مبادئ فيزيائية

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟

Bohr’s Atomic Theory

كان نيلز بور Niels Bohr فيزيائيًا دنماركيًا، ويعتبر أحد الآباء المؤسسين لميكانيكا الكم. كان رئيس لجنة الطاقة الذرية الدنماركية ورئيس معهد كوبنهاغن للعلوم الطبيعية النظرية، حصل على الدكتوراة في الفيزياء عام 1911، ثم سافر إلى كمبريدج حيث أكمل دراسته تحت إشراف العالم طومسون الذي اكتشف الإلكترون، وبعدها انتقل إلى مانشستر ليدرس على يد العالم إرنست رذرفورد مكتشف نواة الذرة، وسرعان ما اهتدى بور إلى نظريته عن بناء الذرة. ففي 1913  نشر بور بحثًا تحت عنوان: عن تكوين الذرة والجسيمات، ويعتبر هذا البحث من العلامات المميزة في علم الفيزياء. ما هو العمل الفذ غير العادي الذي أنجزه نيلز بور ليستحق هذا الشرف المرموق، وكذلك جائزة نوبل؟

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
نيلز بور

بكل بساطة، ألقى نيلز بور الضوء على التركيب الداخلي الغامض للذرة. على الرغم من أنه وصل إلى نموذجه ومبادئه بالتعاون مع مؤسس النواة الذرية، إرنست رذرفورد، إلا أن النموذج يُنسب إلى بور فقط. يُطلق عليه في الأصل نموذج رذرفورد-بور الذري، ويشار إليه الآن بشكل شائع باسم نموذج بور الذري.

لفهم نظرية بور، يجب علينا أولاً أن نفهم الاكتشافات التي سبقته، والتي عليها تمكن من متابعة وضع تصوره الثوري لنموذج الذرة.

اعلانات جوجل

نموذج رذرفورد Rutherford

كان السير طومسون الذي اكتشف لأول مرة أن الذرة غير قابلة للتجزئة، وهي فكرة استمرت صحيحة لعدة قرون. كما واكتشف أيضا ان جسيمات دون ذرية سالبة الشحنة، التي أطلق عليها الإلكترونات، وتصور الذرة حتى تكون متعادلة يجب ان يقابل الشحنات السالبة شحنة موجبة. من هنا توصل طومسون إلى تصور للذرة يشبه تماما البطيخ! حيث تكون البذور هي الالكترونات المغمورة في البطيخ موجب الشحنة. يُعرف النموذج باسم نموذج الكعكة. أنا متأكد من أن التشبيه واضح، كما في الصورة أدناه.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟

استمر هذا التصور صحيحًا حتى أظهر إرنست رذرفورد أنه عندما يتم إطلاق جسيمات موجبة (جسيمات الفا) على ذرة، يمر معظمها بشكل مستقيم، ولكن لوحظ أن القليل منها ينحرف بزاوية كبيرة. أدرك رذرفورد أن معظم الذرة كانت مملوءة بمساحة فارغة، ولكن في المركز كان هناك تركيز كثيف من شحنة موجبة. أطلق عليها اسم نواة الذرة. حجم الفضاء الفارغ بين إلكترونات الذرة ونواتها ضخم جدًا لدرجة أنه إذا تم توسيع الذرة إلى حجم ملعب كرة قدم، فإن نواتها ستكون بحجم الكرة فقط.

اقترح رذرفورد أن النظام الذري ربما كان مشابهًا لنظامنا الشمسي، حيث تدور الإلكترونات حول النواة مثل الكواكب التي تدور حول الشمس. كان الاختلاف الجوهري، بالطبع، أن الإلكترونات كانت مأسورة بالقوة الكهروستاتيكية، بدلاً من الجاذبية. ومع ذلك، اختلف ماكسويل وهيرتز معه بشدة!

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
نموذج الكواكب لرذرفورد.

لقد أثبتت قوانين ماكسويل للكهرومغناطيسية أن حركة الجسيم المشحون، مثل الإلكترون، تأتي على حساب طاقته، بمعنى ان دوران الإلكترون حول النواة سينتج عنه إشعاع كهرومغناطيسي، ويفقد طاقة دورانه تدريجيا. في الواقع، قدر الفيزيائيون أن الأمر سيستغرق 16 بيكو ثانية فقط للإلكترون لكي يشع كل طاقته وينهار في نواته. هذا هو واحد على تريليون من الثانية. استمرت هذه المعضلة مصاحبة لنموذج رزرفورد بدون اكتشاف نموذج ذري جديد من شأنه أن يفسر الاستقرار العميق للمادة.

طيف الهيدروجين

ومن الأمور الأخرى التي حيرت الفيزيائيين في ذلك الوقت إشعاع جسم بلانك الأسود و”طيف الانبعاث” المنبعث من الذرات المختلفة. للعلم، لقد وضع نيوتن كلمة “طيف” لأول مرة لوصف ألوان قوس قزح التي انبثقت من منشوره الضوئي.

وبالمثل، عندما يسخن الجسم، فإنه يشع طيفًا من الطاقة الكهرومغناطيسية. إذا قمت بحرق ساقا من الحديد باستخدام موقد اللحام، فستلاحظ أنه كلما زادت درجة حرارة الساق، سيتغير اللون تدريجيًا. أولاً، إنه أحمر، ثم برتقالي، ثم أبيض ناصع قبل أن ينحرف نحو البنفسجي.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
الطيف الكهرومغناطيسي.

وذلك لأن الطاقة الكهرومغناطيسية التي يشعها هذا الساق الحديدي أصبحت تقع في نطاق الضوء المرئي – الضوء الذي يمكن لأعيننا اكتشافه. إذا كنت ستقوم بتسخين الساق إلى 20000 كلفن، فإن الطاقة المشعة ستكون في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (UV). في الواقع، يشع كل كائن في الكون مثل هذا الطيف من الطاقة، بما في ذلك نحن البشر، ولكن نظرًا لأن درجة حرارة أجسامنا منخفضة جدًا، فإن الطاقة المنبعثة ضئيلة أيضًا، في مكان ما في نطاق ضوء الأشعة تحت الحمراء. إذا تمكنا من استخدام أجهزة استشعار للأشعة تحت الحمراء يمكننا من رؤية الأجسام في الظلام.

أطلق ماكس بلانك على هذه الظاهرة اسم إشعاع الجسم الأسود. إذا كنت سترسم شدة الحرارة مع الطول الموجي للضوء المشع، فستلاحظ ذروة في نطاق معين من الأطوال الموجية. تقع ذروة احتراق نواة الشمس عند 6000 كلفن جزئيًا في النطاق المرئي، بينما بالنسبة لنجم يحترق عند 20000 كلفن، فإنه يقع تمامًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، ولانفجار نجمي، مثل ولادة ثقب أسود، فإنه تقع في نطاق اشعة جاما.

اعلانات جوجل
كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
إشعاع الجسم الأسود

علاوة على ذلك، يصور الرسم البياني أنه مع انخفاض درجة حرارة الجسم، يزداد الطول الموجي للضوء الذي يشعه. على سبيل المثال، قد يكون الإشعاع الصادر عن الانفجار العظيم قد بدأ كأشعة جاما، ولكن عندما برد على مدى أكثر من 13 مليار سنة، امتدت أطوال الموجات إلى الموجات الدقيقة. إذا كنت سترسم هذه الموجات على خلفية سوداء، فستشاهد مزيجًا جميلًا ضبابيًا من الألوان – طيفًا مستمرًا.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
طيف مستمر

ومع ذلك، فإن الأثر الرئيسي لاكتشاف بلانك كان أن الطاقة المشعة تنتقل في حزم منفصلة، مثل الجسيمات الصلبة، والتي أطلق عليها أينشتاين لاحقًا الفوتونات. تتناسب طاقة الكم الواحد عكسًيا مع طول موجته أو تتناسب طرديًا مع تردده. مع ثابت التناسب الأساسي المسمى ثابت بلانك h، يمكن التعبير عن الطاقة E للتردد v على أنها E = hv.

الآن، إذا كنت ستقوم بتسخين غاز لعنصر ما ورسمت الألوان (الطيف) المنبعث منه على خلفية سوداء، ستلاحظ شيئًا مختلفا. لم يعد الطيف مزيجًا جميلًا أو مستمرًا من الألوان. بدلاً من ذلك، فهو يتألف من سلسلة من الخطوط المحددة أحادية اللون مفصولة بشكل متقطع تفصلها مساحة الخلفية السوداء. على سبيل المثال، ألقِ نظرة على طيف الهيدروجين المشهور.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
طيف الهيدروجين.

في الواقع، يكون لكل عنصر من العناصر الكيميائية المختلفة في الكون طيفه الفريد والمتقطع. بينما يقع طيف الهيدروجين في النطاق المرئي، تنتج بعض العناصر طيفًا يقع في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء. لهذا السبب، يعتبر طيف العنصر بصمة إصبع تميزه عن غيره من العناصر. تتيح لنا معرفتها دراسة تكوين النجوم وحتى ساعدت العلماء في اكتشاف عناصر جديدة!

بالنظر إلى طيف الهيدروجين، كان من الواضح أن ألوانًا معينة فقط ظهرت لأن ترددات معينة فقط هي الموجودة – تلك المرتبطة بهذه الألوان – بالنظر إلى ذلك بشيء من التفكير والتساؤل، لماذا تظهر الذرات هذا السلوك الغريب؟ ما التركيب الذري الذي من شأنه أن يقيدهم بشدة للتعبير عن أنفسهم بطيف منفصل ومتقطع؟ أدرك نيلز بور، في عام 1913، السبب أخيرًا.

نموذج بور الذري

تقدم بور خطوة إلى الأمام في نموذج النظام الشمسي لروذرفورد، مع إضافة أضاف تعديلًا صغيرًا. قام بتصحيح جانبها الفاشل من خلال اقتراح (لسبب لم يُعرف بعد) أن الإلكترونات تدور حول نواة في مدارات ثابتة أو محددة. وادعى أنه في هذه المدارات، لن تفقد الإلكترونات أي طاقة، وبالتالي ضمان عدم انهيارها في النواة.

أطلق بور على هذه المدارات المستقرة اسم “المدارات الثابتة”. وادعى أن المدارات لم تكن تقع بشكل عشوائي، بل كانت على مسافات منفصلة عن النواة في المركز، وأن كل منها مرتبط بطاقات ثابتة. مستوحى ذلك من نظرية بلانك، أشار إلى ترتيب المدارات بواسطة n، وأطلق عليها الرقم الكمي.

اعلانات جوجل
كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
مدار بور الثابت

على الرغم من أن هذه النظرية قد تكون بسيطة بعض الشيء، إلا أنها تنبأت بطيف الهيدروجين بشكل رائع. وفقًا لذلك، عندما يتم تسخين الغاز، تقفز إلكتروناته النشطة من مدار منخفض الطاقة إلى مدار ذي طاقة أعلى (في حالة الهيدروجين، من n = 1 إلى n = 2). ومع ذلك، لاستعادة الاستقرار، يجب عليهم القفز مرة أخرى إلى مدارات الطاقة المنخفضة. أثناء عودة الالكترون يفقد الإلكترون بعض طاقته، وهذه الطاقة هي التي تشع في شكل ضوء!

توفر الطبيعة المنفصلة للمدارات تفسيرًا موجزًا ​​للطبيعة المنفصلة للفوتونات. وجد بور أن طاقة الفوتون المنبعث تساوي فرق طاقات المستويين اللذين يقفز الإلكترون بينهما. على سبيل المثال، تشع الأشعة تحت الحمراء عندما يقوم الإلكترون بقفزة قصيرة، بينما تشع الأشعة فوق البنفسجية عندما تقوم بقفزة أكبر بكثير. يمكن التعبير عن هذه العلاقة ببساطة على أنها E2 – E1 = hv. على العكس من ذلك، يقفز الإلكترون إلى مدار أعلى عندما يمتص فوتونًا.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟
يتم تحرير الفوتون عندما يقفز الإلكترون من مدار أعلى إلى مدار منخفض.

يقتصر طيف الذرة على ألوان معينة لأن هيكلها المنظم يسمح لإلكتروناتها فقط بتحولات طاقة معينة – وبالتالي ترددات معينة من الضوء. الآن، إذا كانت ذرة الهيدروجين تحتوي فقط على إلكترون واحد، فلماذا يتكون طيفها من ألوان متعددة؟ حسنًا، هذا لأن الغاز يتكون من ملايين ومليارات من الذرات مع إلكترونات مثارة إلى مدارات مختلفة أعلى أو أقل من تلك القريبة.

لذلك، كان هذا نموذج بور – نموذج كوكبي حيث توجد الإلكترونات في مدارات نشطة بشكل منفصل. تشع الذرة فوتونًا عندما يقفز إلكترون مثار لأسفل من مدار أعلى إلى مدار منخفض. سيكون الفرق بين طاقات تلك المدارات مساويًا لطاقة الفوتون.

اعلانات جوجل

قصور نموذج بور

لسوء الحظ، يمكن لنموذج بور أن يشرح فقط سلوك نظام تدور فيه نقطتان مشحونتان حول بعضهما البعض. هذا يعني ذرة الهيدروجين على وجه الخصوص. كما تضمنت الهيليوم المتأين (يحتوي الهيليوم على إلكترونين، لذا فإن التأين سيصادر إلكترونًا واحدًا، تاركًا إلكترونًا واحدًا فقط) أو الليثيوم المزدوج المتأين (يحتوي الليثيوم على ثلاث إلكترونات). لم تستطع نظريته تفسير سلوك أي ذرة أخرى باستثناء الهيدروجين.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟

اعلانات جوجل

يمكن لنموذج بور أن يشرح سلوك النظام حيث تدور نقطتان مشحونتان حول بعضهما البعض. هذا يعني ذرة الهيدروجين على وجه الخصوص.

في النهاية، اكتشفنا لاحقا أن الإلكترونات لا تدور فقط حول النواة، بل تدور أيضًا حول محورها (الغزل). لم يستطع نموذج بور تفسير سبب عدم تسبب ذلك في فقدان الطاقة.

من المتوقع أن جزءًا من سبب قبول نظرية بور بسهولة هو أنها قدمت تنبؤات نظرية ناجحة لأطياف متعددة لم يتم ملاحظتها. ومع ذلك، فقد تم الإشادة به على نطاق واسع، حيث أحدث ثورة في الفيزياء الحديثة من خلال تمهيد الطريق لميكانيكا الكم الحديثة. في النهاية، أوضحت ميكانيكا الكم الحديثة تمامًا الطبيعة الحقيقية أغلفة الطاقة، وكيف ستعيش الإلكترونات في كل منها، بالإضافة إلى مشكلة دوران الالكترونات حول النواة وحول نفسها.

كيف تعمل نظرية بور الذرية؟

وفقًا لميكانيكا الكم، لا يمكن تحديد الموقع الدقيق للإلكترون في غلاف الطاقة (مستوى الطاقة في الأبعاد الثلاثة). بل هو أكثر احتمالا أن يوجد في غلاف الطاقة. في هذا الشكل الذي يمثل أول غلاف للطاقة (n=1) حيث تزداد كثافة اللون الأزرق تدريجياً مع تحركنا نحو المركز. يوضح أن من المرجح العثور على الإلكترون بالقرب من النواة.

ومع ذلك، من أجل بساطتها، لا تزال أفكار بور موجودة وتهيمن على فيزياء المدرسة الثانوية. تمتلئ الكتب المدرسية بدوائر متحدة المركز مليئة الإلكترونات المحيطة بالنواة، والتي تشبه السبحة. لمساهمته، استحق بور بالتأكيد … جائزة نوبل.

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى