الرسم التوضيحي للذرة ليس هو ما تبدو عليه الذرة في الحقيقة

من بين الرموز الأكثر إنتشارًا في العلوم هو الرسم التوضيحي للذرة (عادة ما توضع هذه الأشكال حتى في التطبيقات البارزة). لكنها للأسف ليست ما تبدو عليه الذرة حقًا، لقد عرفنا هذه الحقيقة منذ ما يقرب من قرن.

كيف ظهر الرسم التوضيحي للذرة؟

تاريخ النموذج الذري طويل. (يمكن أن ننسبه إلى الإغريق القدماء). ولكن تم استخدامه في العلم الحديث حوالي عام 1900. في هذا الوقت تقريبًا اكتشف السير جوزيف جون طومسون الإلكترون، وهو جزيء له شحنة سالبة داخل الذرة.

واقترح أن يتم السيطرة على هذه الإلكترونات في مجالات موحدة من المادة المشحونة إيجابيا. وكان يطلق عليها اسم «نموذج حلوى البرقوق»، لأن نسبة الإلكترونات في المادة الإيجابية قليلة مثل الخوخ في الحلوى الإنجليزية.

اكتشف الفيزيائي النيوزيلندي إرنست رواذرفورد أنه إذا قمت بإطلاق جزيئات إيجابية باتجاه الذرات (في شكل رقائق ذهبية)، فإنها لا ترتد كل ما تفعله إذا كان هناك كتلة كبيرة من «الحلوى» الإيجابية فإنها بدلا من أن ترتد يمر معظمها مما يشير إلى أن الإلكترونات متباعدة حول كتلة صغيرة من مادة إيجابية- نواة. أعاد تصميم النموذج في عام 1911 ليكون له إلكترونات تدور حول نواة بالطريقة التي تدور بها الكواكب حول الشمس، التي أطلق عليها اسم «نموذج كوكبي» لأسباب واضحة. أصبح نموذج الكوكب الرمز الأكثر شهرة للذرة- على الرغم من أنه تم صقله بعد عامين فقط من قبل الفيزيائي الدنماركي نيلز بور.

تكمن المشكلة في النموذج الكوكبي هو أن الإلكترونات سوف تفقد الطاقة عن طريق المدار، مما سيتسبب في انهيارها حتى تسقط في النواة. حل نموذج بوهر هذا: بدلا من أن تدور عن طريق مدار محدد لا يمكن الخروج عنه، تدور الإلكترونات في مستويات الطاقة المحددة. الإلكترونات يمكن أن تقفز من مستوى إلى مستوى طاقة آخر إذا امتصت أو فقدت طاقة، لكنها لا تنحرف بين المستويات. نموذج بور هو على الأرجح الأكثر شعبية في الكتب العلمية (نواة تحيط بها دوائر أكبر تتحرط عليها الإلكترونات)- إنها في الغالب خاطئة أيضا.

ما الذي يحدث في الحقيقة؟

ستيفن داتش Steven Dutch من جامعة ويسكونسن جرين باي يلخص بوضوح الخطوة التالية في النموذج الذري: «بحلول العشرينيات، اكتشف الفيزيائيون أن للمادة أيضا خصائص تشبه الموجة وأنها لا تعمل على المستوى الذري فقط ولكن أيضا على مستوى الجسيمات الصغيرة في مواقع وطاقات دقيقة. المادة بطبيعتها «غامضة». وتخلوا عن التفكير في الإلكترونات ككواكب صغيرة».

الإلكترونات لا تتبع مسارات على الإطلاق. اكتشف الفيزيائيون أنهم في الواقع جسيمات كمية موجودة في العديد من الأماكن المختلفة في آن واحد. صحيح أنها لا تزال تحتل مستويات الطاقة الفردية، ولكن بدلا من المسارالمحدد، يمكن اعتبار الإلكترون يحتل أماكن عديدة في مسار واحد في السحابة الإلكترونية. هذا هو السبب في أنها تعرف باسم نموذج السحابة الإلكترونية.

هذا لا يعني أن بور كان خاطئا. إنها وسيلة جيدة لتبسيط مفهوم معقد جدا، إنه يعمل في الواقع بشكل مدهش جيدا للذرات البسيطة مثل الهيدروجين. ولكن نموذج السحابة الإلكترونية يوضح أحدث المعارف حول بنية الذرة. النموذج الكوكبي جميل، لكنه ليس حقيقيًا.

ترجمة: مصطفى العدوي

تدقيق لغوي: مؤمن الوزان

المصادر: 1