ما هي تجربة رقائق الذهب؟ وأوضح تجارب جيجر-مارسدن

• J.J. نموذج طومسون للذرة
• تجارب رقائق الذهب
• نموذج رذرفورد للذرة؟
• النموذج الذري الحقيقي
• مصادر إضافية
• قائمة المراجع

تجربة جيجر-مارسدن تسمى أيضًا الذهب تجربة احباط أو تجارب نثر الجسيمات ألفا ، تشير إلى سلسلة من تجارب أوائل القرن العشرين التي أعطت الفيزيائيين وجهة نظرهم الأولى عن بنية النواة الذرية والفيزياء الكامنة وراء العالم اليومي. تم اقتراحه لأول مرة من قبل الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل إرنست رذرفورد.

كما هي مألوفة لنا الآن مثل مصطلحات مثل الإلكترون والبروتون والنيوترون ، في أوائل القرن العشرين ، كان لدى العلماء القليل جدًا من مفهوم الجسيمات الأساسية التي تتكون منها الذرات .

في الواقع ، حتى عام 1897 ، اعتقد العلماء أن الذرات ليس لها بنية داخلية واعتقدوا أنها وحدة مادة غير قابلة للتجزئة. حتى التسمية "atom" تعطي هذا الانطباع ، بالنظر إلى أنها مشتقة من الكلمة اليونانية "atomos" ، والتي تعني "غير قابل للتجزئة".

ج. نموذج طومسون للذرة

لكن في ذلك العام ، اكتشف الفيزيائي في جامعة كامبريدج جوزيف جون طومسون الإلكترون ودحض مفهوم أن الذرة غير قابلة للتقسيم ، وفقًا لـ بريتانيكا (يفتح في علامة تبويب جديدة). وجد طومسون أن المعادن تنبعث منها جزيئات سالبة الشحنة عند إضاءتها بضوء عالي التردد.

اقترح اكتشافه للإلكترونات أيضًا وجود المزيد من العناصر في التركيب الذري. ذلك لأن المادة عادة ما تكون متعادلة كهربائيًا ؛ لذلك إذا كانت الذرات تحتوي على جسيمات سالبة الشحنة ، فيجب أن تحتوي أيضًا على مصدر لشحنة موجبة مكافئة لموازنة الشحنة السالبة.

بحلول عام 1904 ، طومسون (يفتح في علامة تبويب جديدة) اقترح "نموذج حلوى البرقوق" للذرة حيث تشتمل الذرة على عدد من الإلكترونات سالبة الشحنة في كرة ذات شحنة موجبة موحدة ، موزعة مثل العنب البري في كعكة.

ومع ذلك ، كان للنموذج أوجه قصور خطيرة - في المقام الأول الطبيعة الغامضة لهذا المجال المشحون إيجابيا. كان أحد العلماء المتشككين في هذا النموذج من الذرات هو رذرفورد ، الذي فاز بجائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافه في عام 1899 شكلاً من أشكال الاضمحلال الإشعاعي عبر جسيمات ألفا - بروتونان ونيوترونان مرتبطان معًا ومماثلان لـ الهليوم -4 نواة ، حتى لو لم يعرف الباحثون في ذلك الوقت.

شكّل اكتشاف رذرفورد الحائز على جائزة نوبل لجسيمات ألفا أساس تجربة رقائق الذهب ، التي ألقت بظلال من الشك على نموذج حلوى البرقوق. ستفحص تجربته التركيب الذري بجسيمات ألفا عالية السرعة المنبعثة من مصدر مشع. في البداية سلم تحقيقه إلى اثنين من رفاقه ، إرنست مارسدن وهانس جيجر ، وفقًا لبريتانيكا (يفتح في علامة تبويب جديدة).

استنتج رذرفورد أنه إذا كان نموذج بودنغ البرقوق الخاص بطومسون صحيحًا ، فعندما يصطدم جسيم ألفا برقائق رقيقة من الذهب ، يجب أن يمر الجسيم مع أصغر الانحرافات فقط. وذلك لأن جسيمات الفا أكبر بمقدار 7000 مرة من الإلكترونات التي يُفترض أنها تتكون من باطن الذرة.

تجارب رقائق الذهب

أجرى مارسدن وجيجر التجارب بشكل أساسي في المختبرات الفيزيائية بجامعة مانشستر في المملكة المتحدة بين عامي 1908 و 1913.

استخدم الثنائي مصدرًا مشعًا لجسيمات ألفا التي تواجه صفيحة رقيقة من الذهب أو بلاتين محاطة بشاشات فلورية تتوهج عند اصطدامها بالجسيمات المنحرفة ، مما يسمح للعلماء بقياس زاوية الانحراف.

حسب فريق البحث أنه إذا كان نموذج طومسون صحيحًا ، فيجب أن يحدث أقصى انحراف عندما يقوم جسيم ألفا برعي ذرة واجهها ، وبالتالي يواجه أقصى قوة كهروستاتيكية عرضية. حتى في هذه الحالة ، توقع نموذج حلوى البرقوق زاوية انحراف قصوى تبلغ 0.06 درجة فقط.

بالطبع ، سيظل جسيم ألفا الذي يمر عبر رقاقة ذهبية رفيعة للغاية يواجه حوالي 1000 ذرة ، وبالتالي ستكون انحرافاتها عشوائية في الأساس. حتى مع هذا التشتت العشوائي ، فإن الحد الأقصى لزاوية الانكسار إذا كان نموذج طومسون صحيحًا سيكون أكثر بقليل من نصف درجة. كانت فرصة انعكاس جسيم ألفا مرة أخرى 1 فقط من 10 ^ 1000 (1 متبوعًا بألف صفر).

ومع ذلك ، عندما أجرى جيجر ومارسدن تجربتهما التي تحمل اسمًا ، وجدا أنه في حوالي 2٪ من الحالات ، خضع جسيم ألفا لانحرافات كبيرة. والأمر الأكثر إثارة للصدمة هو أن حوالي 1 من 10000 جسيم ألفا انعكست مباشرة من الرقاقة الذهبية.

أوضح رذرفورد كيف كانت هذه النتيجة غير عادية ، وشبهها بإطلاق قذيفة مقاس 15 بوصة (38 سنتيمترًا) (قذيفة) على ورقة مناديل ورقية ثم ارتدتها إليك ، وفقًا لبريتانيكا (يفتح في علامة تبويب جديدة)

نموذج رذرفورد للذرة؟

على الرغم من أنها كانت غير عادية ، إلا أن نتائج تجارب جيجر-مارسدن لم تسبب على الفور ضجة كبيرة في مجتمع الفيزياء. في البداية ، لم يتم ملاحظة البيانات أو حتى تجاهلها ، وفقًا للكتاب (يفتح في علامة تبويب جديدة) "فيزياء الكم:مقدمة" بقلم J. Manners.

كان للنتائج تأثير عميق على رذرفورد ، مع ذلك ، الذي شرع في عام 1910 في تحديد نموذج للبنية الذرية التي من شأنها أن تحل محل نموذج بودنغ البرقوق لتومسون ، كما كتب مانرز في كتابه.

اقترح نموذج رذرفورد للذرة ، الذي طُرح عام 1911 ، نواة ، حيث تركزت غالبية كتلة الجسيم ، وفقًا لبريتانيكا . كانت الإلكترونات تحيط بهذا اللب المركزي الصغير ، والمسافة التي تدور حولها تحدد حجم الذرة. اقترح النموذج أن معظم الذرة كانت مساحة فارغة.

عندما يقترب جسيم α في حدود 10 ^ -13 مترًا من النواة المدمجة لنموذج رذرفورد الذري ، فإنه يواجه قوة طاردة أقوى بمليون مرة تقريبًا مما قد يحدث في نموذج حلوى البرقوق. هذا ما يفسر التشتت ذو الزاوية الكبيرة الذي شوهد في تجارب جيجر-مارسدن.

كانت تجارب جيجر-مارسدن اللاحقة مفيدة أيضًا ؛ اختبارات 1913 (يفتح في علامة تبويب جديدة) ساعد في تحديد الحدود العليا لحجم النواة الذرية. كشفت هذه التجارب أن زاوية تشتت جسيم ألفا كانت متناسبة مع مربع شحنة النواة الذرية ، أو Z ، وفقًا للكتاب (يفتح في علامة تبويب جديدة) "فيزياء المادة الكمية" ، نُشر عام 2000 وحرره آلان دورانت.

في عام 1920 ، استخدم James Chadwick إعدادًا تجريبيًا مشابهًا لتحديد قيمة Z لعدد من المعادن. قام الفيزيائي البريطاني باكتشاف النيوترون في عام 1932 ، وحدده كجسيم منفصل عن البروتون ، على حد قول الجمعية الفيزيائية الأمريكية (يفتح في علامة تبويب جديدة).

ما الذي فعله نموذج رذرفورد بالصواب والخطأ؟

ومع ذلك ، فقد شارك نموذج رذرفورد في مشكلة حرجة مع نموذج حلوى البرقوق السابق للذرة:يجب أن تصدر الإلكترونات التي تدور في المدار في كلا النموذجين طاقة كهرومغناطيسية بشكل مستمر ، مما قد يتسبب في فقدها للطاقة وفي النهاية تدور حول النواة. في الواقع ، من المفترض أن تستمر الإلكترونات في نموذج رذرفورد أقل من 10 ^ -5 ثوانٍ.

مشكلة أخرى قدمها نموذج رذرفورد هي أنه لا يأخذ في الحسبان أحجام الذرات.

على الرغم من هذه الإخفاقات ، فإن نموذج رذرفورد المشتق من تجارب جيجر-مارسدن سيصبح مصدر إلهام لـ نيلز بور النموذج الذري لـ الهيدروجين ، والتي حصل عليها جائزة نوبل في الفيزياء .

وحد بور نموذج رذرفورد الذري مع نظريات الكم لماكس بلانك لتحديد أن الإلكترونات في الذرة يمكنها فقط أن تأخذ قيم طاقة منفصلة ، وبالتالي شرح سبب بقائها مستقرة حول النواة ما لم تنبعث أو تمتص فوتونًا أو جسيمًا خفيفًا.

وهكذا ، ساعد عمل رذرفورد وجيجر (الذي اشتهر لاحقًا باختراعه لكاشف الإشعاع) ومارسدن في تشكيل أسس كل من ميكانيكا الكم وفيزياء الجسيمات.

تم تكييف فكرة رذرفورد عن إطلاق حزمة على هدف مع مسرعات الجسيمات خلال القرن العشرين. ربما يكون المثال النهائي لهذا النوع من التجارب هو مصادم الهادرونات الكبير بالقرب من جنيف ، والذي يسرع حزم الجسيمات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء ويضربها معًا.

موارد إضافية

• شاهد إعادة بناء حديثة لتجربة رقائق الذهب من Geiger-Marsden التي أجرتها BackstageScience (يفتح في علامة تبويب جديدة) و شرحه عالم فيزياء الجسيمات بروس كينيدي (يفتح في علامة تبويب جديدة).
• اكتشف المزيد حول نموذج بوهر (يفتح في علامة تبويب جديدة) للذرة التي ستحل في النهاية محل نموذج رذرفورد الذري.
• اشتهر هانز جيجر ، أحد رعايا رذرفورد ، باختراع كاشف إشعاعي ، عداد جيجر. SciShow يشرح كيفية عملها (يفتح في علامة تبويب جديدة).

ببليوغرافيا

نموذج طومسون الذري (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، كيمياء اللومن لغير التخصصات.

نموذج رذرفورد ، بريتانيكا ، https://www.britannica.com/science/Rutherford-model

جسيم ألفا ، الولايات المتحدة NRC ، https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/alpha-particle.html

أخلاق. J. وآخرون ، فيزياء الكم:مقدمة ، الجامعة المفتوحة ، 2008.

دورانت ، إيه ، وآخرون ، فيزياء الكم للمادة ، الجامعة المفتوحة ، 2008

إرنست رذرفورد ، بريتانيكا ، https://www.britannica.com/biography/Ernest-Rutherford

نيلز بور ، جائزة نوبل ، https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1922/bohr/facts/

منزل. J. E. ، "أصول نظرية الكم" ، أساسيات ميكانيكا الكم (الإصدار الثالث) ، 2018