ظهر مصطلح الذرة (atom) على يد الفيلسوف (ديموقريطيس) في القرن الخامس قبل الميلاد دون دليل تجريبي على ذلك سوى فكرة بديهية فلسفية فكل شيء في الكون يتكون من أشياء صغيرة وهذه تتكون من أصغر وهكذا بالتتابع فأفترض أن المادة تتكون من وحدات أولية غير قابلة للإنقسام أعطاها اسم ذره وظل هذا المصطلح يسبح في الذاكرة البشرية لقرون حتى جاء العالم الإنجليزي (دالتون) في القرن الثامن عشر الميلادي ليضيف إلى ذلك أن هذه الذرات تتجاذب متحدة لتصنع المركبات وقدم هذا العالم قانونه الشهير في تفاعل الغازات.
يعتبر الانجليزي جون دالتون أباً للكيمياء الحديثة وذلك بعد أن أقترح نظرية الذرية للمادة في حوالى عام 1803م. أن مفهوم الذرة (غير قابلة للتجزئة) لم يبدأ مع دالتون ولكن مع علماء الاغريق قبل الميلاد والذين أوضحوا عدم امكانية تقسيم المادة إلى الابد إلى اجزاء اصغر فاصغر وانه في نهاية المطاف يجب ان تكون هنالك جسيمات غير قابلة للتجزئة. لم تكن هذه الاقتراحات القديمة مبنية على نتائج تجارب علمية وإنما كانت ثمار تفكير عميق . تختلف نظرية دالتون عن ذلك كونها تعتمد على قوانين بقاء الكتلة والنسب الثابتة والتي اشتقت من العديد من الاستنتاجات المباشرة . يمكن التعبير عن النظرية التي اقترحها بالاتي :
1- تتكون المادة من العديد من الجسيمات الغير قابلة للتجزئة تسمى الذرات. يعتبر الانجليزي جون دالتون أباً للكيمياء الحديثة وذلك بعد أن أقترح نظرية الذرية للمادة في حوالى عام 1803م. أن مفهوم الذرة (غير قابلة للتجزئة) لم يبدأ مع دالتون ولكن مع علماء الاغريق قبل الميلاد والذين أوضحوا عدم امكانية تقسيم المادة إلى الابد إلى اجزاء اصغر فاصغر وانه في نهاية المطاف يجب ان تكون هنالك جسيمات غير قابلة للتجزئة. لم تكن هذه الاقتراحات القديمة مبنية على نتائج تجارب علمية وإنما كانت ثمار تفكير عميق . تختلف نظرية دالتون عن ذلك كونها تعتمد على قوانين بقاء الكتلة والنسب الثابتة والتي اشتقت من العديد من الاستنتاجات المباشرة . يمكن التعبير عن النظرية التي اقترحها بالاتي :
1- تتكون المادة من العديد من الجسيمات الغير قابلة للتجزئة تسمى الذرات.
2- تتميز كل ذرات العنصر بنفس الخواص ( الحجم ، الشكل ، الكتلة ) والتي تختلف باختلاف العناصر .
3- يحدث التفاعل الكيميائي عند تبديل وضعية الذرات وتحويلها من منظومة لاخري.
لقد أثبتت نظرية دالتون نجاحها من خلال تفسيرها لبعض الحقائق القائمة في ذلك الزمان كما انها استطاعت ايضا التنبؤ ببعض القوانين الغير مكتشفة :
اولا : تتضمن هذه النظرية قانون حفظ الكتلة حيث ان التفاعل الكيميائى لايفعل شيئا سوى اعادة توزيع الذرات ولم تفقد اي ذرة في هذة المنظومة وبالتالي تظل الكتلة ثابتة عند حدوث التفاعل الكيميائى .
ثانيا : تفسر هذه النظرية قانون النسب الثابتة . افترض ان مادة ما تتكون من عنصرين A و B. وان اي جزيئي من هذه المادة يتكون من ذرة واحدة منA وذرة واحدة من B يعرف الجزيئى بانة مجموعه ذرات مترابطة مع بعضها بقوة تسمح لها بالتصرف او اعادة التنظيم كجسيم واحد. افترض ايضا ان كتلة الذرة A تكون ضعف كتلة الذرة B وبالتالى فان الذرة A تساهم بضعف الكتلة التي تساهم بها الذرة B في تكوين جزيئى واحد من هذه المادة الامر الذي يعني ان نسبة كتلة الذرة Aالى الذرة B هي 2/1 .
اما اذا اخذنا مجموعة كبيرة من جزيئات هذة المادة فاننا نجد دائما ان عدد ذرات Aمتساويا لعدد ذرات B الامر الذي يعني انة بغض النظر عن حجم العينة فاننا دائما نحصل على نسبة كتلة Aالى B تساوي 2/1 . بالمثل اذا فاعلنا A مع B لنحصل على هذا الجزيئى فنجد ان اي ذرة من A تتحد مع ذرة واحدة منB اما اذا خلطنا 100 ذرة من A مع 110 ذرة من B فنجد انة قد تبقت 10 ذرات من Bغير متفاعلة بعد اكتمال التفاعل.
ثالثا : لقد تنبأت نظرية دالتون بقانون النسب المتضاعفة الذي يقول : عند تكوين مركبين مختلفين من نفس العنصرين فان كتلتي أحد العنصرين اللتان تتفاعلان مع كتلة ثابتة من العنصر الاخر تكونان في شكل نسبة عددين بسيطين وصحيحين . قد يظهر هذا القانون وكانة أكثر تعقيدا من حقيقتة . دعنا نتحدث عن مركبين يتكونان من عنصري الأكسجين والكربون . اذا وجدنا في احدهما ( أول اكسيد الكربون ) ان 1.33 جم من الاكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون بينما وجدنا في الاخر ( ثاني اكسيد الكربون ) ان 2.66 جم من الاكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون فان نسبة كتلتي الاكسجين 2.66جم/1.33جم اللتان تتحدان مع كتلة ثابتة من الكربون 1.00 جم تكون في شكل عددين صحيحين :
تتفق هذه النسبة مع النظرية الذرية حيث ان أول أكسيد الكربون يحتوي على ذرة واحدة كربون تكون متحدة مع ذرة واحدة من الاكسجين بينما نجد ان ثاني اكسيد الكربون يحتوي ذرة كربون واحدة تكون متحدة مع ذرتين من الأكسجين . نسبة لان ثاني اكسيد الكربون ضعف ذرات الاكسجين المتحدة مع ذرة الكربون مثلما لأول أكسيد الكربون فان وزن الاكسجين في جزيئى ثاني اكسيد الكربون يجب ان يكون ضعف وزن الاكسجين في جزيئى أول اكسيد الكربون.
نظرية الكم لبلانك
2- تتميز كل ذرات العنصر بنفس الخواص ( الحجم ، الشكل ، الكتلة ) والتي تختلف باختلاف العناصر .
3- يحدث التفاعل الكيميائي عند تبديل وضعية الذرات وتحويلها من منظومة لاخري.
لقد أثبتت نظرية دالتون نجاحها من خلال تفسيرها لبعض الحقائق القائمة في ذلك الزمان كما انها استطاعت ايضا التنبؤ ببعض القوانين الغير مكتشفة :
اولا : تتضمن هذه النظرية قانون حفظ الكتلة حيث ان التفاعل الكيميائى لايفعل شيئا سوى اعادة توزيع الذرات ولم تفقد اي ذرة في هذة المنظومة وبالتالي تظل الكتلة ثابتة عند حدوث التفاعل الكيميائى .
ثانيا : تفسر هذه النظرية قانون النسب الثابتة . افترض ان مادة ما تتكون من عنصرين A و B. وان اي جزيئي من هذه المادة يتكون من ذرة واحدة منA وذرة واحدة من B يعرف الجزيئى بانة مجموعه ذرات مترابطة مع بعضها بقوة تسمح لها بالتصرف او اعادة التنظيم كجسيم واحد. افترض ايضا ان كتلة الذرة A تكون ضعف كتلة الذرة B وبالتالى فان الذرة A تساهم بضعف الكتلة التي تساهم بها الذرة B في تكوين جزيئى واحد من هذه المادة الامر الذي يعني ان نسبة كتلة الذرة Aالى الذرة B هي 2/1 .
اما اذا اخذنا مجموعة كبيرة من جزيئات هذة المادة فاننا نجد دائما ان عدد ذرات Aمتساويا لعدد ذرات B الامر الذي يعني انة بغض النظر عن حجم العينة فاننا دائما نحصل على نسبة كتلة Aالى B تساوي 2/1 . بالمثل اذا فاعلنا A مع B لنحصل على هذا الجزيئى فنجد ان اي ذرة من A تتحد مع ذرة واحدة منB اما اذا خلطنا 100 ذرة من A مع 110 ذرة من B فنجد انة قد تبقت 10 ذرات من Bغير متفاعلة بعد اكتمال التفاعل.
ثالثا : لقد تنبأت نظرية دالتون بقانون النسب المتضاعفة الذي يقول : عند تكوين مركبين مختلفين من نفس العنصرين فان كتلتي أحد العنصرين اللتان تتفاعلان مع كتلة ثابتة من العنصر الاخر تكونان في شكل نسبة عددين بسيطين وصحيحين . قد يظهر هذا القانون وكانة أكثر تعقيدا من حقيقتة . دعنا نتحدث عن مركبين يتكونان من عنصري الأكسجين والكربون . اذا وجدنا في احدهما ( أول اكسيد الكربون ) ان 1.33 جم من الاكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون بينما وجدنا في الاخر ( ثاني اكسيد الكربون ) ان 2.66 جم من الاكسجين متحدة مع 1.00 جم من الكربون فان نسبة كتلتي الاكسجين 2.66جم/1.33جم اللتان تتحدان مع كتلة ثابتة من الكربون 1.00 جم تكون في شكل عددين صحيحين :
تتفق هذه النسبة مع النظرية الذرية حيث ان أول أكسيد الكربون يحتوي على ذرة واحدة كربون تكون متحدة مع ذرة واحدة من الاكسجين بينما نجد ان ثاني اكسيد الكربون يحتوي ذرة كربون واحدة تكون متحدة مع ذرتين من الأكسجين . نسبة لان ثاني اكسيد الكربون ضعف ذرات الاكسجين المتحدة مع ذرة الكربون مثلما لأول أكسيد الكربون فان وزن الاكسجين في جزيئى ثاني اكسيد الكربون يجب ان يكون ضعف وزن الاكسجين في جزيئى أول اكسيد الكربون
قام العالم راذرفورد بإجراء بعض من ابرز التجارب للوصول إلى حقائق تركيب الذرة . وقد اعتمد في تجارية على استخدام جسيمات ألفا المنطلقة من مادة مشعة وفي اعتقاده أن المادة المشعة تطلق إشعاعاتها في كافة الاتجاهات وبلا حدود وهي تتكون من جسيمات ألفا (œ-particles) الموجبة الشحنة وجسيمات بيتا (ß-particles) السالبة الشحنة وأشعة جاما (ｙ-rays) المتعادلة الشحنة . ويمكن اعتبار جسيمات ألفا تحمل على أنها ذرات للهليوم فقد منها إليكترونين ولذا فان جسيمات ألفا تحمل شحنتين موجبتين ولها كتلة تساوي أربعة مرات كتلة ذرة الهيدروجين .
لقد سمح راذرفورد لحزمة رقيقة للغاية من جسيمات ألفا من مصدر مشع كعنصر البولونيوم بالمرور في اتجاه صفيحة معدنية رقيقة من الفضة أو الذهب لايتعدي سمكها4X10-7 متر وبعد اختراق تلك الجسيمات الصفيحة المعدنية استقبلها على لوح من كبرتيد الخارصين موضوع خلفها .
ولقد وجد بان معظم الجسيمات قد مرت خلال الصفيحة المعدنية دون أن تعاني أي انحراف ألا أن البعض منها قد انحرف عن مساره وبزوايا قد تصل إلى 90ْ أو أكبر من ذلك والبعض الآخر قد انعكس كليا مما يدل على أنها واجهت شيئا ما ضخما للغاية اى أنة مشحونا بنفس شحنتها .
أن الطريقة الوحيدة التي مكنت راذرفورد من تفسير واقعة مرور معظم الجسيمات بسهولة عبر الرقيقة والانحراف الذي عاناه البعض بزوايا كبيرة للغاية هي الاستنتاج بان :
أولا : عدم انحراف اغلب الجسيمات دليل على وجود فراغ كبير في الذرة .
ثانيا : انحراف بعض جسيمات ألفا انحرافا بسيطا يدل على احتواء الذرة بعض الجسيمات الثقيلة والمشحونة بشحنات موجبة وان جسيمات ألفا تكون قد اقترب منها مما يسبب في تنافر بسيط معها وبالتالي كان سببا في ذلك الانحراف
ثالثا: الانحراف الكبير الذي عانته القلة البسيطة من جسيمات ألفا سببة تمركز الجسيمات الموجبة الشحنة بالذرة في وسطها مما سبب الانحراف الكلى لجسيمات ألفا المارة بمركز النواة .
نظرية طومسون النووية
افترض طومسون عام 1911 نموذجا نوويا للذرة وأساس هذا النموذج هو أن الذرة تتكون من جسيم صغير وثقيل ذو شحنة موجبة ويسمى النواة ويحتل مركز الذرة وتحتوي نواة الذرة على جميع البروتونات ولذا فان كتلة الذرة هي تعبير عن مجموع كتل البروتونات في نواتها (حيث أن قيمة كتل الاليكترونات صغيرة جدا اى قيم مهملة ) . كما أن شحنة النواة الموجبة ترجع إلى تمركز البروتونات الموجبة بها . وتتوزع اليكترونات الذرة حول النواة بنفس الطريقة التي تتوزع بها الأجرام السماوية حول الشمس . وبما أن الذرة متعادلة لذا فعدد الاليكترونات السيارة يساوي لعدد البروتونات بالنواة .
دلت دراسات اكس على أن قطر النواة يساوي 15-10متر بينما قطر الذرة يساوي 10-10 متر ولذا فقطر النواة يساوي تقريبا 1000/1 من قطر الذرة . فلو قدرات نواة ذرة الهيدروجين بحجم كرة تنس الطاولة فيمكن أن يبتعد عنها إليكترونها بثلاثة كيلومترات تقريبا . اغلب الفراغ المحيط بنواة الذرة خال من إي شئ سوى الاليكترونات المتناهية في الصغر كما ذكرنا مسبقا وبما أن هذه الاليكترونات تدور حول النواة بسرعة كبيرة جدا لذا فهي تغطي اغلب المساحة الواقعة حول النواة.
في عام 1885 وضع الفيزيائي السويسري بالمر قانونا محددا لترتيب خطوط الطيف لذرة الهيدروجين - سلسلة بالمر - ثم وجدت في طيف الهيدروجين فيما بعد سلاسل أخرى مثل سلسلة ليمان وسلسلة باشين
وتم بعد ذلك اثبات أن الذرات الاخرى لها طبيعة مماثلة في ترتيب خطوط الطيف ولكن بشكل أكثر تعقيدا من ذرة الهيدروجين ولم تتمكن الفيزياء الكلاسيكية من تفسير هذه النتائج التجريبية وأيضا لم يستطع رذرفورد بنموذجه من تفسير الطبيعة الطيفية وتفسير الخطوط الطيفية ولم يستطع أيضا تفسير استقرار الذرة نفسها
لتفسير التناقض بين نتائج التجارب العملية وبين الفيزياء التقليدية كان من الضروري الاعتراف بمحدودية تطبيق قوانين الفيزياء التقليدية على الذرات وهنا جاء بوهر ( واحد من أبرز علماء الفيزياء في القرن العشرين ) وهو عالم دانمركي وأدخل أفكار نظرية الكم في النموذج النووي للذرة ( نموذج رذرفورد ) ووضع ثلاثة فروض للتغلب على المشاكل التي اعترضت نموذج رذرفورد
فروض بوهر الثلاثة
يدور الالكترون حول النواة في مدارات ثابتة ذات أنصاف أقطار محددة
كمية التحرك الزاوي للالكترون كمية مكممة
لا يشع الالكترون طاقة الا اذا انتقل من مدار بعيد عن النواة الى مدار أقرب منه
ملاحظات
أولا : طبق بوهر قوانين الفيزياء التقليدية على الذرة ولكن وضع عليها قيودا تنحصر في الربط الكمي للمدارات وتفسير استقرار الذرة
ثانيا قام بوهر بحساب الطاقة الكلية للالكترون وايضا بايجاد أنصاف أقطار مدارات الالكترونات المسموح بها في ذرة الهيدروجين وحساب
و من كل هذا نستنتج أن الذرة قد امتازت عن النماذج و النظريات عادية بتلقيها تقبلا لدى كبار العلماء و عقول معظمنا لأنها لم تعارض أيا من قوانين الفيزياء كما فتحت أبوابا علميا أخرى مثل السلاح النووي الذي يعتمد في قوته التدميرية على عملية الإنشطار النووي؛ ونتيجة لعملية الإنشطار هذه تكون قوة انفجار قنبلة نووية صغيرة أكبر بكثير من قوة انفجار أضخم القنابل التقليدية حيث أن بإمكان قنبلة نووية واحدة تدمير أو إلحاق أضرار فادحة بمدينة بكاملها. فُجرت أول قنبلة نووية للاختبار في 16 يوليو 1945 في منطقة تدعى صحراء ألاموغوردو