البروتون والنواة The Proton and the Nucleus

بحلول أوائل القرن العشرين ظهرت خاصيتان أساسيتان للتركيب الذري الأولى أنها تحتوي على إلكترونات والثانية أنها متعادلة كهربيا مما جعل من المحتم على العلماء أن يفترضوا وجود عدد متساوي من الشحنات السالبة والموجبة. وعلى هذا الأساس افترض طومسون أن الذرة تتكون من كرة متجانسة تحمل عدد من الشحنات الموجبة تنغرس فيها الإلكترونات تماما كما تنغرس حبات الزبيب في قطعة الكعك الشكل 2. 7. وقد ظل هذا النموذج لتصور التركيب الذري مقبولا لعدد من السنين.

وفي العام 1910 م قام الفيزيائي النيوزيلاندي ارنست رذرفورد (الذي كان زميلا لطومسون في جامعة كيمبردج) باستخدام جسيمات ألفا ليحاول أن يفسر التركيب الذري. وبالتعاون مع زميليه هانز جيجروأرنست ماردسن قاموا بسلسلة من التجارب تتضمن استخدام صفائح رقيقة من الذهب وغيره من الفلزات كأهداف لقذائف من جسيمات ألفا الصادرة من مصدر مشع الشكل 2 .8. وقد لاحظوا أن معظم جسيمات ألفا قد اخترقت penterated الصفائح ونفذت دون أن تنحرف مع جزء صغير يشكل نسبة قليلة انحرف deflected بزوايا مختلفة بعضها كان بزوايا كبيرة. أما نسبة ضئيلة جداً من جسيمات ألفا فقد ارتدت إلى الخلف pounced back في نفس الاتجاه الذي انطلقت منه. وهذه المشاهدة الأخيرة كانت أكثر النتائج اثارة للاستغراب. حيث أن نموذج طومسون الذي يفترض توزيعا متجانسا للشحنة الموجبة يحتم أن تنفذ جميع جسيمات ألفا بأقل قدر ممكن من الانحراف. قد علق رذرفورد على النتيجة الأخيرة مستغربا ما حدث بالقول : (كان الأمر أشبه ما يكون بأن تطلق قذيفة بقطر 15 بوصه على منديل ورقي وتجدها قد ارتدت إليك وضربتك).

وقد استطاع رذرفورد لاحقا أن يفسر نتائج تجربة تشتت جسيمات ألفا على الصفائح الفلزية الرقيقة بناءاً على تصور جديد للتركيب الذري. تضمن تصور رذرفورد الافتراض أن معظم الذرة تتكون من فراغ وهذا ما يفسر لماذا استطاعت معظم جسيمات ألفا أن تخترق الصفائح بدون أن تنحرف أو بانحرافات بسيطة جدا. وعليه فإن الشحنات الموجبة حسب افتراض رذرفورد يجب أن تكون مركزة في النواة nucleus وهي عبارة عن القلب المركزي الكثيف للذرة. ولذلك فإن مجرد اقتراب أي جسيم من جسيمات ألفا منها سبب ذلك في أن ينحرف الجسيم بزوايا تزيد كلما زاد اقتراب الجسيم من النواة نظرا لحدوث تنافر بينهما لتشابههما في الشحنة. أما الجسيمات التي ارتطمت بالنواة مباشرة فقد ارتدت إلى الخلف بسب قوة التنافر التي أثرت عليها.

أطلق على الجسيمات ذات الشحنة الموجبة الموجودة في النواة اسم البروتونات. وفي تجربة أخرى وجد أن البروتون يحمل نفس وحدة الشحنة التي يحملها الإلكترون ولكن باشارة مخالفة. وأن كتلته تساوي 1.67262´10^-24 g أي أنها تكبر عن كتلة الإلكترون بمقدار 1840 مرة.

وقد اتضح للعلماء في هذه المرحلة أن كتلة الذرة مركزة في نواتها في حين أن النواة لاتشغل إلا حيزاً لا يزيد عن 1/10¹³ من الحجم الذري وقد أصبحنا في الوقت الحالي نعبر عن الأبعاد الذرية والنووية بأحد وحدات نظام SI التي هي وحدة البيكومتر حيث أن 1 pm = 1´ 10^-12 m. بمعنى أن نصف القطر الذري عادة ما يساوي 100 بيكومتر بينما يبلغ نصف القطر النووي 5 ´ 10^-3 pm. وهذه يمكن أن نشبهها بحالة حجم ملعب رياضي كامل شاملا ارض الملعب والمدرجات فإذا افترضنا أن هذا الحجم كله يمثل الذرة فالنواة ستكون في مركزه فيما لايزيد عن حجم كرة برجون (دحل) صغير تنتشر حولها الإلكترونات في مسافات متباينة.

ومن الجدير بالذكر أن الاشارة إلى نصف القطر الذري لاتعني بالضرورة أن هناك حدوداً واضحة المعالم للمحيط الخارجي للذرة التي كثيرا ما ينظر إلى هذا المحيط على أنه محيط غائم ومشوش الحدود.