تجربة رذرفورد ونموذج النواة
يفسّر نفاذ معظم جسيمات ألفا خلال صفيحة الذهب وانحراف قليل منها وارتداد بعضها، ويستنتج منها أن شحنة الذرة الموجبة وكتلتها متمركزتان في نواة صغيرة جدًا.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: تشتت رذرفورد — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٤): تجربة رذرفورد — ص ٨
خطوات التجربة
افتح شاشة «ذرة على نموذج كيكة البرقوق»، وفعّل «إظهار الأثر»، ثم اضغط زر مدفع جسيمات ألفا. سجّل ما يحدث لمسارات جسيمات ألفا: هل ينحرف أي منها انحرافًا كبيرًا؟
افتح شاشة «ذرة رذرفورد»، وفعّل «إظهار الأثر»، وأطلق جسيمات ألفا. صنّف المسارات إلى: نافذة بلا انحراف، ومنحرفة قليلًا، ومرتدة إلى الخلف، وقدّر نسبة كل منها.
لاحظ أين تمر الجسيمات التي ترتد: بعيدًا عن النواة أم قريبًا جدًا منها؟
زِد «عدد البروتونات» في النواة إلى أكبر قيمة، وأطلق الجسيمات مرة أخرى، وقارن مقدار الانحراف بما كان.
أعد عدد البروتونات، ثم غيّر «الطاقة:» الخاصة بجسيم ألفا إلى أقلها ثم إلى أكبرها، وقارن الانحراف في الحالتين.
قارن ما رأيته في الشاشتين، وحدّد أي النموذجين يفسّر ارتداد بعض جسيمات ألفا.
الفكرة العلمية
قذف رذرفورد وفريقه صفيحة رقيقة من الذهب بجسيمات ألفا الموجبة، وهي أنوية ذرات الهيليوم. ووفق نموذج ثومسون، حيث الشحنة الموجبة موزعة في كرة الذرة كلها، كان المتوقع أن تنفذ الجسيمات جميعها بانحرافات صغيرة، وهذا ما أظهرته شاشة نموذج ثومسون. لكن التجربة بيّنت أن معظم الجسيمات نفذ بلا انحراف، فالذرة معظمها فراغ؛ وأن قليلًا منها انحرف بزوايا كبيرة وارتد بعضها، وهذا لا يحدث إلا بتنافر شديد مع جزء موجب صغير جدًا تتركز فيه كتلة الذرة، سماه رذرفورد النواة. ويزداد الانحراف كلما مر الجسيم أقرب من النواة، وكلما زادت شحنتها الموجبة، ويقل كلما زادت طاقة جسيم ألفا. واستنتج رذرفورد أن الإلكترونات السالبة تدور حول النواة في الفراغ المحيط بها. والمحاكاة تعرض ذرة واحدة مكبّرة، أما التجربة الحقيقية فصفيحة فيها آلاف الطبقات من الذرات وشاشة من كبريتيد الخارصين لرصد الجسيمات.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
ماذا يدل عليه نفاذ معظم جسيمات ألفا خلال الذرة دون انحراف؟
- أن جسيمات ألفا متعادلة الشحنة
- أن معظم حجم الذرة فراغ
- أن الذرة كرة مصمتة من الشحنة الموجبة
- أن الإلكترونات تمنع انحراف الجسيمات
اعرض الإجابة
ب) أن معظم حجم الذرة فراغ
لو كانت الذرة مصمتة لانحرف معظم الجسيمات أو ارتد، فنفاذها الحر يعني أن معظم حجم الذرة خالٍ. وجسيمات ألفا موجبة لا متعادلة، وهذا شرط التنافر الذي سبّب انحراف القليل منها.
في شاشة «ذرة رذرفورد»، أي جسيمات ألفا تنحرف أكثر؟
- التي تمر بعيدًا عن النواة
- التي تمر بين الإلكترونات
- كل الجسيمات تنحرف بالمقدار نفسه
- التي تمر قريبًا جدًا من النواة
اعرض الإجابة
د) التي تمر قريبًا جدًا من النواة
قوة التنافر بين جسيم ألفا والنواة الموجبة تزداد كثيرًا كلما قلت المسافة بينهما، فالجسيم الذي يقترب جدًا منها ينحرف بشدة وقد يرتد. والإلكترونات خفيفة جدًا مقارنة بجسيم ألفا فلا تسبب انحرافًا يُذكر.
زدت «عدد البروتونات» في النواة. ماذا يحدث لانحراف جسيمات ألفا؟
- يزداد لأن التنافر مع النواة صار أقوى
- يقل لأن النواة صارت أثقل
- لا يتغيّر لأن الجسيمات نفسها
- تنجذب الجسيمات نحو النواة
اعرض الإجابة
أ) يزداد لأن التنافر مع النواة صار أقوى
زيادة البروتونات تزيد الشحنة الموجبة للنواة، فيزداد تنافرها مع جسيم ألفا الموجب ويزداد الانحراف. ومن اختار الانجذاب نسي أن الشحنتين موجبتان. ولذلك اختار رذرفورد الذهب، فنواته كبيرة الشحنة.
قارن حجم الجزء الموجب من الذرة في نموذج ثومسون بما نتج عن تجربة رذرفورد، معتمدًا على ما رأيته في الشاشتين.
اعرض الإجابة
في نموذج ثومسون يملأ الجزء الموجب حجم الذرة كله، ولذلك لا تتركز قوة كافية لحرف جسيمات ألفا بشدة فتمر كلها بانحرافات صغيرة. أما في نموذج رذرفورد فالجزء الموجب نواة صغيرة جدًا في المركز، فيمر معظم الجسيمات بلا انحراف وينحرف بشدة ما يقترب منها، وهذا يطابق نتيجة التجربة.
لماذا كانت هذه التجربة سببًا في التخلي عن نموذج ثومسون؟
اعرض الإجابة
لأن نموذج ثومسون يتنبأ بانحرافات صغيرة لكل الجسيمات، ولا يستطيع تفسير ارتداد بعضها إلى الخلف. فلما خالفت النتيجة التجريبية تنبؤ النموذج استُبدل به نموذج يفسّرها، وهو نموذج النواة. وهذا مثال على أن النموذج العلمي يُعدَّل أو يُترك إذا خالفته التجربة.