جاري تحميل ... electrokarim77

إعلان الرئيسية

close

أخبار ساخنة

إعلان في أعلي التدوينة

close
الالكترونيككهرباء صناعية

مما تتكون الذرة Atom؟ و كل ما تريد معرفته حول الذرة Atom

 

من الجبال إلى النجوم والبشر ، كل ما نراه من حولنا مصنوع من ذرات صغيرة.  هذه هي الطريقة التي نعرف بها أنهم هناك




مما تتكون الذرة Atom؟



Atoms صغيرون.  حقا ، حقا صغيرة.  ربما تكون قد سمعت أن المادة تتكون من حزم من هذه الأشياء الصغيرة.  من المحتمل أيضًا أن تعلم أنه لا يمكنك رؤيتها بالعين المجردة.  قيل لنا أن نثق في فكرة أن الذرات موجودة وتتفاعل مع بعضها البعض وتشكل لبنات بناء لعالمنا.

 لكن بالنسبة لمعظم الناس ، هذا ليس جيدًا بما يكفي.  يفتخر العلم بالطريقة التي يستخدم بها الملاحظات الحقيقية لحل ألغاز الكون - فكيف توصلنا إلى استنتاج وجود الذرات ، وماذا تعلمنا عن هذه الهياكل الصغيرة؟


 قد يبدو الأمر كما لو أن هناك طريقة بسيطة لإثبات وجود الذرات: ضعها تحت المجهر.  لكن هذا النهج لن ينجح.  في الواقع ، حتى أقوى المجاهر التي تركز على الضوء لا يمكنها تصور الذرات المفردة.  ما يجعل الكائن مرئيًا هو الطريقة التي يحرف بها موجات الضوء المرئية.  الذرات أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء المرئي بحيث لا يتفاعل الاثنان بالفعل.  بعبارة أخرى ، الذرات غير مرئية للضوء نفسه.  ومع ذلك ، فإن الذرات لها تأثيرات ملحوظة على بعض الأشياء التي يمكننا رؤيتها.

 
قبل مئات السنين في عام 1785 ، كان العالم الهولندي يان إنجنهاوس يدرس ظاهرة غريبة لم يستطع فهمها تمامًا.  كانت جسيمات دقيقة من غبار الفحم تتطاير على سطح بعض الكحول في مختبره.


حتى أقوى المجاهر التي تركز على الضوء لا يمكنها تصور الذرات المفردة single Atoms


بعد حوالي 50 عامًا ، في عام 1827 ، وصف عالم النبات الاسكتلندي روبرت براون شيئًا مشابهًا بشكل غريب.  لقد تم تدريب مجهره على بعض حبوب اللقاح.  لاحظ براون أن بعض الحبوب أطلقت جزيئات صغيرة - والتي ستبتعد بعد ذلك عن حبوب اللقاح في رقصة عشوائية متوترة.

 في البداية ، تساءل براون عما إذا كانت الجسيمات نوعًا ما من الكائنات الحية غير المعروفة.  كرر التجربة مع مواد أخرى مثل غبار الصخور ، الذي كان يعلم أنه لم يكن على قيد الحياة ، ورأى نفس الحركة الغريبة مرة أخرى.

 سيستغرق العلم قرنًا آخر تقريبًا لتقديم تفسير.  جاء أينشتاين وطور معادلة رياضية من شأنها أن تتنبأ بهذا النوع المعين من الحركة - التي كانت تسمى آنذاك الحركة البراونية ، بعد روبرت براون.

 كانت نظرية أينشتاين أن جزيئات حبوب اللقاح كانت تتحرك لأنها كانت تصطدم باستمرار بملايين جزيئات الماء الأصغر - الجزيئات التي تتكون من الذرات Atoms.


قد يكون مفاجئًا أن الذرات يمكن أن تتحلل - خاصة وأن كلمة "atomos" تعني "غير قابلة للتجزئة"


يوضح هاري كليف من جامعة كامبريدج ، "إنه يشرح حركة الاهتزاز التي تراها ناتجة في الواقع عن تأثير جزيئات الماء الفردية على جزيئات الغبار أو أيًا كان ما لديك على سائلك".  أيضا أمين متحف العلوم في لندن.

 بحلول عام 1908 ، أكدت الملاحظات المدعومة بالحسابات أن الذرات كانت حقيقية.  في غضون عقد تقريبًا ، سيتمكن علماء الفيزياء من المضي قدمًا.  من خلال تفكيك الذرات الفردية بدأوا في التعرف على بنيتها الداخلية.

 قد يكون مفاجئًا أن الذرات يمكن أن تتحلل - خاصة وأن اسم الذرة نفسه مشتق من المصطلح اليوناني "atomos" ، والذي يعني "غير قابل للتجزئة".  لكن علماء الفيزياء يعرفون الآن أن الذرات ليست كرات صغيرة صلبة.  من الأفضل اعتبارها أنظمة "كوكبية" كهربائية صغيرة.  تتكون عادة من ثلاثة أجزاء رئيسية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.  فكر في البروتونات والنيوترونات على أنها تشكل معًا "الشمس" ، أو النواة ، في مركز النظام.  تدور الإلكترونات حول هذه النواة ، مثل الكواكب.

 إذا كانت الذرات صغيرة بشكل مستحيل ، فإن هذه الجسيمات دون الذرية تكون أكثر من ذلك.  ومن المضحك أن الجسيم الأول الذي تم اكتشافه كان في الواقع أصغر الجسيمات الثلاثة - الإلكترون.

 للحصول على فكرة عن اختلاف الحجم هنا ، يبلغ حجم البروتونات في النواة حوالي 1830 ضعف حجم الإلكترونات.  تخيل قطعة رخامية صغيرة تدور حول منطاد هواء ساخن - وهذا هو نوع التناقض الذي نتحدث عنه هنا.


إنه أحد مسرعات الجسيمات الأولى بطريقة ما


لكن كيف نعرف أن هذه الجسيمات موجودة؟  الإجابة هي أنه ، على الرغم من صغر حجمها ، يمكن أن يكون لها تأثير كبير.  استخدم الفيزيائي البريطاني الذي اكتشف الإلكترونات ، JJ Thomson ، طريقة لافتة للنظر بشكل خاص لإثبات وجودها في عام 1897.

 كان يسمى جهازه الخاص بأنبوب كروكس - قطعة زجاجية مضحكة الشكل تمتص منها آلة كل الهواء تقريبًا.  بعد ذلك ، تم تطبيق شحنة كهربائية سالبة على أحد طرفي الأنبوب.  كانت هذه الشحنة كافية لتجريد جزيئات الغاز المتبقية في أنبوب بعض إلكتروناتها.  تكون الإلكترونات سالبة الشحنة ، لذا فقد طارت أسفل الأنبوب باتجاه الطرف الآخر.  بفضل الفراغ الجزئي ، تمكنت تلك الإلكترونات من المرور عبر الأنبوب دون أن تعترض أي ذرات كبيرة طريقها.

 جعلت الشحنة الكهربائية الإلكترونات تتحرك بسرعة كبيرة بالفعل - حوالي 37000 ميل في الثانية (59500 كيلومتر في الثانية) - حتى اصطدمت بالزجاج في النهاية البعيدة ، مما أدى إلى اصطدام المزيد من الإلكترونات المرتبطة بالذرات هناك.  بشكل مثير للدهشة ، أدت الاصطدامات بين هذه الجسيمات الدقيقة المحيرة للعقل إلى توليد الكثير من الطاقة التي خلقت توهجًا أخضر-أصفر رائع.

 يقول كليف: "إنه أحد مسرعات الجسيمات الأولى بطريقة ما".  "إنها تسرع الإلكترونات من أحد طرفي الأنبوب إلى الطرف الآخر وتضرب الشاشة في الطرف الآخر وتعطي هذا التوهج الفسفوري."



اقترح اكتشاف الإلكترون أن هناك المزيد لنتعلمه عن الذرات Atoms


نظرًا لأن طومسون وجد أنه يمكنه في الواقع توجيه حزم الإلكترونات بالمغناطيس والمجالات الكهربائية ، فقد أدرك أنها ليست مجرد أشعة ضوئية غريبة - يجب أن تكون جسيمات مشحونة.

 وإذا كنت تتساءل كيف يمكن لهذه الإلكترونات أن تطير بشكل مستقل عن ذراتها ، فذلك بسبب عملية تسمى التأين ، حيث - في هذه الحالة - تغير الشحنة الكهربائية بنية الذرة عن طريق دفع تلك الإلكترونات بعيدًا في الفضاء المحيط بها.

 في الواقع ، يرجع السبب في ذلك إلى سهولة التعامل مع الإلكترونات وتحريكها حول الدوائر الكهربائية.  تنتقل الإلكترونات الموجودة في الأسلاك النحاسية في حركة تشبه حركة القطار من ذرة نحاس إلى الأخرى - وهي التي تنقل الشحنة عبر السلك إلى الطرف الآخر.  وتجدر الإشارة مرة أخرى إلى أن الذرات ليست قطعًا صلبة صغيرة من المادة ، ولكنها أنظمة يمكن تعديلها أو تخضع لتغييرات هيكلية.

 لكن اكتشاف الإلكترون يشير إلى أن هناك المزيد لنتعلمه عن الذرات.  كشف عمل طومسون أن الإلكترونات سالبة الشحنة - لكنه كان يعلم أن الذرات نفسها ليس لديها شحنة إجمالية.  لقد اعتقد أنها يجب أن تحتوي على جسيمات غامضة موجبة الشحنة لإلغاء الإلكترونات سالبة الشحنة.




لقد أثبت وجود نواة كثيفة داخل الذرة Atom


حددت التجارب في بداية القرن العشرين تلك الجسيمات موجبة الشحنة وفي الوقت نفسه كشفت عن البنية الداخلية للذرة مثل النظام الشمسي.

 أخذ إرنست رذرفورد وزملاؤه رقائق معدنية رقيقة جدًا ووضعوها تحت شعاع من الإشعاع الموجب الشحنة - تيار من الجسيمات الصغيرة.  انتقل معظم الإشعاع القوي من خلاله ، تمامًا كما اعتقد رذرفورد ، نظرًا لمدى رقة الرقاقة.  لكن من المدهش أن بعضًا منها ارتد مرة أخرى.

 استنتج رذرفورد أن الذرات الموجودة في الرقاقة المعدنية يجب أن تحتوي على مناطق صغيرة كثيفة ذات شحنة موجبة - لا شيء آخر لديه القدرة على عكس الإشعاع إلى هذه الدرجة القوية.  لقد وجد الشحنات الموجبة في الذرة - وأثبت في نفس الوقت أنها متجمعة معًا في كتلة ضيقة بطريقة ليست بها الإلكترونات.  بعبارة أخرى ، أظهر وجود نواة كثيفة داخل الذرة.



في الثلاثينيات من القرن الماضي ، اكتشفنا الكثير عن الذرات Atoms، لكن لم ينتج أحد صورة مباشرة للذرات



قبل بضع سنوات ، كان فيزيائيون آخرون يختبرون الإشعاع.  أطلقوا إشعاعات موجبة الشحنة - نفس النوع الذي استخدمه رذرفورد لاكتشاف النواة - في ذرات البريليوم.  أطلق البريليوم إشعاعًا من تلقاء نفسه: إشعاع لم يكن موجبًا ولا سالبًا ، ويمكن أن يخترق المواد بعيدًا.

 بحلول هذا الوقت ، كان آخرون قد توصلوا بالفعل إلى أن إشعاع جاما كان محايدًا ونفاذًا بعمق ، لذلك افترض الفيزيائيون أن هذا هو ما تطلقه ذرات البريليوم.  لكن تشادويك لم يقتنع.

 أنتج بعض الإشعاع الجديد بنفسه ووجهه إلى مادة كان يعرف أنها غنية بالبروتونات.  بشكل غير متوقع ، تم دفع البروتونات في الهواء بعيدًا عن المادة كما لو كانت قد اصطدمت بجسيمات لها نفس الكتلة - مثل كرات السنوكر التي ضربتها كرات السنوكر الأخرى.

 لا يمكن لإشعاع جاما أن يحرف البروتونات بهذه الطريقة ، لذا أدرك تشادويك أن الجسيمات المعنية هنا يجب أن يكون لها نفس كتلة البروتون لكنها تفتقر إلى شحنتها الكهربائية: كانت نيوترونات.

 تم اكتشاف كل الأجزاء الرئيسية للذرة ، لكن القصة لا تتوقف عند هذا الحد.


يمكنك حتى معرفة شكل الذرات عن طريق النقر عليها



على الرغم من أننا اكتشفنا الكثير عن الذرات أكثر مما كان لدينا من قبل ، إلا أنه لا يزال من الصعب تصورها.  وبالعودة إلى الثلاثينيات من القرن الماضي ، لم ينتج أحد صورة مباشرة لأحد - وهو ما يرغب الكثير من الناس في رؤيته من أجل قبول حقيقة وجودهم هناك.

 الأهم من ذلك ، أن التقنيات التي استخدمها علماء مثل طومسون ، رذرفورد وتشادويك ، من شأنها أن تمهد الطريق لمعدات جديدة من شأنها أن تساعدنا في النهاية في إنتاج تلك الصور.  أثبتت حزم الإلكترونات التي ولدها طومسون في تجربته على أنبوب كروكس أنها مفيدة بشكل خاص.

 اليوم ، يتم إنشاء حزم مماثلة بواسطة المجاهر الإلكترونية ، ويمكن لأقوى هذه المجاهر في الواقع إنشاء صور للذرات الفردية.  هذا لأن شعاع الإلكترون يمكن أن يكون له طول موجي أقصر بآلاف المرات من شعاع الضوء - قصير جدًا ، في الواقع ، يمكن أن تنحرف موجات الإلكترون بواسطة ذرات صغيرة لتوليد صورة بطريقة لا تستطيع الحزم الضوئية القيام بها.

 يقول نيل سكيبر من كلية لندن الجامعية إن مثل هذه الصور مفيدة للأشخاص الذين يرغبون في دراسة التركيب الذري للمواد الخاصة - تلك المستخدمة في صنع بطاريات للسيارات الكهربائية ، على سبيل المثال.  كلما عرفنا أكثر عن تركيبها الذري ، كان بإمكاننا تصميمها بشكل أفضل لتكون فعالة وموثوقة.

 يمكنك حتى معرفة شكل الذرات عن طريق النقر عليها.  هذه هي الطريقة التي يعمل بها مجهر القوة الذرية.


في السائل ، أثناء تسخينه ، يمكنك أن ترى أن الذرات لديها تكوينات أكثر اضطرابًا

الفكرة هي تقريب طرف مسبار صغير للغاية من سطح الجزيء أو سطح المادة.  في مثل هذه الأماكن القريبة ، سيكون المسبار حساسًا للتركيب الكيميائي لأي شيء يشير إليه ، والتغير في المقاومة أثناء تحركه عبره يسمح للعلماء بإنتاج صور لما يبدو ، على سبيل المثال ، جزيء فردي.

 نشر الباحثون مؤخرًا صورًا رائعة لجزيء قبل وبعد تفاعل كيميائي باستخدام هذه الطريقة.

 يضيف سكيبر أن الكثير من الأبحاث الذرية اليوم تستكشف كيف يتغير هيكل الأشياء عند تطبيق ضغط مرتفع أو درجة حرارة شديدة.  يعرف معظم الناس أنه عندما يتم تسخين مادة ما ، فإنها غالبًا ما تتمدد.  من الممكن الآن اكتشاف التغيرات الذرية التي تحدث مما يجعل ذلك ممكنًا.

 يقول سكيبر: "في السائل ، أثناء تسخينه ، يمكنك رؤية تكوينات أكثر اضطرابًا للذرات".  "يمكنك أن ترى ذلك من الخريطة الهيكلية مباشرة."

 يمكن أن يعمل سكيبر وغيره من علماء الفيزياء أيضًا على الذرات باستخدام حزم النيوترونات التي حددها تشادويك لأول مرة في الثلاثينيات.


يمكنك التعرف على Atoms من خلال الكشف عن طاقة أشعة جاما وحدها


ما نفعله كثيرًا هو إطلاق حزم من النيوترونات على كتل من المواد ومن نمط التشتت الذي يظهر ، يمكنك معرفة أنك كنت تشتت النيوترونات من النواة ، "كما يقول.  "يمكنك حساب الكتلة والحجم التقريبي للجسم الذي كان يقوم بالانتثار."

 لكن الذرات لا تجلس هناك دائمًا ، مستقرة بهدوء ، تنتظر الفحص.  في بعض الأحيان تتحلل - مما يعني أنها مشعة.

 هناك الكثير من العناصر المشعة التي تحدث بشكل طبيعي.  تولد العملية الطاقة ، التي تشكل أساس الطاقة النووية - والقنابل النووية.  تتضمن أبحاث الفيزيائيين النوويين عمومًا محاولة فهم التفاعلات التي تخضع فيها النواة لتغيرات أساسية كهذه.

 تتخصص Laura Harkness-Brennan في جامعة ليفربول في دراسة أشعة جاما - وهي نوع من الإشعاع المنبعث من الذرات المتحللة.  تولد ذرة مشعة من نوع معين شكلًا محددًا من أشعة جاما.  هذا يعني أنه يمكنك تحديد الذرات من خلال الكشف عن طاقة أشعة جاما وحدها - وهذا بالضبط ما تفعله هاركنيس برينان في مختبرها.



لم نحدد ماهية الذرات فحسب ، بل أدركنا أنها هياكل معقدة بشكل رائع

"أنواع الكواشف التي قد تستخدمها هي أجهزة الكشف التي تسمح لك بقياس كل من وجود الإشعاع وكذلك طاقة الإشعاع التي يتم ترسيبها" ، كما تقول ، "وذلك لأن النوى جميعها لها بصمة مميزة".

 نظرًا لأنه قد تكون هناك جميع أنواع الذرات الموجودة في منطقة يتم فيها اكتشاف الإشعاع ، خاصة بعد تفاعل نووي كبير من نوع ما ، فمن المهم أن تعرف بدقة النظائر المشعة الموجودة.  يتم إجراء هذا النوع من الكشف بشكل شائع في محطات الطاقة النووية ، أو المناطق التي حدثت فيها كوارث نووية.

 تعمل Harkness-Brennan وزملاؤها الآن على أنظمة الكشف التي يمكن إنشاؤها في مثل هذه الأماكن لإظهار ، في ثلاثة أبعاد ، حيث قد يكون الإشعاع موجودًا في غرفة معينة.  "ما تريد القيام به هو أن يكون لديك تقنيات وأدوات تسمح لك بتصوير فضاء ثلاثي الأبعاد وإخبارك في تلك الغرفة ، في هذا الأنبوب ، حيث يوجد الإشعاع" ، كما تقول.



بالنظر إلى صغر حجم الذرة ، فمن المدهش مقدار الفيزياء التي يمكننا الخروج منها


من الممكن أيضًا تصور الإشعاع في "غرفة السحاب".  هذه تجربة خاصة ينجرف فيها بخار الكحول ، المبرد إلى -40 درجة مئوية ، في سحابة حول مصدر إشعاعي.  تتطاير جسيمات الإشعاع المشحونة بعيدًا عن المصدر تزيل الإلكترونات من جزيئات الكحول.  هذا يجعل الكحول يتكثف في سائل حول مسار الجسيمات المنبعثة.  نتائج هذا النوع من الكشف مذهلة حقًا.

 لم نحدد ماهية الذرات فحسب ، بل أدركنا أنها هياكل معقدة بشكل رائع يمكن أن تخضع لتغيرات مذهلة - والعديد منها يحدث بشكل طبيعي.  ومن خلال دراسة الذرات بهذه الطريقة ، تمكنا من تحسين تقنياتنا وتسخير طاقة التفاعلات النووية وفهم العالم الطبيعي من حولنا بشكل أفضل.  لقد تمكنا أيضًا من حماية أنفسنا بشكل أفضل من الإشعاع واكتشاف كيف تتغير المواد عند وضعها في ظروف قاسية.

 يقول هاركنيس برينان: "بالنظر إلى صغر حجم الذرة ، من المدهش مقدار الفيزياء التي يمكننا الخروج منها."

 كل ما نراه من حولنا مصنوع من هذه الأشياء الصغيرة.  من الجيد أن تعرف أنهم موجودون هناك ، مما يجعل كل ذلك ممكنًا.

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

إعلان أسفل المقال

إتصل بنا

نموذج الاتصال

الاسم

بريد إلكتروني *

رسالة *