رذرفورد
قام العالم رذرفورد في العام 1911 بعمل تجربة عملية لاختبار نموذج تومسون للذرة، علمكاً بأن رذرفور هو أحد طلبة العالم تومسون. حصل العالم رذرفورد على جائزة نوبل في الكيمياء في العام 1908 وذلك لتجاربه على اضمحلال العناصر المشعة وهذا ما جعل جائزة نوبل التي حصل عليها في الكيمياء، وكانت التجربة التي استخدمها لاختبار نموذج تومسون للذرة هو بدراسة تشتت جسيمات ألفا عندما تصطدم بشريحة من الذهب، ولقد علم رذرفور أن جسيمات ألفا هي أنوية ذرة الهيليوم ++He أي ان ذرة هيليوم متأين بمعنى انه فقد الكتروناته. يمكن الحصول على جسيمات ألفا من العديد من العناصر المشعة
تجربة تشتت جسيمات الفا
نرى الفكرة الرئيسية من ترتيب تجربة قياس تشتت جسيمات ألفا والتي تتكون من مصدر لجسيمات ألفا Alpha particle source تنطلق من عنصر مشع يتم تجحديد حزمة منها من خلال لوحي التوجيه Diaphragm. تسقط جسيمات ألفا على شكل حزمة متوازية على شريحة رقيقة من الذهب بحيث تستطيع جسميات الفا النفاذ منها، وهنا فإن سرعة جسيمات الفا سوف تقل بشكل صغبر وكذلك عند اسطدامها بذرات شريحة الذهب وتتعرض إلى حيود تحت تأثير القوى الكهربية قوى كولوم نتيجة لاقترابها من الشحنة الموجبة والسالبة للذرة علماً بأن جسيمات ألفا ذات شحنة موجبة. وحيث ان حيود جسيمات الفا عند نفاذها من الشريحة المعدنية يعتمد على على مسارها بالنسبة للذرات الشريحة فإن الحيود النهائي بعد النفاذ من الشريحة المعدنية سيكون مختلف لكل جسيم من جسيمات الفا. وعليه يكون فإن الحزمة المتوازية من جسيمات الفا ستنفذ كحزمة مشتتة
قياس تشتت جسيمات الفا
تعتمد التجربة على دراسة التوزيع الزاوي لتشتت جسيمات الفا من خلال استخدام كاشف Detector من مادة بلورية هي ZnS الذي يعطي وميض ضوئي كلما استطدم به جسيم الفا وبتثبيت الكاشف على زاوية محددة يمكن رصد عدد جسيمات الفا التي تشتت عند زاوية محصورة بين Q والزاوية Q+dQ لكل وحدة زمن بالنسبة لزاوية موضع الكاشف بالنسبة لمحور التجربة.
بناء على نموذج تومسون فإن الإلكترونات لها كتلة صغيرة بالمقارنة بجسيمات الفا ولهذا فإن حيود جسيمات الفا يكون صغير جداً من الألكترونات وكذلك لأن الشحنة الموجبة موزعة على حجم الذرة في مدى نصف قطره 10-10m ولهذا فإن ذرة تومسون لا يمكن توفر قوة كهربية (قوة كولوم) لتعطي تشتت بزواية كبيرة ويمكن حساب مقدار الزاوية التي يمكن ان تقوم بها ذرة تومسون بتشتيت جسيم الفا
نموذج رزرفورد Rutherford's Model
بعد ان قام رزرفورد بتجربة تشتت جسيمات الفا على ذرة نموذج تومسون وتبين ان نموذج تومسون غير صحيح ولم ينجح في تفسير تشتت جسيمات الفا، وضع رزرفورد نموذجاً جديد للذرة وهو ان الشحنة الموجبة مركزة في حيز أقل سماه النواة nucleus نصف قطره 10-14m حتى يفسر التشتت الكبير الذي رصده في تجربته وأن الشحة السالبة موزعة حول النواة وتدور في مدارات شبيه بحركة الكواكب حول الشمس وسمي هذا النموذج بـ Planetary Model
قام رزرفورد بعمل حسابات دقيقة على التوزيع الزاوي angular distribution المتوقع لتشتت جسيمات الفا بناءً على نموذجه المفترض، وكانت هذه الحسابات بنيت على الافتراضات التالية:
(1) ان التشتت ناتج فقط عن الشحنة الموجبة وهذا يعنى ان التشتت يعود إلى قوة التنافر الكهربي بين شحنة النواة وشحنة جسيمات الفا.
(2) ان النواة لاتتحرك ولا ترتد عند اصطدام جسيمات الفا بها وذلك لان كتلتها اكبر بكثير من كتلة جسيمات الفا.
(3) لا يمكن لجسيمات الفا ان تخترق النواة.
يوضح الشكل التالي تشتت جسيم الفا ذو شحنة موجبة ze وكتلة M تقترب في مسارها من نواة عنصر شحنته Ze. موقع جسيم الفا بالنسبة للنواة يحدد بالاحداثيات القطبية polar coordinate التي مركزها النواة بـ r,j، المسافة العمودية بين محور النواة ومسار جسيم الفا b يسمى impact parameter، زاوية التشتت q هي الزاوية المحصورة بين محور النواة ومسار جسيم الفا بعد التشتت
يجاد نصف قطر النواة
بعد نجاح نموذج رزرفورد وخصوصا تمكن رزرفورد من ايجاد نصف قطر النواة عملياً معتمداً على حساب اقرب مسافة تصادم D وهي distance of closest approch حيث ان المعادلة (*) قد افترضت ان نواة العنصر لا ترتد عند اصطدام جسيمات الفا بها وهذا لا يكون صحيح في حالة ذرات العناصر الخفيفة حيث ان بزيادة طاقة جسيمات الفا تصبح القيم العملية لتشتت جسيمات الفا عند زاوية محددة لا يتفق مع الحسابات المعتمدة على المعادلة (*) ومن الشكل التالي نلاحظ عند مسافات كبيرة تكون النسبة بين القيم العملية إلى القيم النظرية مساوية للوحدة وهذا يشير إلى انها متفقة وعند مسافة تصل إلى 10-14m تحيد النسبة عن الوحدة حيث تصبح القيم العملية اقل من القيم النظرية وهذا يشير إلى ان النواة ترتد مما يؤدي إلى اختلاف النتائج العملية عن الحسابات النظرية مما نستنتج أن جسيمات الفا اقتربت اكثر ما يمكن لجدار النواة.
مشكلة واجهت نموذج رذرفورد
من نتائج النظرية الكلاسكية فإن الإلكترون في مداره حول النواة سوف يطلق شعاع كهرومغناطيسي بصورة متصلة لأنه يتحرك في مسار دائري وهذا يعني انه يفقد طاقة باستمرار مما يؤدي إلى ان يكون المدار حلزوني كما في الشكل المقابل وفي النهاية سيؤول الالكترون إلى النواة وتتلاشى الذرة مما يتعارض مع كون الذرة مستقرة.
كما لم ينجح نموذج رزرفورد في تفسير طيف ذرة الهيدروجين
قام العالم رذرفورد في العام 1911 بعمل تجربة عملية لاختبار نموذج تومسون للذرة، علمكاً بأن رذرفور هو أحد طلبة العالم تومسون. حصل العالم رذرفورد على جائزة نوبل في الكيمياء في العام 1908 وذلك لتجاربه على اضمحلال العناصر المشعة وهذا ما جعل جائزة نوبل التي حصل عليها في الكيمياء، وكانت التجربة التي استخدمها لاختبار نموذج تومسون للذرة هو بدراسة تشتت جسيمات ألفا عندما تصطدم بشريحة من الذهب، ولقد علم رذرفور أن جسيمات ألفا هي أنوية ذرة الهيليوم ++He أي ان ذرة هيليوم متأين بمعنى انه فقد الكتروناته. يمكن الحصول على جسيمات ألفا من العديد من العناصر المشعة
تجربة تشتت جسيمات الفا
نرى الفكرة الرئيسية من ترتيب تجربة قياس تشتت جسيمات ألفا والتي تتكون من مصدر لجسيمات ألفا Alpha particle source تنطلق من عنصر مشع يتم تجحديد حزمة منها من خلال لوحي التوجيه Diaphragm. تسقط جسيمات ألفا على شكل حزمة متوازية على شريحة رقيقة من الذهب بحيث تستطيع جسميات الفا النفاذ منها، وهنا فإن سرعة جسيمات الفا سوف تقل بشكل صغبر وكذلك عند اسطدامها بذرات شريحة الذهب وتتعرض إلى حيود تحت تأثير القوى الكهربية قوى كولوم نتيجة لاقترابها من الشحنة الموجبة والسالبة للذرة علماً بأن جسيمات ألفا ذات شحنة موجبة. وحيث ان حيود جسيمات الفا عند نفاذها من الشريحة المعدنية يعتمد على على مسارها بالنسبة للذرات الشريحة فإن الحيود النهائي بعد النفاذ من الشريحة المعدنية سيكون مختلف لكل جسيم من جسيمات الفا. وعليه يكون فإن الحزمة المتوازية من جسيمات الفا ستنفذ كحزمة مشتتة
قياس تشتت جسيمات الفا
تعتمد التجربة على دراسة التوزيع الزاوي لتشتت جسيمات الفا من خلال استخدام كاشف Detector من مادة بلورية هي ZnS الذي يعطي وميض ضوئي كلما استطدم به جسيم الفا وبتثبيت الكاشف على زاوية محددة يمكن رصد عدد جسيمات الفا التي تشتت عند زاوية محصورة بين Q والزاوية Q+dQ لكل وحدة زمن بالنسبة لزاوية موضع الكاشف بالنسبة لمحور التجربة.
بناء على نموذج تومسون فإن الإلكترونات لها كتلة صغيرة بالمقارنة بجسيمات الفا ولهذا فإن حيود جسيمات الفا يكون صغير جداً من الألكترونات وكذلك لأن الشحنة الموجبة موزعة على حجم الذرة في مدى نصف قطره 10-10m ولهذا فإن ذرة تومسون لا يمكن توفر قوة كهربية (قوة كولوم) لتعطي تشتت بزواية كبيرة ويمكن حساب مقدار الزاوية التي يمكن ان تقوم بها ذرة تومسون بتشتيت جسيم الفا
نموذج رزرفورد Rutherford's Model
بعد ان قام رزرفورد بتجربة تشتت جسيمات الفا على ذرة نموذج تومسون وتبين ان نموذج تومسون غير صحيح ولم ينجح في تفسير تشتت جسيمات الفا، وضع رزرفورد نموذجاً جديد للذرة وهو ان الشحنة الموجبة مركزة في حيز أقل سماه النواة nucleus نصف قطره 10-14m حتى يفسر التشتت الكبير الذي رصده في تجربته وأن الشحة السالبة موزعة حول النواة وتدور في مدارات شبيه بحركة الكواكب حول الشمس وسمي هذا النموذج بـ Planetary Model
قام رزرفورد بعمل حسابات دقيقة على التوزيع الزاوي angular distribution المتوقع لتشتت جسيمات الفا بناءً على نموذجه المفترض، وكانت هذه الحسابات بنيت على الافتراضات التالية:
(1) ان التشتت ناتج فقط عن الشحنة الموجبة وهذا يعنى ان التشتت يعود إلى قوة التنافر الكهربي بين شحنة النواة وشحنة جسيمات الفا.
(2) ان النواة لاتتحرك ولا ترتد عند اصطدام جسيمات الفا بها وذلك لان كتلتها اكبر بكثير من كتلة جسيمات الفا.
(3) لا يمكن لجسيمات الفا ان تخترق النواة.
يوضح الشكل التالي تشتت جسيم الفا ذو شحنة موجبة ze وكتلة M تقترب في مسارها من نواة عنصر شحنته Ze. موقع جسيم الفا بالنسبة للنواة يحدد بالاحداثيات القطبية polar coordinate التي مركزها النواة بـ r,j، المسافة العمودية بين محور النواة ومسار جسيم الفا b يسمى impact parameter، زاوية التشتت q هي الزاوية المحصورة بين محور النواة ومسار جسيم الفا بعد التشتت
يجاد نصف قطر النواة
بعد نجاح نموذج رزرفورد وخصوصا تمكن رزرفورد من ايجاد نصف قطر النواة عملياً معتمداً على حساب اقرب مسافة تصادم D وهي distance of closest approch حيث ان المعادلة (*) قد افترضت ان نواة العنصر لا ترتد عند اصطدام جسيمات الفا بها وهذا لا يكون صحيح في حالة ذرات العناصر الخفيفة حيث ان بزيادة طاقة جسيمات الفا تصبح القيم العملية لتشتت جسيمات الفا عند زاوية محددة لا يتفق مع الحسابات المعتمدة على المعادلة (*) ومن الشكل التالي نلاحظ عند مسافات كبيرة تكون النسبة بين القيم العملية إلى القيم النظرية مساوية للوحدة وهذا يشير إلى انها متفقة وعند مسافة تصل إلى 10-14m تحيد النسبة عن الوحدة حيث تصبح القيم العملية اقل من القيم النظرية وهذا يشير إلى ان النواة ترتد مما يؤدي إلى اختلاف النتائج العملية عن الحسابات النظرية مما نستنتج أن جسيمات الفا اقتربت اكثر ما يمكن لجدار النواة.
مشكلة واجهت نموذج رذرفورد
من نتائج النظرية الكلاسكية فإن الإلكترون في مداره حول النواة سوف يطلق شعاع كهرومغناطيسي بصورة متصلة لأنه يتحرك في مسار دائري وهذا يعني انه يفقد طاقة باستمرار مما يؤدي إلى ان يكون المدار حلزوني كما في الشكل المقابل وفي النهاية سيؤول الالكترون إلى النواة وتتلاشى الذرة مما يتعارض مع كون الذرة مستقرة.
كما لم ينجح نموذج رزرفورد في تفسير طيف ذرة الهيدروجين
