المراحل التاريخية لاكتشاف الذرة والنموذج الذري الحديث

مدخل إلى علم الذرة
الذرة في عصر النهضة
تجارب ومشاهدات
قوانين النسب الوزنية
• قانون حفظ المادة
• قانون النسب الثابتة

اهتم الإنسان منذ القدم بتركيب المادة وبالتركيب الدقيق للمواد المختلفة التي شاهدها الإنسان من حوله، وقد كان هذا الموضوع محط اهتمام عدد كبير من الفلاسفة ، وقد اقترح فيلسوف مثل أرسطو أن المواد من حولنا تتركب إما من الماء أو الهواء أو النار أو التراب، وفي عصر النهضة الأوربية تم اقتراح عدد من النظريات التي تفسر تركيب المادة وأعقب ذلك اكتشاف قوانين الكتل النسبية، كما اقترحت عدد من النماذج للتدليل العناصر الكيميائية التي استطاع العلماء اكتشافها، البحث القصير التالي للأستاذ محمد أحمد أبو سرحان يتناول فيه هذه المحطات الهامة في تاريخ الذرة.

مدخل إلى علم الذرة

كان فلاسفة اليونان القدماء يتناقشون فيما بينهم حول طبيعة المادة, فكانوا يتساءلون عما ينتهي إليه تقسيم المادة , هل يمكن مواصلة التقسيم إلى ما لا نهاية؟. أم أن هناك حد تنتهي عنده إمكانية التقسيم ؟

كان صاحب هذه التساؤل الفيلسوف لوسيب سنة 445 قبل الميلاد، وجاء بعده تلميذه ديموقريطس Democritus و قال: أن كل شيء مصنوع من جزيئات صغيرة, فهي تتجمع مع بعضها البعض بطرق مختلفة لتشكل مواد مختلفة.

وأن الجزيئات بحد ذاتها لا يمكن أن تتغير ولا يمكن تقسيمها إلى أجزاء اصغر.وأطلق عليها اسم الذرات Atoms أي الذي لا يمكن تقسيمه. :Atomosمن الكلمة اليونانية

و من قوله في هذا الموضوع: ( نقول عن الشيء حلو أو مر, أو نقول حار أو بارد, ونصف لونه, والحقيقة أن كل هذا لا يتعدى كونه ذرات في الخلاء) وأيضا ( أن هذه الذرات لا يمكن أن يعتريها الفناء)

ومن تعاليم ديموقريطس : انه لا يوجد شيء سوى الذرات والفراغ ( الخلاء) vacuum , وما عداهما فهو محض الخيال.

وتعد هذه الذرات التي تفوق الحصر كمكونات أوليه لا متغيره ولا تفنى, أساس كل ما يوجد ويحدث في الطبيعة.

وللذرات المستقلة صور هندسية ثابتة وحركات متغيره من جراء ما تتعرض له من ضغوط و تصادمات مع بعضها البعض.

وفي ظل كل المتغيرات في بنية الطبيعة, تظل الذرات ثابتة محتفظة بكيانها, لا شيء يصدر عن لا شيء ولا فناء لما هو موجود, التغير مجرد اتحاد وانفصال بين الأجزاء وما اختلاف الأشياء جميعها إلا لتنوع ذراتها عددا ومقدارا وبنية وترتيبا.

ولما كانت حركات كل ذره على حده خاضعة لقانون طبيعي وضوابطه فليس هناك شيء اختياري ( تحكمي) arbitrary يحدث في الطبيعة كلها, ولا شيء يحدث مصادفه accidentally, ولكن لكل شيء عله وضرورة, ولا تستطيع حواسنا المتواضعة إدراك هذه العناصر elementsمن حيث طبيعتها وصورها , ولكنها فقط تحس بتأثيرها على نحو غامض( فقط في الخيال حيث الحلاوة والمرارة والحرارة والبرودة والألوان, أما في الحقيقة فليس هناك سوى الذرات والفراغ) وهذه شهادة بارزه على( تنصيل (decoloration العالم, أي التأكيد على أن جميع المشاهدات الحسية المباشرة ما هي إلا وهم ( خداع) وأن معرفة الحالة الحقيقية للأشياء لا بد أن تؤدي بنا إلى وصف لا يشتمل إلا على الصورة الهندسية و الحركة الميكانيكية للذرات.

وتقدم هذه الصورة الفكرية عن الفلسفة المادية إمكان اعتبار كل حوادث الطبيعة على أنها نتائج للانتظام ( الاطراد) الصارم.

لم يتمكن ديموقريطس من إثبات ذلك بسبب عدم اعتماد أفكاره على الوقائع .

هناك من أحيا تعاليم ديموقريطس منهم: ابيقوروس Epicurus من خلال سلوكه في الحياة إذ كان ذا اتجاه عقلاني rationalistic.

وكذلك الشاعر والفيلسوف الروماني الكبير لوكريتس Lucretius فقد شرح باستفاضة أفكار الاطراد الذري لكل مجالات الطبيعة من خلال قصيدته التعليمية العظيمة (عن طبيعة الأشياء) وعرف علماء الغرب تعاليمه في إطار الدراسات الإنسانية في أبان عصر النهضة مثل جاسندي Gassendi الذي قام بإدخال الفلسفة اليونانية في العلوم الغربية. وكذلك كان ديكارت Descartes من مؤيدي ديموقريطس. أما الذين خالفوا ديموقريطس منهم بطليموس وارسطوا الذي اعتبر أن الطبيعة تتكون من أربعة عناصر هي الماء والهواء والنار والتراب
وعلى هذا الأساس فان كل مادة من المواد تنجم عن اتحاد إحدى هذه العناصر مع عنصر آخر أو أكثر. وبسبب هذا المفهوم الخاطئ أقام سدا منعيا يحول دون فهم الإنسان لطبيعة المادة واحدث ضررا للإنسانية لا يمكن تقديره. اخذ الفلاسفة بتعاليم أرسطو وضاعة نظرية ديموقريطس في هاوية النسيان خلال عصور عديدة والنتيجة كانت تأخير التقدم العلمي بما يزيد على 10 قرون اخذ الناس فيها بنظريته محاولين تحويل معادن مثل النحاس والرصاص إلى الذهب والفضة من خلال إضافة إحدى العناصر الأربعة أو أكثر بنسب مختلفة وعكفوا على الأفران ولكنهم لم يفوزوا بذرة واحدة من الذهب .

الذرة في عصر النهضة

استطاع العالم فرنسيس بيكون العودة إلى نظرية ديموقريطس (1561-1626) بعد أن عمل على إقصاء تعاليم أرسطو وانتزاعها من العلم وكان له الفضل في وضع القواعد المنطقية التي وضعها للتجريب واستفاد منها المجربين أبرزهم روبرت بويل Robert Boyle (1627-1691) فقد كان يهتم بالمضخات فدرس عمليات الضخ واخذ يقيس تغير حجم الغاز تحت قيم مختلفة للضغط بثبوت درجة الحرارة
P1v1=P2v2

واستنتج أن الغازات تتصرف وكأنها مؤلفة من جسيمات صغيرة جدا يفصل بينها الخلاء (ذرات) و أن هذه الجسيمات في حالة اضطراب دائم.

ومن ثم جاء العالم اسحاق نيوتن Isaac Newton (1643-1727) ووضع أسس الميكانيكا الكلاسيكية ليدعم ما قاله واستنتجه Boyle واعتبر نيوتن أن الغازات مكونة من ذرات وعزا لها بعض القوى أو الخواص التي تؤثر بفضلها في بعضها بعضا.

وهكذا لم يكد القرن السابع عشر ينتهي حتى كانت نظرية ديموقريطس الذرية قد بعثت من جديد ودعمت من قبل اكبر فيلسوف في ذلك العهد وهو بيكون , ومن قبل اكبر عالمين مجربين هما بويل ونيوتن.

تجارب ومشاهدات

أثارت مشاهدات تتعلق بسلوك المواد كثيرا من التساؤلات عن تكوين هذه المواد فبعض هذه المشاهدات أتت نتيجة مراقبة أحداث شائعة , وبعضها نتيجة تجارب مصممة استخدمت فيها الأدوات والقياسات , كالتجارب التي كان يجريها علماء مثل : Boyle (1662) ,J.Priestly (1733-1804) جوزيف بريستلي , A. L. De Lavoisier (1743-1794). والدارس الذي تتولد عنده تساؤلات يسعى الى وضع تفسير لها مما قد يؤدي الى ظهور نظرية أو قانون .

وقد لاحظ بويل من تجاربه على الغازات ان حجم الغاز المحصور ينقص بزيادة الضغط الواقع عليه ويزداد الحجم بنقصان الضغط الواقع عليه، وقد استنتج أن الغازات يتكون من دقائق صغيرة بينها فراغات ,تقل هذه الفراغات و تقترب هذه الدقائق من بعضها بزيادة الضغط الواقع عليها.

كما لاحظ لافوازييه أن النقصان في كتل المواد عند تسخينها مساو لكتل الغازات التي تنطلق منها ، وقد استنتج أن المادة لا تفنى ولا تخلق من عدم.

كما أثارت ظاهرة الاحتراق، جدلا واسعا بين العلماء والمجربين في ذلك الوقت إلى أن جاء الكيميائي (جوهان بيتشر)J. J. Becher (1635-1682) وأدخل عنصر جديد أسمه الفلوجستون (phlogiston ) إلى العناصر الأربعة الخاصة بأرسطو, والفلوجستون كلمة إغريقية تعني (الاشتعال أو اللهب) وهو عنصر غريب جدا إذ ليس له لون ولا رائحة ولا طعم, يوجد في بعض المواد ويخلو من بعضها الآخر, إن هذا العنصر كاف لتفسير معظم ظواهر الكيميائية , كالأكسدة والاشتعال والتحلل , ذلك أن أي مادة تشتعل لابد وان تحتوي عنصر الاشتعال – أي الفلجستون , فإذا ما اشتعلت بالفعل أدى ذلك إلى فقدان هذا العنصر و انطلاقه في الهواء مخلفا وراءه مادة ذا خواص مختلفة .
كان صاحب هذا التفسير (جورج ستال) G. E. Stal (1660-1734) الذي أيد نظرية الفلوجستون , لم يستطع ستال أن يحصل على الفلوجستن كمادة حتى انه اعتقد أن الفحم هو الفلوجستن , أثناء ذلك كان العالم بريستلي قد قام بعدة تجارب فسرها وفقا للفلوجستن إلا انه اكتشف الأكسجين ومثله العالم كافنديش الذي اكتشف الهيدروجين وبين انه إذا مزج مع الهواء وأحدثت شرارة كهربائية في المزيج حصل الماء.

وهكذا لم يتقدم مفهوم الذرة في القرن 18 حتى جاء لافوازييه، واجرى تجاربه مستخدما ميزان حساس، مما ادى الى انهيار مفهوم الفوجستن.

واتضح للافوازييه، انه عند إشعال أو تحميض بعض الفلزات المعينة أو المواد الأخرى في الهواء فان الكتلة الناتجة تزيد في وزنها الكلي عن وزن الفلز الأصلي نفسه . ولم تتماش هذه الحقيقة مع نظرية الفلوجستن ! واثبت أن العناصر لا تحلل بل تتحد بعناصر أخرى لتكون المركبات. وبين من خلال تجاربه أن ليس للفلوجستن أي دور.

كل هذه التجارب أدت إلى وضع قوانين سميت بقوانين الاتحاد الكيميائي.

قوانين النسب الوزنية

1- قانون حفظ المادة {Law of conservation mass}
وضع هذا القانون لافوازييه نتيجة أبحاثه في أكسدة الزئبق فقد لاحظ انه عندما يسخن الزئبق بتماس الهواء فانه يتغير لونه ليصبح احمر ترابيا كما انه يزداد وزنه لكن في أثناء ذلك يكون قد نقص وزن الهواء الذي سخن هذا الزئبق فيه .

وقد عكس هذه التجربة عن طريق تسخينه الشديد ليعود إلى لونه الأصلي واسترجاع الغاز الذي وزنه يساوي تماما وزن نقصان الهواء الذي كان الزئبق قد سخن فيه التجربة الماضية.
كتلة المواد المتفاعلة = كتلة المواد الناتجة

2- قانون النسب الثابتة {Law of constant proportions}
وضع هذا القانون بروست وينص إلى أن كل مركب كيميائي مهما اختلفت تحضيره أو الحصول عليه , ومهما تباعدت أماكن وجوده , إنما يتركب من عناصره ذاتها , متحدة مع بعضها البعض بنسب مختلفة كتلية ثابتة لا تتغير . فلكي نركب الماء مثلا من عنصريه وهما الهيدروجين والأكسجين فلا بد لنا دوما من كمية من الأكسجين اكبر وزنا بثمانية مرات من وزن الهدروجين وتولد ( ونقول ألان انه ينبغي 16 غراما من الأكسجين لتتحد مع غراميين من الهدروجين وتولد 18 من الماء ) وتبقى هذه النسبة ثابتة دوما في جميع انواع الماء .

عبرت هذه القوانين ( قوانين الاتحاد الكيميائي ) عن حقائق وعلاقات صحيحة بنيت على نتائج تجارب ومشاهدات ملموسة , والتوصل إلى مثل هذه العلاقات يمثل خطوة مهمة من خطوات العمل العلمي التي جاءت نتيجة للمشاهدات وجمع المعلومات , لم ينقص هذه القوانين سوى نظرية منهجية تحتويها وتفسرها , وهو العمل الذي اضطلع به العالم ( جون دالتون ) .

j. Dalton (1766-1844) الذي أدرك القوة المثيرة للتصور الذري وقدرته على أرشاد البحث الفيزيائي مستقبلا , واليه يعود الفضل في استخدام فكرة الذرات لفهم الاطرادات الأساسية في علم الكيمياء الذي يضع حدودا فاصلة دقيقة بين المخلوطات والمركبات لمختلف المواد الكيميائية .

وضع دالتون الافتراضات التالية عام (1808):

1. تتكون المادة من دقائق غير قابلة للانقسام تسمى ذرات .
2. ذرات العنصر الواحد لها الصفات نفسها , كالحجم والشكل والكتلة , وتختلف في هذه الصفات عن ذرات أي عنصر آخر , وكل عنصر يحدد بواسطة وزن ذرته .
3. يتم الاتحاد الكيميائي بواسطة اتحاد الذرات بنسب عددية بسيطة .

A+B =AB

على فرض أن A,B هي ذرة عناصر مختلفة

وقد عين دالتون النسب الوزنيه لبعض العناصر والمركبات بالنسبة لوزن الهيدروجين ( الذي اتخذه واحدا ) , كما ابتكر مجموعة من الرموز ليمثل بها النظرية الذرية والتركيب الكيميائي . من هذه الرموز
ومن خلال تأمله لنسب اتحاد العناصر في المركبات المتعددة , وجد دالتون إثباتا لنظريته , فالماء يتكون باتحاد ثمانية أجزاء وزنيه من الأكسجين بجزء واحد من الهيدروجين , وإذا كان هناك فائض في أي العنصرين – فانه يتبقى .

ثم في حالة إذا ما اتحد عنصران بأكثر من نسبة واحدة ليكونا مركبين مختلفين – كما في حالة الكربون والأكسجين حين يتحدا ليكونا أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون – فان اتحادهما يكون بنسبة عددية بسيطة , أي واحد إلى واحد أو واحد إلى اثنين مثلا . وإذا كانت كمية الأكسجين وسطا , فان الناتج يكون مزيجا من المركبين . وقد توصل دالتون من هذه العلاقة المنتظمة إلى ما عرف بقانون النسب المضاعفة Law of multiple proportion , والذي ينص إذا اتحد عنصران وكونا أكثر من مركب واحد , فان النسبة بين الكتل المختلفة من احد العنصرين التي تتحد مع كتلة ثابتة من العنصر الآخر تكون نسبة عددية بسيطة . والذي يعد القانون الثالث من قوانين الاتحاد الكيميائي , قد تطلب الأمر ما يقارب نصف قرن لتوضيح نظرية دالتون الأساسية , فقد احتدم الجدل بين الكيميائيين بخصوص الأوزان النسبية المضبوطة لمختلف الذرات , والتي بدونها لا يمكن وصف المركبات وصفا دقيقا ولا اكتشاف عدد الذرات اللازمة لتكون مركب ما . ففي عام 1809 وضع العالم (جوزيف لويس جاي- لوساك) J. L. Gay Lussac(1850-1778)، قانون اتحاد الغازات بالحجم . المعروف باسمه والذي ينص تتحد الغازات مع بعضها البعض بنسبة الأعداد الصحيحة , وعادة تكون أعدادا صحيحة صغيرة, بين لوساك في مذكراته أن مختلف الغازات عندما تتحد مع بعضها تكون النسبة بين حجموها نسبا بسيطة . مثلا : يتحد حجمين من الهيدروجين مع حجم من الأكسجين, فيتقلص الحجم بمقدار حجم واحد من الماء (كبخار) . وتتحد ثلاثة حجوم من الهيدروجين مع حجم من الازوت فتؤلف حجم من غاز النشادر . أدى هذا القانون إلى ارتباك كبير في البحث العلمي , إذ أن كثيرين لم يدركوا أن لوساك يتحدث عن أجزاء بالحجم , بينما يتحدث دالتون عن أجزاء بالوزن . أجرى جاي لوساك تجارب عدة على اتحاد الغازات وقام بإعادة حسابات النتائج المنشورة من قبل, وقد لاحظ وجود نسبة عددية بسيطة من أعداد صحيحة بين حجوم الغازات. وقد اكتشف جاي لوساك في إحدى تجاربه العويصة أن حجما واحدا من النيتروجين يتحد مع حجم واحد من الأكسجين ليتكون حجما من اكسيد النيتريك, وظل الحجم الكلي كما هو لم يتغير.

وحتى ندرك مدى صعوبة هذه المشكلة فلنستعرض الأفكار الآتية.

أدت أفكار دالتون عن التنافر المتبادل بين الذرات من نوع واحد إلى الاعتقاد بان الذرات إما أن تتحد بنوع آخر وإما أن تظل مفردة, بمعنى أن الذرات المتشابه من العنصر نفسه لا تكون أزواجا مع بعضها البعض.

لم يكن لوساك ذا تفكير فلسفي , بخلاف دالتون الذي أدرك على الفور النتيجة المحتومة لهذا القانون . إذا قلنا أن حجما من الهيدروجين يتحد مع حجم من الكلور ويولد حجمين من كلور الماء , فذلك كقولنا أن ذرة من الهيدروجين وذرة من الكلور تؤلفان ذرتين من حمض كلور الماء .

كان دالتون قد أبدى الاعتراض واستنتج أن لوساك مخطئ .

لقد كان هذا الاختلاف الظاهري بين قانون جاي لوساك ونظرية دالتون , ذلك أن دالتون لم يكن يفرق بين الذرات والجزيئات.

إلى أن جاء العالم اماديو افوجادرو A. Avogadro (1856-1776), الذي كان قد نشر في عام 1811 بحث ينص على (أن الحجوم المتساوية من كل الغازات تحتوي على عدد متساو من الجزيئات تحت الظروف نفسها من الضغط ودرجة الحرارة), والذي عرف فيما بعد بمبدأ افوجادرو, هذا المبدأ الذي وقف بين نظرية دالتون وقانون جاي لوساك, وعن طريق تعريفه لكل من الذرات والجزيئات والتفريق بينهما استطاع حل المعضلة السابقة, التي تقول انه إذا كان عدد الذرات متساويا في حجوم متساوية, فان حجم واحد من غاز الكلور وحجم واحد من غاز الهيدروجين لا يمكن أن يعطي أكثر من حجم واحد من غاز كلوريد الهيدروجين لا المركب (كلوريد الهيدروجين), يحوي على ذرة كلور وذرة هيدروجين, ولكن في تجربة جاي لوساك انه قد تشكل حجمين من كلوريد الهيدروجين. اوجد افوجادرو تفسيرا لهذا التناقض عندما ادخل مفهوم الجزيء في الحقيقة التالية “جزيئات العناصر الغازية قد تتكون من أكثر من ذرة واحدة, أو بصورة عامة فان جزيئة العنصر الغازي قد تتكون من ذرتين أي جزيئة ثنائية الذرة”.

وخلص إلى أن نتائج لوساك تفترض أن الأحجام المتساوية من الغازات المختلفة تحتوي على نفس العدد من الذرات ( أو على أعداد ترتبط بنسب بسيطة ) . وبدا بتعريف الذرات والجزيئات وبين أن العناصر الغازية لا تتكون من ذرات منفردة , بل من جزيئات لهذه العناصر , وان كل جزئ يتكون من عدد معين من الذرات .