تفسير ظهور الخطوط الطيفية للهيدروجين

يمكن تفسير ظهور الخطوط في طيف الهيدروجين على اساس افتراض أن الإلكترونات في دورانها حول النواة تتوزع في مستويات من الطاقة يمكن تمثيلها بما يشبه الطوابق كما في الشكل التالي:

فإذا قفز الإلكترون من طابق أعلى إلى طابق أسفل (كما هو ممثل بالكرتين الخضراء) فإن العملية ستكون انبعاث للطاقة حيث أن طاقة كل مستوى (طابق) تزيد كما ارتفعنا، أي أن المستويات الأقل طاقة هي الأقرب للنواة.

وإذا قفز الإلكترون من طابق أسفل إلى طابق أعلى (كما هو ممثل بالكرتين الحمراء) فإن العملية ستكون امتصاص للطاقة، أي عملية تتطلب اضافة طاقة للذرة

والخطوط التي تنتج من جهاز المطياف الموضح سابقا هي خطوط انبعاث للطاقة، و هي تمثل عملية انتقال الإلكترون من المستويات الأعلى في الطاقة حتى تصل إلى المستوى الأقل طاقة.

يمثل الشكل التالي تمثيل تخطيطي لعملية تكون خط الانبعاث الطيفي حيث تنزل الإلكترون من المستوى الثالث إلى المستوى الثالث مطلقا طاقة ضوئية تظهر على هيئة خط طيفي.

إن الدراسة المستفيضة والتي قامت على أسس معالجات رياضية مقعدة لتفسير المشاهدات التجربية التي ظهرت من دراسات طيف الهيدروجين دلت على أن ذرة الهيدروجين تتكون من سبع مستويات طاقة، يشغل الإلكترون الوحيد في ذرة الهيدروجين المستوى الأقل طاقة وهو المسمى بالمستوى الأرضي. هذا في الذرة عندما تكون في حالتها المستقرة ولكنها حين تثار باكتساب كميات محمدة من الطاقة فإن هذا الإلكترون يمكن أن ينتقل إلى المستويات الأعلى حسب مقدار ما يكتسب من طاقة. وحين يعود إلى حالة الاستقرار فإن الطاقة المنبعثة منه تظهر على هيئة الخطوط التي تظهر في الطيف.

ومن الجدير بالذكر أن الخطوط الطيفية التي تظهر لذرة الهيدروجين أعقد كثيرا من مجرد الخطوط الأربعة الظاهرة في المنطقة المرئية فالعديد من الخطوط تظهر في المناطق فوق البنفسجية و تحت الحمراء من الطاقة.



طيف الهيدروجين

عند سقوط ضوء الشمس على منشور زجاجي فإن الضوء الأبيض يتحلل إلى عدة ألوان منتجا ما يسمى بالطيف الشمسي المتصل كما هو موضح في الشكل التالي

وإذا كان المصدر الضوئي هو أنبوبة مثل أنبوبة طومسون ولكنها تحتوي على غاز الهيدروجين فإن الطيف الناتج سيكون على هيئة أربعة خطوط متصلة كما في الشكل التالي

أما إذا ما استبدل الأنبوب بأنبوب آخر يحتوي على الأكسجين فإن الطيف الناتج سيكون خطيا أيضا و لكن بنمط خطوط مختلفة تماما عن طيف الهيدروجين



وقد وجد العلماء أن كل عنصر إذا ما عومل بنفس هذه الطريقة فإنه سينتج نمطا خاصا من الخطوط يميزه عن غيره من العناصر ويكون مميزا له ودالاا عليه تماما كبصمة الاصبع حيث لايمكن أن يمكن لعنصرين مختلفين أطيفا متشابه، وبالمثل إذا أظهر مكونان مجهولان نفس النمط من الخطوط الطيفية فالأكيد أنهما لنفس العنصر.

وبصفة عامة تعطي العناصر طيفا خطيا ، بينما ينتج عن الشمس طيف متصل أي طيف تتداخل فيه الألوان مع بعضها بحيث لا تظهر أي فواصل، و هذه الظاهرة يمكن تفسيرها على أساس أن الضوء الواصل إلى الشمس يقابل في طريقة الكثير والكثير من المكونات التي هي عبارة عن ذرات و جزيئات لمركبات مختلفة كل منها يساهم بشكل ما في تكوين الطيف الشمسي بينما في حالة وجود مكون وحيد في الأنبوبة التي يمكن منها انتاج طيف العناصر فإن الخطوط الظاهرة هي فقط خاصة بالعنصر الموجود بالأنبوية .

توضح الصورة التالية رسم تخطيطي لجهاز سبكتروجراف (مطياف) انتاج طيف الهيدروجين و غيره من العناصر.

ما هي أهم نتائج تجربة طومسون

 

• أن الإلكترونات موجودة في كل المواد.
• أن الإلكترونات متشابهة في كل المواد.

 

 

ماذا عن الجسيمات التي تخرج من الأنود؟

• الجسيمات التي تخرج من الأنود هي جسيمات ثقيلة جدا
• الجسيمات التي تخرج من الأنود تحمل شحنة موجبة
• الجسيمات التي تخرج من الأنود ليست متشابهة في كل المواد
• الجسيمات التي تخرج من الأنود هي الأنوية التي تتكون من البروتونات و النيوترونات وهذه تختلف من عنصر لآخر





تجربة طومسون Thompsom

أجرى العالم جى جى طومسون مجموعة تجارب مهمة تهدف لدراسة الأشعة الصادرة من المهبط، حيث استخدم انابيب ضوئية أسطوانية من زجاجية تنتهي بطرفين من سطح معدني حيث يعملان كقطبي خلية كهربية بحيث حين توصل الخلية بمصدر تيار كهربي و بذلك يتولد فرق جهد يجعل أحد القطبين يحمل شحنة سالبة ويعمل كمهبط (أو كاثود) ويصبح الطرف الآخر حاملا شحنة موجبة ليعمل كمعصد (أو أنود).

وفي حالة تطبيق فرق الجهد لاحظ طومسون ظهور توهج ضوئي في الاسطوانة (أي انها اصبحت كالمصباح).

وكان المطلوب معرفة ما إذا كان هذا التوهج الضوئي هو فقط أشعة ضوئية أم أنه ذو طبيعة جسيمية، و لاختبار هذا الفرض قام طومسون بالآتي

1- وضع مروحة صغيرة مكونة من وريقات صغيرة وخفيفة فلاحظ أن هذه المروحة تدور كلما ظهر التوهج الضوئي، و هنا كان الافتراض أن هذا التوجه هو نتيجة انطلاق جسيمات من المهبط (الكاثود)

2- من المنطقي أن الافتراض أن الجسيمات الصادرة من المهبط ذو الشحنة السالبة سوف تكون سالبة الشحنة ايضا ولكن طومسون ارد التأكد بما لا يدع مجالا للشك فقام بتطبيق مجال كهربي على الأنبوبة حين خروجها فلاحظ أن الأشعة تنحرف ناحية الطرف الموجب للمجال الكهربي بعيدا عن الطرف السالب، مما الفرض أنها سالبة الشحنة أمرا قويا.

3- ولكنه لم يكتف بذلك بل أراد مزيدا من التأكد فطبق مجال مغناطيسي على الأنبوبة حين خروج الأشعة فوجد أن جسيمات المهبط تنحرف نحو القطب الشمال مما يعطي تأكيدا على أنها حاملة لشحنة سالبة.

لم تقتصر تجربة طومسون على هذه الجوانب الوصفية بل أنه بتطبيق فروق جهود مختلفة القيمة و حساب تسارع الجسميات السالبة للمهبط التي هي الإلكترونات ناحية المصعد استطاع أن يحسب قيمة نسبة كتلتها إلى شحنتها لكل تغير في فرق الجهد.

وهنا وجد أن قيمة هذه النسبة كانت ثابتة دائما، هذه النسبة ظلت ثابتة حتى عندما غير مادة الأقطاب و نوعية الزجاج الموكن للأنابيب، كما أنه أعاد التجربة مرار باستخدام غازات مختلفة حينا و حين تفريغ الأنابيب تماما من الغاز.

الرابط التالي فيديو يوضح تجربة طومسون.

http://www.youtube.com/watch?v=O9Goyscbazk

http://www.youtube.com/watch?v=MqJipG_BELw

كيف تم اكتشاف النواة؟تجربة رذرفورد  Ruthurford Eepriment

قام رذرفورد في مطلع القرن العشرين بتجربة أدت إلى نتائج مهمة جدا تعتبر هي الآن أساس فهمنا للتركيب الذري.

فقد قام بدراسة تشتت جسيمات الفا على صفائح رقيقة من الذهب، وجسيمات ألفا هي عبارة عن جسيمات دقيقة الحجم تمل شحنتين موجبتين (نعرفها الآن بأنها عبارة عن أنوية ذرات عنصر الهيليوم)، وقد لاحظ أن تسليط شعاع من هذه الجسيمات على الصفيحة الذهبية الرقيقة قد أدى إلى أن 99% من الجسيمات قد اخترقت الصفيحة وهي في نفس مسارها المستقيم.

وعليه كان الاستنتاج أن معظم جسم ذرات الذهب يتشكل من فراغ، وهذا ما جعل معظم جسيمات ألفا تخترق الصفيحة.

أما الجزء المتبقي فقد اخترق الصفيحة ولكن حدث له انحراف عن مساره المستقيم بزوايا مختلفة وصلت في بعض الأحيان إلى 90 درجة (زاوية قائمة)

وكان الاستنتاج الذي وضعه لتفسير هذه المشاهدة أن هذه الجسيمات ذات الشحنة الموجبة قد أقتربت من جسم يحمل شحنة موجبة فحدث لهما تنافر أدى إلى انحراف جسيمات ألفا عن مسارها المستقيم

أما النسبة الضئيلة جدا من الجسيمات التي ارتدت تماما عن مسارها و لم تخترق الصفيحة فالغالب انها الجزء من الجسيمات التي اصطدمت بشكل مباشر في ذلك الجسم الموجب الذي من الواضح أنه أثقل كثيرا من جسيمات الفا حيث انه صدها لتعود إلى نقطة انطلاقها.

وكان الاستنتاج الذي وضعه العالم أرنست رذرفورد أن هذا الجسم المركزي الثقيل هو ما نعرفه اليوم بالنواة وهي التي تجمع كل الشحنة الموجبة الموجودة في الذرة أي المكان الذي تتجمع فيه كل البروتونات، بينما تظل الإلكترونات في حركتها الحرة حول النواة، في فراغ له حجم كبير يستدل عليه من أن 99% من جسيمات الفا قد اخترقت الصفيحة دون تأثر مسارها.

الذرة النووية

وهذا هو المفهوم الحالي لنظرتنا إلى التركيب الذري

والمقصود بمصطلح الذرة النووية أن الذرة تتكون من نواة صغيرة في منتصفها، تجمع هذه النواة كل من جسيمات البروتونات موجبة الشحنة و النيوترونات المتعادلة الشحنة . وبذلك تكون محصلة شحنة النواة موجبة ومساوية لعدد البروتونات المكونة لها وهذه تختلف من عنصر لآخر.

أما في المنطقة المحيطة بالنواة فتوجد الإلكترونات سالبة الشحنة التي تلف حولها في أفلاك محددة القطر، بحيث يكون عدد الإلكترونات مساوي تماما لعدد البروتونات في النواة وذلك لأن  الذرة متعادلة

ومن الجدير بالذكر أن نصف قطر الذرة أكبر من نصف قطر النواة بمئة الف مرة

الذرة The Atom

 

يوضح هذا الشكل و قيم كتل الجسيمات الثلاث الأساسية المكونة للذرة أن كتلة البروتون أكبر من كتلة الإلكترون بـ 1850 مرة

وهنا يبرز سؤالا مهما لماذا تم الافتراض أن الذرة رغم أنها في الأساس متعادلة ولكنها تحتوي على جسيمات مشحونة، الحقيقة أن هذا الافتراض قديم وهو من المعرفة البشرية القديمة حيث من المعروف أن حك ساق من زجاج أو معدن بقطعة صوف أو حرير تجعل سطحها مكهربا نتيجة لتعرية الإلكترونات الموجودة في سطحها.

وقد قدمت تجارب العالم فارادي في التحليل الكهربي للمركبات الإلكترويتية أدلة كمية وكيفية على الطبيعة الكهربية الداخلية للجسيمات الأساسية المكونة للذرة

—هي أصغر جزء يحمل خصائص العنصر الكيميائي

—تتكون الذرة من ثلاث جسيمات هي

الإلكترون – الجسيم الذي يحمل شحنة سالبة

البروتون – الجسيم الذي يحمل شحنة موجبة

النيوترون – جسيم متعادل لا يحمل أي شحنة

—نصف قطر الذرة يبلغ 10-10 متر أي

0.0000000001 متر