إن حجر الزاوية في بناء النظرية الذرية الحديثة هو معرفة أن (نظام الزوجية) الذي يحكم عالم الأحياء، يمتد أيضاً ليشمل عالم الجماد، فكما يوجد في عالم الأحياء: ذكر وأنثى، أو موجب وسالب، فكذلك يوجد في عالم الجماد موجب وسالب. ولقد توصل العلماء في الغرب إلى هذه الحقيقة، بعد 25 قرناً ـ تقريباً ـ من الزمان بعد الأفكار النظرية والتأملات الفلسفية والدراسات والتجارب المعملية، وذلك بدءاً من منتصف القرن الخامس قبل الميلاد، حين عاش فيلسوفاً أغريقياً : ليوسيبس(Leucippus)، وديمقريطس(Democritus)، وحتى مطلع القرن العشرين الميلادي، حين استطاع العالم الإنكليزي رذرفورد (Rutherford) أن يصوغ النظرية الذرية الحديثة في عام 1911م. ويكفينا في هذا المقام أن نتتبع اكتشافات العلم الحديث لخواص الذرة، خلال القرنين الأخيرين اللذين سبقا وضع النظرية الذرية الحديثة، وذلك لكي ندرك القيمة العلمية لما جاء في المصادر الإسلامية متعلقاً بالذرة واستخداماتها.
صورة لديمقريطس صورة لرذرفورد صورة هايزنبرج
موجز لتاريخ الذرة في العلم الحديث:
يقول العالم الألماني الكبير هايزنبرج Heisenbergت(1)يمكن تلخيص حالة : " النظرية الذرية " كالآتي : كان معروفاً أنه يمكن اختزال العدد الكبير من المركبات الكيميائية إلى عدد صغير نسبياً من العناصر الكيميائية التي عرف منها عدد وافر... وكانت نسبة كتل الذرات (الوزن الذري) معلومة أيضاً بدقة لا بأس بها، فذرة الأوكسجين ـ مثلاً ـ أثقل من ذرة الأيدروجين ضعفاً، وذرة النيتروجين أثقل من ذرة الإيدروجين بأربعة عشر ضعفاً، ولكن كان لا يزال هناك بيانات كثيرة ناقصة.
ولقد ظلت الذرة، كما كان يؤمن بها ديمقريطس، في حجم ذرات الغبار المتراقصة في حزمة ضوئية أو أقل بكثير. وبالمثل، فلقد كانت المعلومات عن شكل الذرات والقوى الكيميائية للذرات باعتبارها الواحدات النهائية في بناء المادة، أو بمعنى آخر هي أصغر الوحدات التي تدخل في بناء المادة، أو بمعنى آخر هي أصغر الوحدات التي تدخل في الوسائل والعمليات الكيميائية، إلا أنه لم يكن أحد ليعلم ما إذا كان في الإمكان تجزئة هذه الذرات الكيميائية، أو تحويلها إلى بعضها البعض باستخدام طرق أخرى.
ولقد دخلت " النظرية الذرية " في عهد جديد عندما جمع فرادي (Faraday) بينها وبين " النظرية الكهربية ". وأتى بقدوم عام 1865م نصر جديد له أهمية لا تنكر، وهو تقدير لوشميدت (Losschmidt) لحجم الذرة لأول مرة، ولو أنه كان تقريبياً. وتمخضت السنوات التي ذلك عن خطوات تقدمية أخرى، في ميدان المعرفة الكهربائية، نتيجة لاكتشافات فراداي، أمراً محتماً، ولكنها عرفت أنها مصاحبة فقط لذرات العناصر الكيميائية وليست طليقة. ثم اكتشف هيتورف (Hittorrf) ذرات الكهربية الطليقة غير المرتبطة بذرات المادة العادية من أشعة " الكاثور" التي ظهرت نتيجة للتفرغ الكهربي في الغازات شديدة الخلخل (في عام 1869م). وتسمى ذرات الكهربية الطليقة هذه " الإلكترونات "، وهي تسمية كان ستوني (Stoney)، أول من اقتراحها.
لقد تطور تدريجياً ذلك الرأي الذي يقول: إن الإلكترون قد يدخل في تركيب المادة بشكل مباشر أو بآخر خلال السنوات التي تلت ذلك.وكانت هناك حقيقة تدعو إلى العجب، وهي أن الكهربية السالبة يمكن مشاهدتها فقد في حالة طليقة، كالكترونات، في حين أن الكهربية الموجبة كانت تظهر دائماً مقترنة بذرات المادة. وقد دلت هذه الحقيقة المستمدة من التجربة على أن الذرة تحوي الكترونات سالبة كأجزاء داخلة في تركيبها. وعلى ذلك، فالكهربية السالبة الطليقة لا تظهر إلا عندما ينتزع إلكترون من الذرة. ولكن كان من المستحيل ـ قبل خمسين سنة ـ الوصول إلى فكرة واضحة عن هذه الظاهرة، فأوزان الذرات كانت معروفة على وجه التقريب، وكذلك كانت الأحجام التي تشغلها. وكان من المعروف، أيضاً، أن للذرات خصائص كهربية، وأنها تحوي إلكترونا واحداً، أو إلكترونين.
وفي الحقيقة، فإن ما عرف عن تركيب الذرة كان قليلاً، أو حتى معدوماً، أما " شكلها " فلم يكن ـ حتى التساؤل عنه ـ أمراً ممكناً!! .. لقد
تأخر حل هذه المشكلة إلى القرن العشرين الميلادي الذي نقترب الآن من الحديث عنه في عرضنا التاريخي للنظرية الذرية.. فلم يكن معروفاً حتى وقت قريب غير الإلكترونات السالبة الشحنة فقط، لأن الإلكترونات الموجبة الشحنة (البوزيترونات) لم يتم اكتشافها إلا في العقد الثالث من القرن العشرين.
لقد وجد بعد إعلان ظاهرة " النشاط الإشعاعي" بقليل (في عام 1896م) أن هناك أشعة من أنواع مختلفة تنبعث من المواد المشعة. ويطلق على هذه الأشعة اسم : أشعة ألفا، وأشعة بيتا، وأشعة جاما. ولقد أدت الدراسة المستفيضة لأشعة ألفا إلى معرفة أنها تتكون من جسيمات سريعة الحركة، تحمل كل منها وحدتي كم أوليتين من الكهربية الموجبة، وكتلتها تساوي كتلة ذرة الهيليوم(ذات الوزن الذي 4). وتحمل كل من الجسيمات التي تكون إشعاع بيتا وحدة كم أولية واحدة فقط من الكهربية السالبة، وكتلتها تساوي كتلة الإلكترون. أما أشعة جاما، فهي أشعة موجبة.
وكان لينارد(Lenard) قد بحث قبل ذلك التاريخ ـ مرور الإلكترونات السريعة خلال المادة، واكتشف أنها قادرة على النفاذ خلال طبقات منها، ذات سمك يفوق المعتاد، ومن ثم توصل أن الحيز الذي تشغله الذرة غالباً ما يكون فارغاً.
ويعتبر رذرفورد هو الذي اتخذ الخطوة المهمة التي أدت إلى تركيب أول نموذج للذرة، كالتالي: (تتركب الذرة من نواة ذات شحنة موجبة، وتتوازن الشحنة الموجبة للنواة بشحنة الإلكترونات (السالبة) التي تظل " أسيرة " نتيجة لقوى الجذب التي تبذلها النواة. وتدور هذه الإلكترونات حول النواة على مسافات بعيدة نسبياً، وتشكل هذه الإلكترونات التركيب الذري الخارجي للنواة.
كما أن عدد الإلكترونات يجب أن يساوي عدد الشحنات الأولية الموجبة الموجودة على النواة (البروتونات)، إذ أن الذرة متعادلة كهربياً في مجموعها[2]. وبهذا يقرر رذرفورد أن نموذج بناء الذرة يماثل نموذج النظام الشمسي المعروف في علم الفلك .
ويستطيع الآن تلخيص الفقرات السابقة، بنفس الألفاظ تقريباً، في النقاط التالية:
1) ظلت الذرة، حتى مطلع القرن التاسع عشر الميلادي، كما كان يؤمن بها ديمقريطس : ذات حجم يقترب من حجم ذرات الغبار المتراقصة في حزمة ضوئية، أو أقل بكثير.
2) تم اكتشاف ذرات الكهربية الطليقة، التي سميت " إلكترونات " ثم تطور الرأي الذي يقول إن الإلكترونات قد تدخل في تركيب المادة. ثم دلت التجربة على أن الذرة تحوي إلكترونات سالبة كأجزاء داخلية في تركيبها.
3) أكدت التجارب أن انحرافات جسيمات ألفا الموجبة لابد أن تحدثها قوى كهربية ناتجة عن شحنة موجبة على الجزء المركزي للذرة، حيث يحدث التنافر طبقاً، لقانون كولوم.
4) حتى مطلع القرن العشرين الميلادي لم يكن التساؤل عن شكل الذرة ممكناً.
وخلاصة القول: بعد اكتشاف الجزء السالب في الذرة، ثم الجزء الموجب منها، تمكن العلم من تقرير حقيقة بناء الذرة باعتبارها عالماً يماثل النظام الشمس.
نماذج لتركيب الذرات :
ذرة الإيدروجين : تتكون النواة من برتون واحد (لا يوجد بها نيوترونات) ويدور حولها إلكترون واحد. ويقع هذا المدار في مستوى الطاقة الأول، أو في " السماء الأولى" الأقرب إلى النواة. والوزن الذري للإيدروجين = 1.008 (منسوباً إلى وزن ذرة الإوكسجين، باعتبارها تساوي 16 وحدة وزن ذري)، والعدد الذري للإيدروجين =1.
ذرة الهيليوم : تتكون النواة من 2 بروتون، 2نيوترون، ويسبح حولها 2 إلكترون في مستوى الطاقة الأول، أو في " السماء الأولى" . والوزن الذري =4.003 ، والعدد الذري =2.
ذرة الليثيوم: تتكون النواة من 3 برتون، 4نيوترون، ويسبح حولها 3 إلكترون: اثنان في " السماء الأولى" وواحد في " السماء الثانية" ، والوزن الذري =6.939، والعددي الذري =3.
ذرة اليورانيوم: تتكون النواة من :92 بروتون ، 146 نيوترون، ويسبح حولها 92 إلكترون، موزعة في مستويات الطاقة، أو في " سماوات الذرة" ، كالآتي : 2إلكترون في " السماء الأولى" 8 ـ 18ـ 32ـ21ـ إلكترونات في " السموات" الثانية والثالثة والرابعة والخامسة والسادسة، على الترتيب.
الخاصية الثنائية للجسيمات الذرية:
يدخل في بناء الذرة ثلاثة جسيمات، هي : البروتون(Proton)، والنيوترون(Neutron)، والإلكترون(Electron). على أن هناك عدد آخر من الجسيمات الذرية، تظهر في الطبيعة وفي التفاعلات النووية، نذكر منها : البوزيترون(Positron)، والفوتون(Photon)، والنيوترينو (Neutrino)، والأنتي نيوترينو (Antineutrino)، والميزون (Meson)..
إننا لا نستطيع النظر إلى هذه الجسيمات الذرية على أنها جسيمات ذات كتلة جامدة، لكنها في الحقيقة جسيمات تصطحب أمواجاً، أي أن لها خاصية ثنائية تستطيع بواسطتها أن ترينا نفسها، في بعض الحالات: في صورة جسيمات، وفي حالات أخرى: في صورة أمواج.
وبناء على هذا، يعتبر الإلكترون داخل الذرة أشبه بسحابة، أو يمثل تركيزاً محلياً لطاقة، وهو يتعرض باستمرار لعمليات تكوين ثم تحلل في المستويات الفرعية المضطربة.. ويمكن أن نتصور بأن الإلكترون لا يتحرك، ككائن موجود دائماً، ولكنه يتكون دورياً نتيجة لتركيز طاقة المجال في الأغلفة حول النواة. وإذا اعتبرنا الصورة الجسمية للإلكترون، فإننا نستطيع الكلام عن " النموذج الشمسي " والذي يتكون من نواة مركزية تسبح حولها إلكترونات.
أما إذا اعتبرنا الصورتين معاً ـ الجسيمية والموجبة ـ فإنه يمكن وصف الذرة هندسياً بأنها نواة تسوّرها أفلاك. وتلك هي صورة (النظام الشمسي) في الكون الذي نحن عالم منه.
