الفكرة لأول مرة. ومع ذلك لم يكن حتى عام 1803 اقترح جون دالتون فكرة الذرة مرة أخرى. لكن في ذلك الوقت كانت الذرات تعتبر غير قابلة للتجزئة. استمرت فكرة الذرة كجسيمات غير قابلة للتجزئة حتى عام 1897 عندما اكتشف الفيزيائي البريطاني جي جي طومسون جسيمات سالبة الشحنة والتي سميت فيما بعد بالإلكترونات.
اقترح الفيزيائي البريطاني “إرنست رذرفورد” نموذجًا للبنية الذرية يُعرف باسم نموذج رذرفورد للذرات. أجرى تجربة حيث قام بقصف جسيمات ألفا في صفيحة رقيقة من الذهب. في هذه التجربة درس مسار جسيمات الفا بعد التفاعل مع الصفيحة الرقيقة من الذهب.

تجربة نموذج رذرفورد الذري:

في تجربة رذرفورد ، قذف تيارات عالية الطاقة من جسيمات ألفا على رقاقة ذهبية رفيعة بسمك 100 نانومتر. تم توجيه تيارات جسيمات ألفا من مصدر مشع. أجرى التجربة لدراسة الانحراف الناتج في مسار جسيمات ألفا بعد التفاعل مع الصفيحة الرقيقة من الذهب. لدراسة الانحراف وضع شاشة مكونة من كبريتيد الزنك حول رقائق الذهب. تناقض الملاحظات التي قدمها رذرفورد مع العالم ثومسون.

ملاحظات تجربة نموذج رذرفورد:

• مرَّ جزء كبير من جسيمات ألفا عبر الصفيحة الذهبية دون انحراف لذلك يجب أن يكون الجزء الأكبر من الذرة فارغًا.
  
• الشحنة الموجبة في الذرة لا يتم توزيعها بشكل موحد وتتركز في حجم صغير جدًا  – قليل من جسيمات ألفا عند قذفها تنحرف بواسطة الصفيحة الذهبية. كانت تنحرف بدقة وبزوايا صغيرة جدًا. لذلك توصل إلى الاستنتاج أعلاه.
  
• عدد قليل جدًا من جسيمات ألفا انحرفت بزوايا كبيرة أو انحرفت للخلف. علاوة على ذلك فقد انحرف عدد قليل جدًا من الجسيمات عند زاوية 180 درجة . لذلك توصل إلى أن الجسيمات موجبة الشحنة تغطي حجمًا صغيرًا من الذرة مقارنة بالحجم الكلي للذرة.
  

مسلمات نموذج رذرفورد الذري بناءً على الملاحظات والاستنتاجات:

• تتكون الذرة من جسيمات موجبة الشحنة. تركزت غالبية كتلة الذرة في منطقة صغيرة جدًا. كانت تسمى هذه المنطقة من الذرة بنواة الذرة. اكتشف لاحقًا أن نواة الذرة الصغيرة جدًا والكثيفة تتكون من نيوترونات وبروتونات.
  
• نواة الذرات محاطة بجسيمات سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات. تدور الإلكترونات حول النواة في مسار دائري ثابت بسرعة عالية جدًا سميت هذه المسارات الدائرية الثابتة باسم “المدارات”.
  
• لا تحتوي الذرة على شحنة صافية أو أنها محايدة كهربائيًا لأن الإلكترونات مشحونة سالبًا والنواة المركزة بكثافة مشحونة إيجابياً. تعمل قوة كهروستاتيكية قوية من عوامل الجذب على تماسك النواة والإلكترونات.
  
• حجم نواة الذرة صغير جدًا مقارنة بالحجم الكلي للذرة.
  

عيوب نموذج رذرفورد:

• لم يكن نموذج رذرفورد قادرًا على تفسير استقرار الذرة. وفقًا لافتراض رذرفورد فإن الإلكترونات تدور بسرعة عالية جدًا حول نواة ذرة في مدار ثابت. ومع ذلك أوضح ماكسويل أن الجسيمات المشحونة المتسارعة تطلق اشعاعات كهرومغانطيسية. لذلك فإن الإلكترونات التي تدور حول النواة ستطلق الإشعاع الكهرومغناطيسي.
  
• سيكون للإشعاع الكهرومغناطيسي طاقة من الحركة الإلكترونية مما يؤدي إلى تقلص المدارات تدريجياً. أخيرًا ، ستتقلص المدارات وتنهار في نواة الذرة. وفقًا للحسابات ، إذا تم اتباع تفسير ماكسويل ، فإن نموذج رذرفورد سينهار خلال ^10-8 ثوانٍ. لذلك لم يكن نموذج رذرفورد الذري يتبع نظرية ماكسويل ولم يكن قادرًا على تفسير استقرار الذرة.
  
• كانت نظرية رذرفورد غير مكتملة لأنها لم تذكر أي شيء عن ترتيب الإلكترونات في المدار. كان هذا أحد العوائق الرئيسية لنموذج رذرفورد الذري.
  
• فشل النموذج الذرّي لرذرفورد في تفسير استقرار الذرّات.
  

ملاحظة:على الرغم من أن النماذج الذرية المبكرة كانت غير دقيقة ولم تستطع تفسير بنية الذرة والنتائج التجريبية بشكل صحيح. لكنها شكلت أساس ميكانيكا الكم وساعدت في التطور المستقبلي لميكانيكا الكم.