توفي نيوتن في عام 1727 وهو على ثقة ويقين بأن قوانينه ونظرياته الخاصة بالمادة سوف تُكتب لها الاستمرارية والخلود، شأنها في ذلك شأن المادة التي آمن بخلودها وببقاء طاقتها وكتلتها بلا تغير. وساد اقتناع العلماء بقوانين نيوتن الخاصة بالذرة وبعلاقة المادة بالزمان والمكان طوال ما يربو على قرنين من الزمان، الأمر الذي بسببه زعم علماء الفيزياء والرياضيات في القرن التاسع عشر أن تلك القوانين سوف تهيمن على كل الظواهر الطبيعية والفيزيائية التي قد يتم التوصل إليها خلال القرن العشرين.

وقد كان من بشائر حدوث ثورة القرن العشرين المتمثلة في تأسيس علم الفيزياء الحديثة وأفول نجم فرضيات نيوتن الكلاسيكية ما أثبته العالم الشهير طومسون Thomson ⁽⁴⁾ في عام 1856 من أنه إذا ما تم شحن جسم ما بشحنة كهربية، فإن كتلته لا تكون ثابتة حيث إنها تتغير في أثناء تحرك الجسم؛ فقد لاحظ طومسون تزايد كتلة الجسم المشحون بالكهرباء مع زيادة سرعة حركته. ومنذ ذلك الحين أصبحت فرضية نيوتن الخاصة بحتمية بقاء كتلة الجسم بلا تغيير – مبدأ نيوتن في بقاء الكتلة – أصبحت مجرد ذكرى تتناقلها كتب التاريخ العلمي.

وقد استمر طومسون في تجاربه العلمية المثيرة إلى أن فجر في أواخر القرن الثامن عشر مفاجأة كبيرة من العيار الثقيل حيث برهن على خطأ الاعتقاد السائد بأن الذرة هي أصغر جسيم يمكن أن تنقسم إليه المادة، فقد بدد طومسون بتجاربه الرائدة ذاك المفهوم السائد وأثبت بالتجارب العملية وبتقديم الأدلة والبراهين أن الذرة تتألف من مجموعة جسيمات متناهية الصغر والوزن مثل الإلكترونات Electrons، البروتونات Protons والنيوترونات Neutrons.

وقد استمر أحد تلاميذ طومسون وهو رذرفورد Rutherford ⁽⁴⁾ في دراسة الذرة وخواصها إلى أن انتهى إلى وضع النموذج الذري الحديث. فكما يعلم القارئ الكريم فإن الذرة تتكون من نواة مركزية Central Nucleus كبيرة الحجم، شديدة الكثافة – وذاك بالمقارنة مع بقية مكونات الذرة، حيث تحتوي على جسيمات الشحنة الموجبة وهي البروتونات هذا بالإضافة إلى احتوائها على جسيمات عديمة الشحنات وهي النيوترونات وتحاط النواة بعدة مدارات Orbits تحتلها جسيمات صغيرة الأحجام، خفيفة الأوزان تُسمى الإلكترونات وهي تحمل شحنات سالبة ^(*)، كما هو موضح في الشكل (2 – 1 «أ»). ونستطيع من الشكل ملاحظة أن الذرة تحاكي في بنائها نظام المجموعة الشمسية الشكل (2 – 1 «ب») حيث ترتبط الإلكترونات في الذرة بجسم النواة المركزي الأكبر حجما والأثقل كثافة عن طريق قوة جذب كهربائية ساكنة Electrostatic Attraction Force تعمل على جذب هذه الإلكترونات كي تدور في فلك النواة ⁽⁵⁾.

وتدفق بعد ذلك إلى يم الفيزياء الحديثة كم هائل من نتائج ومخرجات الأبحاث العلمية والنظريات الخاصة بالذرة والتي أصبحت بعد ذلك بحارا ثم محيطات تبلورت بها فلسفة وأهمية وجود الإلكترونات في مدار الذرة الأخير، والمعروفة باسم إلكترونات التكافؤ Valence Electron والمسؤولية الملقاة على عاتقها في تمثيل الذرة والتعبير عن خواصها الكيميائية للمادة. ويتحدد سلوك العنصر عند دخوله في التفاعلات الكيميائية من قيمة تكافئه Valence والذي به يتحدد العدد الكلي لإلكتروناته السابحة في مداره الذري الأخير، كأن نقول مثلا إن تكافؤ الصوديوم هو واحد صحيح، وذلك لوجود عدد إلكترون واحد في مداره الأخير، كما هو موضح بالشكل (2–2) «أ »).

الشكل (2 – 1): تحاكي الذرة في بنيتها (الشكل «أ»)، المؤلفة من نواة مركزية موجبة الشحنة محاطة بعدة مدارات تدور فيها الإلكترونات ذات الشحنات السالبة، نظام المجموعة الشمسية (الشكل «ب») الذي تتوسطه الشمس حيث تدور حولها مجموعة من الكواكب تتفاوت في أحجامها وكثافتها وبعدها عن النجم الشمسي. والنموذج المبين في الشكل «أ». يوضح البنية الذرية لعنصر الصوديوم، حيث تتوزع الكترونات ذرته في عدة مدارات، ويطلق على إلكترون المدار الأخير اسم إلكترون التكافؤ الذي يتحمل مسؤولية الإقدام للمشاركة في التفاعلات، والذي به يتحدد النشاط الكيميائي لأي عنصر. ويتم تحديد تكافؤ العنصر وفقا لعدد الإلكترونات الموجودة في المدار الأخير للذرة – مدار التكافؤ – فيقال إن العنصر أحادي التكافؤ، كما هو في ذرة الصوديوم وذلك لأن مدار ذرته الأخير به عدد إلكترون واحد. وكلما قل عدد الكترونات مدار ذرة العنصر الأخيرة زاد نشاط العنصر وتعاظمت قدرته على الدخول بشراهة في التفاعلات الكيميائية ⁽⁶⁾.

___________________________________
هوامش

(*) انظر الهامش الرقم (2).

(2) للقارئ المتخصص في تكنولوجيا النانو وكذلك القارئ المثقف المهتم بقراءة مزيد عن المادة من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية وميكانيكا نيوتن المعروفة باسم الميكانيكا النيوتينية Newtonian Mechanics، أرشح مرجعا مهما ورشيقا جاء تحت عنوان «الفيزياء الكلاسيكية للمادة ألفته نخبة متميزة من علماء الفيزياء وعلوم المواد من مختلف الجامعات البريطانية.

(4) نال «طومسون» جائزة نوبل في الفيزياء العام 1906 عن مجمل أبحاثه الرائدة في مجال الذرة. وتتأكد عبقريته وقوة مدرسته العلمية ومدى ثرائها وخصوبتها حين نبت من تربتها العالم الشهير «راذرفورد» الذي يُعد أحد تلاميذ طومسون. وقد نال راذرفورد أيضا الجائزة نفسها ولكن في العام 1908. للاطلاع على قائمة الفائزين بجائزة نوبل في المجالات المختلفة منذ العام 1901 وحتى العام 1906، يرجى مراجعة الموقع الرسمي للجائزة وهو موجود على الشبكة العنكبوتية تحت عنوان: http://nobelprizes.com/nobel

(5) من منا لم يتنبه إلى وحدة الخالق فيما أبدع وصنع من تشابه كبير بين نظام تركيب البنية الداخلية لأصغر ما في الوجود وهو الذرة، التي تجذب إليها جسيمات أدق منها بكثير لتسبح حولها في مدارات تلتف حول نواتها، وبين نظم أضخم النجوم في كوننا المادي هذا؟

(6) تم تصميم وتنفيذ الشكل بواسطة مؤلف هذا الكتاب.