نموذج طومسون الذري: الثورة في فهم بنية الذرة

يُعرف جوزيف جون طومسون بأنه الرجل الذي اكتشف الإلكترون، ولد طومسون في 18 ديسمبر 1856 في مانشستر- إنجلترا. وتوفي في 30 أغسطس 1940 في كامبريدج . دُفن طومسون في بالقرب من إسحاق نيوتن. يعود الفضل إلى طومسون في اكتشاف الالكترون الجسيم سالب الشحنة في الذرّة. وهو معروف بنظرية طومسون الذرية.

نموذج طومسون الذري

درس العديد من العلماء التفريغ الكهربائي لأنبوب أشعة الكاثود، وكان تفسير طومسون هو المهم لقد أخذ انحراف الأشعة بواسطة المغناطيس وشحن الصفائح كدليل على “أجسام أصغر بكثير من الذرات”، وحسب طومسون فإن لهذه الأجسام نسبة كبيرة من الشحنة إلى الكتلة وقدر قيمة الشحنة نفسها. في عام 1904 اقترح طومسون نموذجاً للذرة كمجال من مادة موجبة مع وضع الإلكترونات بناءً على القوى الكهروستاتيكية. لذلك لم يكتشف الإلكترون فحسب بل قرر أنه جزء أساسي من الذرّة.

نظرية طومسون الذرية

من أجل فهم التفاعلات الكيميائية المختلفة التي تحدث من حولنا والمعايير التي تحكم هذه التفاعلات نحتاج إلى فهم العناصر والمركبات التي تشارك في هذه التفاعلات. كشفت التطورات المبكرة في العلم أن المادة تتكون من ذرات تتكون بدورها من جسيمات أولية تعرف بالإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. من أجل الحصول على فهم أفضل لتحولات المادة من شكل إلى آخر احتاج العلماء إلى بنية محددة للذرة وتفاعلها مع الذرات الأخرى. اقترح العالم الإنجليزي طومسون نموذج طومسون الذرّي الشهير في عام 1898 بعد اكتشاف الإلكترونات مباشرة.
أدى اكتشاف طومسون للإلكترون إلى تغيير الطريقة التي ينظر بها الناس إلى الذرّات تمامًا. حتى نهاية القرن التاسع عشر كان يُعتقد أن الذرات عبارة عن كرات صلبة صغيرة. في عام 1903 اقترح طومسون نموذجاً للذرة يتكون من شحنات موجبة وسالبة موجودة بكميات متساوية بحيث تكون الذرة متعادلة كهربائيًا. اقترح أن الذرة عبارة عن كرة لكن الشحنات الموجبة والسالبة كانت موجوده داخلها. أطلق على نموذج طومسون اسم “نموذج حلوى البرقوق” أو “نموذج بسكويت رقائق الشوكولاتة”. يفهم العلماء المعاصرون أن الذرات تتكون من نواة من البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات المحايدة مع إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول النواة. ومع ذلك فإن نموذج طومسون مهم لأنه قدم فكرة أن الذرة تتكون من جسيمات مشحونة.

تفاصيل نظرية نموذج طومسون الذري

لشرح تكوين الأيونات الموجبة والسالبة، ووجود الإلكترونات داخل التركيب الذري ابتكر طومسون ذرة تشبه فاكهة البرقوق. سحابة موجبة تحتوي على جسيمات سالبة صغيرة (إلكترونات) معلقة فيها. كان عدد الشحنات السالبة كافياً لتحييد الشحنة الموجبة. في حالة فقدان الذرة لإلكترونًا تكون الشحنة موجبة وإذا كسبت ستكون الشحنة النهائية سالبة. وبهذه الطريقة شرح تكوين الأيونات. لكنها تُركت دون تفسير لوجود إشعاع كهرومغناطيسي مثل الأشعة السينية وظواهر ضوئية أخرى.

طومسون والإلكترون

في نهاية القرن التاسع عشر بدأ العلماء في ملاحظة السلوكيات في المجال التي لا يمكن تفسيرها بالنموذج الذري الذي اقترحه دالتون مثل النموذج الذي نفذه ميليكان في منتصف القرن التاسع عشر والذي يتكون من إسقاط قطرة من الزيت من خلال حقل كهربائي في أنبوب مغلق مفرغ والذي حدد أن الحد الأدنى من الشحنة المكتسبة من قطرة الزيت يساوي 1.6 × 10 ^ -19 درجة مئوية، إلى جانب التجارب الكهرومغناطيسية الأخرى أعطوا فكرة أن “الكروي غير القابل للتجزئة “النموذج الذي اقترحه دالتون كان خاطئًا وأن هناك جسيمًا مشحونًا يمكن أن يتأثر بالتغيرات في المجال الكهربائي.
بعد هذه الاكتشافات بدأ العلماء يحاولون تقديم تفسير لهذه الظواهر. كان أهمها هو ذلك الذي قدمه طومسون في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، والذي يتكون من استخدام أنبوب يسمى “أنبوب أشعة الكاثود” والذي يتكون من قطبين كهربائيين موصولين بمصدر جهد عالي متصلين في أنبوب فارغ مغلق.
تجاوز التيار الكهربائي من مصدر الطاقة إلى القطب الموجب، لوحظ أن غازًا مضيئاً تم توجيهه من القطب الموجب إلى القطب السالب. سمي هذا الشعاع بأشعة الكاثود وكان هو الشعاع الذي درسه طومسون والذي أخضع هذا الشعاع إلى مجال كهرومغناطيسي ملاحظًا أن الشعاع ينحرف عن خطه المستقيم باتجاه النهاية الموجبة للمجال، مما يزيد من معرفة أن الشحنات المتعاكسة هي متجاذبة، وتوصل إلى أن أشعة الكاثود تتكون من جسيمات سالبة من القطب الموجب والتي أطلق عليها الإلكترونات.
بعد هذا الاكتشاف صاغ طومسون نموذجًا ذريًا جديدًا يسمى “كعكة الزبيب”، وهي أن الإلكترونات كانت مغروسة في كرة موجبة الشحنة بنفس شدة الشحنة (كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها دمج الإلكترونات في كرة موجبة الشحنة بنفس شدة الشحنة). تم اقتراح الحياد الكهربائي للذرة وبالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يثبت طومسون أن النسبة بين شحنة الإلكترون (التي اكتشفها ميليكان) وكتلتها تساوي 1،756 × 10 ^ 8.
اقترح طومسون النموذج الذي يحمل اسمه لشرح التركيب الذري. يتكون هذا من كرة من مادة موجبة الشحنة غير موحدة حيث تم إدخال الجسيمات السالبة أي الإلكترونات، ومن ثم يُعرف هذا النموذج أيضًا باسم “كعكة الزبيب”.

مسلّمات نموذج طومسون الذري

• تتكون الذرة من كرة موجبة الشحنة بها إلكترونات موجودة داخلها.

• الذرة ككل محايدة كهربائيًا؛ لأن الشحنات السالبة والموجبة متساوية في الحجم.

• تمت مقارنة نموذج طومسون الذري مع فاكهة البطيخ حيث اعتبر بذور البطيخ هي جزيئات سالبة الشحنة الجزء الأحمر من البطيخ مشحون إيجابياً.

عيوب نموذج طومسون الذري

• لقد فشل في تفسير استقرار الذرة لأن نموذجه من الذرة فشل في تفسير كيف تحتفظ الشحنة الموجبة بالإلكترونات سالبة الشحنة في الذرة. لذلك، فشلت هذه النظرية أيضًا في تفسير موضع النواة في الذرة. لم تذكر النظرية أي شيء عن نواة الذرة مطلقاً.

• فشل نموذج طومسون في تفسير تشتت جسيمات ألفا بواسطة رقائق معدنية رقيقة.

• لا يوجد دليل تجريبي فيما قدّمه.

حقائق حول طومسون

• قبل اكتشاف طومسون للإلكترونات اعتقد العلماء أن الذرة هي أصغر وحدة أساسية للمادة.

• اكتشف طومسون النشاط الإشعاعي الطبيعي للبوتاسيوم في عام 1905.

• في عام 1906 أظهر طومسون أن ذرة الهيدروجين تحتوي على إلكترون واحد فقط.

• قام طومسون أيضًا بالتحقيق في طبيعة الجسيمات المشحونة إيجابياً. أدت هذه التجارب إلى تطوير مطياف الكتلة.

• كان طومسون وثيق الصلة بالكيميائيين في ذلك الوقت. ساعدت نظريته الذرية في تفسير الترابط الذري وبنية الجزيئات. نشر طومسون دراسة مهمة في عام 1913 تحث على استخدام مقياس الطيف الكتلي في التحليل الكيميائي.

على الرغم من أن نموذج طومسون الذرّي لم يكن نموذجًا دقيقًا لحساب التركيب الذري ولديه بعض العيوب، إلا أنه ثبت أنه الأساس لتطوير نماذج ذرية أخرى. إنه أحد نماذج الأساس التي أدت إلى اختراعات مهمة وثورية فيما بعد.

افتراضات نموذج طومسون 

يفترض هذا النموذج ما يلي:

• الذرة عبارة عن كرة موجبة الشحنة موزعة بالتساوي.

• الإلكترونات موزعة بشكل عشوائي داخل الكرة.

• تشبه الذرة حلوى البرقوق ، حيث تكون الإلكترونات مثل الزبيب داخل البرقوق.