الدليل القاطع

لدينا في نهاية المطاف تجارب يمكن بواسطتها فصل الذرات فعلاً وعلى نحو ملموس بحيث لم يعد هناك أدنى شك في حقيقة وجودها .

ولنبدأ بالاكتشاف المشهور باسم التداخل البلوري Crystal interference على يد لوي Laue . لم يقتصر التطبيق العملي الحديث في مجال البصريات الفيزيائية physical optics والدراسات الطيفية spectroscopy على مجرد استخدام المنشورات prisms في أغراض التحليل الطيفي للضوء spectral resolution بل تعدى ذلك الى استخدام محرزة الحيود diffraction grating التي زادت أهميتها الى حد بعيد عند حفر خطوط كثيرة متقاربة على مسافات متساوية على سطح مصقول فإن الشعاع الضوئي أحادي اللون (ذا الطول الموجي الواحد) لا ينعكس عن هذا السطح كمرآة العادية أو يتفرق من سطح خشن تجاه كل جوانبه ، وإنما ينعكس تبعاً لطوله الموجي في سلسلة ذات اتجاهات محددة دون جميع الاتجاهات الأخرى ، وذلك بسبب ظاهرة التداخل وفيها تفنى الإثارات excitations الضوئية في هذه الاتجاهات بعضها بعضاً فلا تنعكس . وتعطينا هذه المعلومة (تجربة تداخل خاصة) كما ذكرنا من قبل أوضح دليل على الطبيعة الموجية للضوء وبما يمكننا تحديد الطول الموجي له من مجرد معرفة المسافة بين خطوط المحززة (0.01 الى 0.001 مليمتر في المحززة العادية) .

وبالعكس يمكن معرفة هذه المسافة بدراسة انعكاس ضوء له طول موجي معلوم .

عندما تمر الأشعة السينية خلال بلورة تظهر تداخل هامة لها علاقة بنظيراتها في محززة خطية line grating وإن كانت أكثر تعقيداً . وتدل هذه الظواهر على حقيقتين معاً ، الأولى أن الأشعة السينية X-rays إشعاع موجي wave radiation ، والثانية أن للبلورات بنية حزوزية بلغت دقتها حد خداع الرصد بالوسائل القديمة . أدى التحليل الدقيق لظاهرة التداخل المعقدة الى اليقين بأن البنية الداخلية الدقيقة للبلورات تماثل بالضبط ما يمكن أن نتوصل إليه بالتصورات الذرية ، (فاستضاءة illumination) البلورات بالأشعة السينية تبين بوضوح تركيبها (تخليقها) Synthesis من ذرات ، مما يؤكد حقيقة الذرات بصورة قاطعة .

نظراً لأن الأطوال الموجية للأشعة السينية أقصر كثيراً من نظيراتها للضوء المعتاد (الأشعة السينية كأشعة الضوء تشملها أيضاً الحدود العامة لتصنيف موجات ماكسويل – هيرتز الكهرومغناطيسية) فلا يحتمل حدوث حيود (تداخل) للأشعة السينية بواسطة محززات الحيود الضوئية الخطية العادية الخشنة نسبياً إلا بعد مزيد من التكرير refinement . ولكن الطبيعة زودت البلورات (بمحززات حيود طبيعة) تمكننا من دراسة تأثيرات التداخل للأشعة السينية . ولقد أمكن بوسيلة متطورة جداً الحصول على حيود للأشعة شأنها في ذلك شأن الموجات الضوئية تماماً . فإذا علمنا الطول الموجي لشعاع سيني بإمراره خلال بلورة ودراسة التداخل الناتج لأمكننا استنتاج العلاقات الحجمية داخل البلورة . ولا تؤكد آثار التداخل لشعاع سيني عبر البلورات حقيقة الذرات بوضوح وتميز بما لا يتطرق إليه شك فحسب بل وتيسر أيضاً طريقة أخرى لتحديد عدد الذرات في قطعة ماكروسكوبية من المادة – أي عدد لوشميت بطريقة جديدة .

أجرى ميليكان Millikan (أثناء تطويره لإحدى تجاربه القديمة الأقل وضوحاً) تجربة مدهشة في بساطة فكرتها الأساسية ، قدم من خلالها دليلاً ملموساً على الطبيعة الذرية للكهرباء ، إذ قام بنشر رذاذ من قطرات زيت دقيقة عليها شحنة كهربائية داخل غرفة واستخدام مجهراً في ملاحظة ما يجري لإحدى هذه القطرات أثناء سقوطها لأسفل بقوة الجاذبية الارضية دون اتباع لقوانين السقوط الحر free fall المثالية ، وإنما بسرعة ثابتة إذ أن مقاومة الهواء للقطرات الصغيرة يكون تأثيرها أكبر نسبياً عنها في الأجسام الأكبر . وعندما تتعرض قطرة الزيت لتأثير مجال كهربائي electric field ذي شدة مناسبة عمودياً على اتجاه سقوطها ومضاداً لها فإنها تبدأ في التحرك لأعلى بسرعة ثابتة يتوقف مقدارها على شدة المجال . وبمقارنة مقداري سرعتي سقوط وصعود القطرة يمكن حساب النسبة بين القوى المؤثرة في الحالتين وبين مقدار الشحنة charge على القطرة .

وبدراسة المقادير الناتجة لقطرات كثيرة تبين أن مقدار الشحنة لا يتغير بصورة متصلة من حالة لأخرى ، ولا تشمل أي من هذه الشحنات مقداراً أقل مما نطلق عليه (الشحنة الأولية elementary charge ) ، أما المقادير الأكبر فهي مضاعفات صحيحة (2 ، 3 ، 4 ، ..... ) من هذا المقدار الأصغر . وبذلك يكون لدينا الدليل المادي بأن الشحنات الكهربائية لا يمكن انقسامها بصورة تحكمية arbitrarily لا محدودة idenfinitely .

وفي المقابل ، تتكون جميع الشحنات الكهربائية من (شحنات أولية) لا تنقسم وتحمل كل منها شحنة كهربائية مقدارها 4.77 × 10 ^-10 من الوحدات الكهروستاتيكية electrostatic ^* .

ذرية atomism الكهرباء وثيقة الصلة عامة بذرية المادة تبعا لقانون فاراداي Faraday law في التحليل الكهربائي electrolysis الذي اكتشفه فاراداي .

وكان هلمهولتز Helmholtz قد استنتج مسبقاً من هذا القانون أنه إذا ثبت صحة تصور ذرية المادة لوجب الافتراض بذرية الكهرباء .

عند غمس لوح زنك وآخر نحاس في محلول مائي من كبريتات النحاس يمر به تيار كهربائي في الاتجاه الموجب من الزنك الى النحاس فإن الزنك يذوب تدريجياً في السائل بينما يترسب مزيد من النحاس على لوح النحاس . وبصورة كمية تبين هذه التجربة أنه عند ذوبان وزن ذري جرامي  gram atomic weight واحد من الزنك فإن وزنا ذرياً جرامياً واحداً بالضبط من النحاس يترسب ، وتبين أن العلاقات الوزنية المناظرة صحيحة في جميع تجارب التحليل الكهربائية المماثلة .

وأكثر من ذلك ، فإن عدد الأوزان الذرية الجرامية المترسبة أو الذائبة تظل دائماً في تناسب بسيط مع كمية الشحنة الكهربائية المارة في المحلول . وهكذا فهناك اطرادات بنفس الخاصية مثل قوانين العلاقات الوزنية في التفاعلات الكيميائية التي شرحها دالتون بتصور الذرية ووجد في هذه القوانين معياراً لتعريف هذا التصور واستخدامه ، وبنفس الحق نستطيع مع هلمهولتز استنتاج ذرية بنية الكهرباء تبعاً لقانون فاراداي.

وعلى العكس ، إذا علمنا من أعمال ميليكان أن ذرية الكهرباء لا تعبر فقط عن فكرة إضافية وإنما هي أيضاً حقيقة مؤكدة ، فيمكننا أن نستنتج من قانون فاراداي حقيقة ذرية بنية المادة (تم إثباتها في معالجتها لظاهرة التداخل في البلورات ) . وتمدنا معرفة مقدار الشحنة الكهربائية الأولية بقاعدة أخرى إضافية لحساب عدد لوشميت كخاصية مميزة لذرية بنية المادة .

ولن تنفد بحال من الأحوال التجارب التي تثبت حقيقة الذرات بصورة لاتدع مجالاً للشك . وهناك المزيد من الدلائل المباشرة على مذهب الذرية atmomism موجدة في دراسات النشاط الإشعاعي (الفاعلية الاشعاعية) radioactivity .

فمن مشاهداتنا للمستحضرات المشعة تبين أن (إشعاع ألفا Alfa radiation) .هو ببساطة انبعاث للهليوم helium المشحون كهربائيا وعندما يصطدم بحاجز من كبريتات الزنك معد بطريقة مناسبة تظهر عليه سلسلة من " الومضات الضوئية الصغيرة  scintillations " حتى اذا كانت شدة intensity هذا الاشعاع محدودة .ويتبين لنا من هذه الظاهرة ان انبعاث الهليوم المشحون بالكهرباء ليس مادة قابلة للانقسام بصورة تحكمية أو مادة انتشار لا محدودة وانما لابد وان يتكون من جسيمات متميزة (منفصلة ) discrete وبإحصاء الومضات الضوئية امكن تعيين ما تحتويه كمية هليوم محدودة من ذرات مستقلة مما يعد طريقة جديدة لتعيين عدد لوشميت . وكانت النتائج متفقة مع نظيراتها في التجارب الاخرى مما يدل على ان كل ومضة من هذه الومضات الضوئية الصغيرة لم تكن سوى ذرة هليوم واحدة ( مشحونة كهربائيا ).

وأهم من ذلك عملية اخرى نشاهد من خلالها اثار الذرات المتميزة (أو "الايونات ions" كما يطلق عادة على الذرات المشحونة كهربائيا ) ، وذلك في تجربة غرفة ولسون السحابية Wilson cloud chamber حيث بداخلها وسط مشبع بالرطوبة في وعاء نظيف تماما وخال من الغبار ، عندما يزداد حجمه فجأة بواسطة مكبس تنخفض درجة حرارته ويصبح الوسط فائق التشبع Super saturated عندئذ يتكثف بخار الماء الى قطرات سائلة ، مع ملاحظة أن أولى هذه القطرات في حاجة الى (نوى تكثيف) لتتكشف عليها بعد أن تم التخلص من كافة الجسيمات الصغيرة (غبار وخلافه) كنوى عادية . فإذا اصطدم إشعاع ألفا القادم من مصدر مشع بوسط الغرفة فإن كل أيون من أيونات الهليوم السريعة يترك وراءه مساراً دقيقاً ينتشر على طوله عدد كبير من ذرات أو جزيئات صارت الآن مشحونة بكهربائية من نفس النوع بعد اصطدامها بجسيمات ألفا alpha particles المنطلقة عبر الغرفة ، وتكون هذه الأيونات الجديدة بمثابة نوى تكاثف مناسبة على طول المسار الذي يبدو للعين المجردة في صورة شعاعة streak (شريط ضوئي ضيق) دقيقة من الشبورة ، فيشاهد تأثير ذرة واحدة هذه المرة بصورة أوضح وأفضل من الومضات . ومن هذه المسارات السحابية يمكن حساب عدد لوشميت .

باتت غرفة ولسون السحابية واحدة من أهم وسائل البحث لدى الفيزيائيين الذريين المعاصرين . وواضح أن فائدتها تقتصر على الجسيمات السريعة جداً لما لها من طاقة (مؤينة) للكثير من الذرات أو الجزيئات على طول المسارات الطويلة . أما في العمليات المتصلة بالنشاط الإشعاعي فإن هذه الجسيمات تظهر في ظروف متباينة وتقدم غرفة ولسون فرصة لدراسة كافة التفصيلات للعمليات المتعلقة بتكوين هذه الجسيمات وتحولها .

وعلى قدم المساواة من الأهمية هناك عداد جايجر Geiger's counting tube أحد وسائل الفيزياء الذرية – لتحديد آثار الجسيمات الذرية المستقلة والمعزولة .

فور دخول هذا الجهاز ذرة مشحونة بالكهرباء سريعة الحركة ينتج عندئذ شحنة كهربائية محسوسة ماكروفيزيائياً بوسيلة بارعة ملحقة بالجهاز . وعلى غرار غرفة ولسون فإن هذا الجهاز يساعد على تأكيد حقيقة الذرات ، ألا وهي تعيين عدد شميت الى جانب دراسة مستفيضة للعمليات الفيزيائية الذرية .

________________________________