إسهامات الفيزياء الذرية

قبل أن يعين ميليكان الشحنة الكهربائية الأولية كانت الكهرباء – لا سيما في أبحاث لينارد Lenard – ممثلة من الناحية الثقافية البحتة في أشعة المبهط (الكاثود) Cathode rays المتكونة في أنبوبة تفريغ كهربائي مخلخلة الضغط بدرجة عالية ، وكذا في أنبوبة الأشعة السينية على سبيل المثال حيث تتكون هذه الأشعة من تصادم أشعة الكاثود بلوح معدني صلب . لقد بات مؤكداً من نتائج تجربة ميليكان أن أشعة الكاثود سيال من الكهربية السالبة لابد أنها تتدفق في صورة جسيمات صغيرة مستقلة متكاملة لا تنقسم أطلق عليها اسم (إلكترونات electrons) هي أيضاً بمثابة ذرات الكهرباء .

وباستخدام المجالات المغنطيسية والكهربائية يمكن لشعاع المهبط المتحرك في خط مستقيم أن ينحرف في مسار منحن ، وينبغي حساب حركة الإلكترون المنحرف حينئذ بواسطة قانون نيوتن الثاني – القوة = الكتلة × العجلة – وبمعلومية نسبة شحنة الإلكترون الى كتلته من تناسب القوة المؤثرة مع شحنته وبالعكس يمكن استنتاج العلاقة بين شحنة الإلكترون وكتلته من التجربة وذلك بتحديد انحراف أشعة المهبط في مجالات كهربائية ومغنطيسية معلومة ، وبمعلومية شحنة الإلكترون من تجربة ميليكان (وبداية بالطبع تم الافتراض بدرجة عالية من الاحتمال بأن إلكترونات أشعة المهبط لها شحنة ميليكان أولية واحدة وليس اثنتين أو ثلاث ، ولقد تأكدت تلك الحقيقة بتجارب أخرى ) يمكن حساب كتلته من قياسات أشعة المهبط . وتبين النتيجة أن كتلة الإلكترون تقل عن كتلة ذرة الهيدروجين 1838 مرة تقريباً وتساوي 0.9×10^-27 من الجرام .

ويمكن تعميم طريقة تحديد نسبة الشحنة الى الكتلة بأشعة المهبط لتشمل الذرات المشحونة كهربائياً أي الايونات ، وكما نعلم لا يتكون نفس كتلة ذرة الهيدروجين نفسها ويحمل شحنة أولية موجبة واحدة . وهناك صورتان مختلفتان من الأيونات – لها تقريباً نفس الكتلة مثل الذرة – ينحدران من ذرة الهليوم ، أحدهما يحمل شحنة أولية موجبة واحدة والآخر يحمل شحنتين . ويكون الانطباع الناتج هو أن ذرة الهيدروجين المتعادلة كهربائياً يدخل في بنيتها شحنات كهربائية موجبة وسالبة . وواضح أنها تشتمل على واحدة فقط من كل منهما ، السالبة ولابد أن تكون متصلة بكتلة دقيقة نسبياً ، والموجبة تتصل بالكتلة الإجمالية للذرة . والافتراض المقترح – المرفوع الى درجة اليقين بتجارب كثيرة – هو إن الشحنة السالبة في ذرة الهيدروجين هي بالضبط إلكترون سالب أما أيون الهيدروجين الموجب والخالي من أي إلكترونات أخرى يمكن فصلها عنه فهو (نواة nucleus) ذرة الهيدروجين ويطلق عليه اسم (بروتون Proton) . يلزم لذرة الهليوم زوج من الإلكترونات السالبة للتعادل مع الشحنة الموجبة في (النواة) ومرة أخرى في هذا المقام يعني تأين الذرة ببساطة إزالة واحد أو أكثر من الإلكترونات .

وفضلاً عن ذلك ، تماثل نواة ذرة الهليوم تماماً جسيمات ألفا السابق ذكرها . وعلى حد تقرير رذرفورد Rutherford ، فإن بنية جميع الذرات تماثل هاتين البنيتين . تتركز كتلة كل ذرة تقريباً في نواة موجبة الشحنة ، أما تأثير (غلاف أو سحابة) الإلكترونات السالبة المحيطة بهذه النواة فمهمتها معادلة الذرة كهربائياً ، ولذلك فإن عدد هذه الإلكترونات لابد وأن يساوي دائماً (عدد الشحنات النووية) أي عدد الشحنات الأولية الموجبة في النواة الثقيلة . عرف الكيميائيون منذ أمد بعيد إمكانية الحصول على معلومات مفيدة جداً عن العناصر الكيميائية من خلال ترتيبها في الجدول الدوري للعناصر (ميير Meyer ، مندليف Mendeleef) تبعاً لأوزانها الذرية . تبين فيما بعد أن الوزن الذري ليس هو الخصيصة charaterisitic التي يتم بها التمييز بين العناصر الكيميائية المختلفة ، والآن هناك امثلة كثيرة على أن ذرات العناصر بمختلف أوزانها الذرية تشير الى نفس العنصر (النظائر isotopes) وأن ذرات العناصر ذات الوزن الذري الواحد تشير لعناصر مختلفة (أيسوبارت (متكاتلات) isobars) . إن شحنة النواة وليست كتلتها هي التي تحدد فعلاً طبيعة الذرة كيميائيا ً ، فالعدد الذري atomic number (عدد الشحنة النووية) يحدد بنية الطبقات (القشرات) الإلكترونية electron إذ يبين عدد الإلكترونات الذي يجب أن تحتوي عليه الذرة المتعادلة ، وبواسطة القشرات الإلكترونية تتحدد الخواص الكيميائية للعنصر . تتكون الجزيئات الكيميائية من اتحاد ذرتين أو أكثر ، ومن خلال هذا الاتحاد تتعرض الحلقات الخارجية للقشرات الإلكترونية الى تحولات محددة ، بينما تظل النوى كما هي دون تغيير .

وهناك طرق شتى لتحديد قطر الذرة الذي يبلغ حوالي 0.1 ملي ميكرون لكل الذرات ، ولا يمكن وصفه بأعداد صحيحة كما في حالة الكتل ، ولأن الذرات ليست كرات ملساء محددة السطح تماماً بل هي كالسحاب حدودها غير واضحة المعالم ، لذا لا يمكن تحديد أقطارها بصورة تقريبية بواسطة البلورات حيث تكون الذرات متراصة ومتقاربة جداً من بعضها ، وكذلك يمكن إيجاد يبلغ قطرها نحو جزء واحد من مائة ألف جزء من قطر الذرة ، ولذلك تشغل القشرات الإلكترونية الذرة كلها تقريباً ، ولكن الإلكترون ليس بالضرورة أكبر من النواة ، كيف إذن رغم كل ذلك أن ذرة مثل ذرة الهيدروجين حيث تشمل (القشرة) إلكتروناً واحداً فقط ، يكون حجمها كلها (مشغولاً) بهذا الإلكترون ؟

تلك مسألة جديرة بدراسة من جديد .