تجربة رذرفورد: التاريخ والوصف والاستنتاجات - علم - 2026

كانت تجربة رذرفورد ، التي أجريت بين عامي 1908 و 1913 ، عبارة عن قنبلة غشاء رقيق من الذهب يبلغ سمكه 0004 مم ، مع جسيمات ألفا وتحليل نمط تشتت الجسيمات المذكورة المتبقية على شاشة الفلورسنت.

في الواقع ، أجرى رذرفورد العديد من التجارب ، وصقل التفاصيل أكثر فأكثر. بعد تحليل النتائج بعناية ، ظهرت نتيجتان مهمتان للغاية:

- تتركز الشحنة الموجبة للذرة في منطقة تسمى النواة.

- هذه النواة الذرية صغيرة بشكل لا يصدق مقارنة بحجم الذرة.

الشكل 1. تجربة رذرفورد. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. كورزون

كان إرنست رذرفورد (1871-1937) فيزيائيًا مولودًا في نيوزيلندا وكان مجال اهتمامه النشاط الإشعاعي وطبيعة المادة. كان النشاط الإشعاعي ظاهرة حديثة عندما بدأ رذرفورد تجاربه ، وقد اكتشفه هنري بيكريل في عام 1896.

في عام 1907 ، انتقل رذرفورد إلى جامعة مانشستر في إنجلترا لدراسة بنية الذرة ، مستخدمًا جسيمات ألفا هذه كمجسات للنظر داخل مثل هذا الهيكل الصغير. رافقه الفيزيائيان هانز جيجر وإرنست مارسدن في المهمة.

كانوا يأملون أن يروا كيف أن جسيم ألفا ، وهو ذرة هيليوم مزدوجة التأين ، سوف يتفاعل مع ذرة ذهب واحدة ، للتأكد من أن أي انحراف قد يحدث بسبب القوة الكهربائية فقط.

ومع ذلك ، فإن معظم جسيمات ألفا مرت عبر رقائق الذهب مع انحراف طفيف فقط.

كانت هذه الحقيقة متوافقة تمامًا مع نموذج طومسون الذري ، ومع ذلك ، ولدهشة الباحثين ، شهدت نسبة صغيرة من جسيمات ألفا انحرافًا ملحوظًا إلى حد ما.

وستعود نسبة أصغر من الجسيمات ، وترتد تمامًا. ما سبب هذه النتائج غير المتوقعة؟

وصف واستنتاجات التجربة

في الواقع ، جسيمات ألفا التي استخدمها رذرفورد كمسبار هي نوى الهيليوم ، وفي ذلك الوقت كان معروفًا فقط أن هذه الجسيمات مشحونة بشكل إيجابي. من المعروف اليوم أن جسيمات ألفا تتكون من بروتونين ونيوترونين.

حدد رذرفورد جسيمات ألفا وجسيمات بيتا كنوعين مختلفين من الإشعاع من اليورانيوم. تمتلك جسيمات ألفا ، الأكبر بكثير من الإلكترون ، شحنة كهربائية موجبة ، بينما يمكن أن تكون جسيمات بيتا إلكترونات أو بوزيترونات.

الشكل 2. مخطط تفصيلي لتجربة رذرفورد وجيجر ومارسدن. المصدر: R. Knight. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.

يظهر مخطط مبسط للتجربة في الشكل 2. تأتي حزمة جسيمات ألفا من مصدر مشع. استخدم جيجر ومارسدن غاز الرادون كباعث.

تم استخدام كتل الرصاص لتوجيه الإشعاع نحو رقائق الذهب ومنعها من الانتقال مباشرة إلى شاشة الفلورسنت. الرصاص مادة تمتص الإشعاع.

بعد ذلك ، تم توجيه الحزمة على هذا النحو ، وتم جعلها تصطدم بورقة ذهبية رفيعة واستمرت معظم الجسيمات في طريقها إلى شاشة كبريتات الزنك الفلورية ، حيث تركت أثرًا صغيرًا للضوء. كان جيجر مسؤولاً عن عدهم واحدًا تلو الآخر ، على الرغم من أنهم صمموا لاحقًا جهازًا يقوم بذلك.

حقيقة أن بعض الجسيمات خضعت لانحراف بسيط لم تفاجئ رذرفورد وجيجر ومارسدن. بعد كل شيء ، هناك شحنات موجبة وسالبة على الذرة تمارس قوى على جسيمات ألفا ، ولكن بما أن الذرة محايدة ، وهو ما يعرفونه بالفعل ، فإن الانحرافات يجب أن تكون صغيرة.

تكمن مفاجأة التجربة في أن بعض الجسيمات الإيجابية ارتدت بشكل مباشر تقريبًا.

الاستنتاجات

عانى حوالي 1 من كل 8000 جسيم ألفا من انحراف بزوايا أكبر من 90 درجة. قليلة ، لكنها كافية للتساؤل عن بعض الأشياء.

كان النموذج الذري الرائج هو نموذج بودنغ الزبيب بواسطة طومسون ، الأستاذ السابق لروذرفورد في مختبر كافنديش ، لكن رذرفورد تساءل عما إذا كانت فكرة وجود ذرة بدون نواة وإلكترونات مدمجة في الزبيب ، صحيحة.

لأنه اتضح أن هذه الانحرافات الكبيرة لجسيمات ألفا ، وحقيقة أن القليل منها قادر على العودة ، لا يمكن تفسيره إلا إذا كانت الذرة تحتوي على نواة صغيرة وثقيلة وموجبة. افترض رذرفورد أن القوى الكهربائية الجاذبة والمنفرة فقط ، كما هو موضح في قانون كولوم ، هي المسؤولة عن أي انحراف.

عندما تقترب بعض جسيمات ألفا مباشرة من هذه النواة وبما أن القوة الكهربائية تختلف باختلاف المربع العكسي للمسافة ، فإنها تشعر بالتنافر الذي يسبب لها تشتت الزاوية الواسعة أو الانحراف للخلف.

للتأكيد ، جرب جيجر ومارسدن قصف صفائح من معادن مختلفة ، وليس الذهب فقط ، على الرغم من أن هذا المعدن كان الأنسب لقابليته للتطويع ، لإنشاء صفائح رقيقة جدًا.

من خلال الحصول على نتائج مماثلة ، كان رذرفورد مقتنعًا بأن الشحنة الموجبة على الذرة يجب أن تكون موجودة في النواة ، وليس مشتتة في جميع أنحاء حجمها ، كما افترض طومسون في نموذجه.

من ناحية أخرى ، نظرًا لأن الغالبية العظمى من جسيمات ألفا مرت دون انحراف ، يجب أن تكون النواة صغيرة جدًا جدًا مقارنة بالحجم الذري. ومع ذلك ، كان على هذه النواة أن تركز معظم كتلة الذرة.

التأثيرات على نموذج الذرة

فاجأت النتائج رذرفورد بشكل كبير ، الذي أعلن في مؤتمر في كامبريدج: "… يبدو الأمر كما لو أطلقت قذيفة مدفع مقاس 15 بوصة على ورقة مناديل ورقية وترتد المقذوفة نحوك مباشرة وتضربك".

نظرًا لأن هذه النتائج لا يمكن تفسيرها من خلال نموذج طومسون الذري ، اقترح رذرفورد أن الذرة مكونة من نواة ، صغيرة جدًا ، ضخمة جدًا وشحنة موجبة. بقيت الإلكترونات في مدارات حوله ، مثل نظام شمسي مصغر.

الشكل 3. نموذج رذرفورد الذري على اليسار ونموذج طومسون باللبن الزبيب على اليمين. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. الصورة اليسرى: Jcymc90

هذا ما يدور حوله النموذج النووي للذرة الموضح في الشكل 3 على اليسار. نظرًا لأن الإلكترونات صغيرة جدًا جدًا أيضًا ، فقد اتضح أن الذرة هي كل شيء تقريبًا…. فارغ! لذلك ، فإن معظم جسيمات ألفا تمر عبر الورقة بالكاد تنحرف.

والتشابه مع النظام الشمسي المصغر دقيق للغاية. تلعب النواة الذرية دور الشمس ، وتحتوي على كل الكتلة تقريبًا بالإضافة إلى الشحنة الموجبة. تدور الإلكترونات حولها مثل الكواكب وتحمل شحنة سالبة. التجميع محايد كهربائيًا.

حول توزيع الإلكترونات في الذرة ، لم تظهر تجربة رذرفورد شيئًا. قد تعتقد أن جسيمات ألفا سيكون لها بعض التفاعل معها ، لكن كتلة الإلكترونات صغيرة جدًا ولم تكن قادرة على تشتيت الجسيمات بشكل كبير.

عيوب نموذج رذرفورد

كانت إحدى مشكلات هذا النموذج الذري بالتحديد هي سلوك الإلكترونات.

إذا لم تكن هذه ثابتة ، ولكنها تدور حول النواة الذرية في مدارات دائرية أو بيضاوية ، مدفوعة بجاذبية كهربائية ، سينتهي بها الأمر بالاندفاع نحو النواة.

هذا لأن الإلكترونات المتسارعة تفقد الطاقة ، وإذا حدث ذلك ، فسيكون ذلك انهيارًا للذرة والمادة.

لحسن الحظ لم يحدث هذا. هناك نوع من الاستقرار الديناميكي يمنع الانهيار. كان النموذج الذري التالي ، بعد نموذج رذرفورد ، هو نموذج بور ، والذي أعطى بعض الإجابات عن سبب عدم حدوث الانهيار الذري.

البروتون والنيوترون

واصل رذرفورد القيام بتجارب التشتت. بين عامي 1917 و 1918 ، اختار هو ومساعده ويليام كاي قصف ذرات النيتروجين الغازية بجزيئات ألفا عالية الطاقة من البزموت -214.

تفاجأ مرة أخرى عندما اكتشف نوى الهيدروجين. هذه هي معادلة التفاعل ، وهي أول تحول نووي صناعي يتم تحقيقه على الإطلاق:

كان الجواب: من نفس النيتروجين. حدد رذرفورد الهيدروجين بالرقم الذري 1 ، لأنه أبسط عنصر على الإطلاق: نواة موجبة وإلكترون سالب.

وجد رذرفورد جسيمًا أساسيًا سماه بروتون ، وهو اسم مشتق من الكلمة اليونانية لأول مرة. بهذه الطريقة ، يكون البروتون مكونًا أساسيًا لكل نواة ذرية.

لاحقًا ، حوالي عام 1920 ، اقترح رذرفورد أنه يجب أن يكون هناك جسيم محايد كتلته مشابهة جدًا لكتلة البروتون. أطلق على هذا الجسيم اسم نيوترون وهو جزء من كل الذرات المعروفة تقريبًا. اكتشفها الفيزيائي جيمس تشادويك أخيرًا في عام 1932.

كيف يبدو النموذج المصغر لذرة الهيدروجين؟

ذرة الهيدروجين ، كما قلنا ، هي الأبسط على الإطلاق. ومع ذلك ، لم يكن من السهل تطوير نموذج لهذه الذرة.

أدت الاكتشافات المتتالية إلى ظهور فيزياء الكم ونظرية كاملة تصف الظواهر على مقياس ذري. خلال هذه العملية ، تطور النموذج الذري أيضًا. لكن دعونا نلقي نظرة على مسألة الأحجام:

تحتوي ذرة الهيدروجين على نواة مكونة من بروتون واحد (موجب) ولها إلكترون واحد (سالب).

قُدّر نصف قطر ذرة الهيدروجين بـ 2.1 × ^10-10 م ، في حين أن نصف قطر البروتون هو 0.85 × ^10-15 م أو 0.85 فمتومتر. يعود اسم هذه الوحدة الصغيرة إلى Enrico Fermi ويستخدم كثيرًا عند العمل على هذا المقياس.

حسنًا ، حاصل القسمة بين نصف قطر الذرة ونصف قطر النواة في حدود 10 ⁵ م ، أي أن الذرة أكبر 100000 مرة من النواة!

ومع ذلك ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في النموذج المعاصر ، استنادًا إلى ميكانيكا الكم ، يغلف الإلكترون النواة في نوع من السحابة تسمى المدار (المدار ليس مدارًا) والإلكترون ، على نطاق ذري ، ليس كذلك دقيق.

إذا تم تكبير ذرة الهيدروجين - بشكل خيالي - إلى حجم ملعب كرة قدم ، فإن النواة المكونة من بروتون موجب ستكون بحجم نملة في وسط الحقل ، في حين أن الإلكترون السالب سيكون مثل نوع من الأشباح ، منتشرة في جميع أنحاء الميدان وتحيط بالنواة الإيجابية.

النموذج الذري اليوم

هذا النموذج الذري من "النوع الكوكبي" متأصل جدًا وهو الصورة التي يمتلكها معظم الناس عن الذرة ، نظرًا لأنه من السهل جدًا تصورها. ومع ذلك ، فهو ليس النموذج المقبول اليوم في المجال العلمي.

تعتمد النماذج الذرية المعاصرة على ميكانيكا الكم. وتشير إلى أن الإلكترون في الذرة ليس نقطة سالبة الشحنة تتبع مدارات دقيقة ، كما تصور رذرفورد.

بدلاً من ذلك ، ينتشر الإلكترون في مناطق حول النواة الموجبة ، تسمى المدارات الذرية. من خلاله يمكننا معرفة احتمال أن نكون في حالة أو أخرى.

على الرغم من ذلك ، مثل نموذج رذرفورد تقدمًا هائلاً في معرفة البنية الداخلية للذرة. ومهد الطريق لمزيد من الباحثين لمواصلة تحسينه.

المراجع

1. Andriessen، M. 2001. دورة HSC. الفيزياء 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken، G. 1984. فيزياء الجامعة. الصحافة الأكاديمية.
3. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
4. الفيزياء OpenLab. تجربة رذرفورد-جيجر-مارسدن. تم الاسترجاع من: physicsopenlab.org.
5. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون.
6. تايسون ، ت. 2013. تجربة نثر رذرفورد. تم الاسترجاع من: 122.physics.ucdavis.edu.
7. زاكتلي. تجارب رذرفورد. تم الاسترجاع من: xaktly.com.
8. ويكيبيديا. تجربة رذرفورد. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.