إرنست رذرفورد
إرنست رذرفورد (بالإنجليزية: Ernest Rutherford) (30 أغسطس 1871 - 19 أكتوبر 1937) هو عالم فيزياء بريطاني مولود في نيوزيلندا ويُعرف باسم "أبو الفيزياء النووية". تصنفه الموسوعة البريطانية كأفضل التجريبيين منذ مايكل فاراداي.
اكتشف في أحد أعماله المبكرة العمر المنصف للعناصر المشعة، وأثبت أن النشاط الإشعاعي يشتمل على تحول العنصر الكيميائي إلى عنصر آخر، وفرق أيضاً وسمى أنواع الإشعاع إلى ألفا وبيتا. كل هذه الأعمال تمت في جامعة ماك جيل بكندا. مؤدية لحصوله على جائزة نوبل للكيمياء عام 1908، كما اكتشف نواة الذرة واقترح، سنة 1911،نموذجا يشبه النظام الشمسي، حيث تشغل النواة المركز أما الإلكترونات فتدور حولها في مدارات دائرية. ولد رذرفورد في نيوزيلندا في 30 أغسطس 1871. نال رذرفورد منحة دراسية من جامعة كامبريدج في إنجلترا، ثم انتقل للعمل في معمل كافيندش العريق تحت إشراف العالم الكبير جوزيف جون طومسون مكتشف الإلكترون، وهناك اهتم بدراسة الأشعة الصادرة من عنصر الراديوم
ثم انتقل إلى مونتريال بكندا للعمل في جامعة ماك جيل وتوصل إلى مكونات الإشعاع الصادر من الراديوم، وبين أنه يتكون من ثلاثة مكونات:
- أشعة ألفا: وهي جسيمات موجبة الشحنة قصيرة المدى تتكون من أنوية ذرة الهيليوم (أي 2 بروتون و2 نيوترون) تنبعث من الجسم المشع أثناء تحلل ذراته.
- أشعة بيتا: وهي جسيمات سالبة الشحنة ومداها أكبر من أشعة ألفا. وتتألف جسيمات بيتا من إلكترونات سريعة - تقارب سرعتها سرعة الضوء- تنبعث من نواة الذرة نتيجة من تحلل نيوترونات النواة وهي ليست الإلكترونات الخارجية التي تدور حول النواة.
- أشعة غاما: وهي موجات كهرومغناطيسية تنبعث من الجسم المشع ذات تردد عالٍ ومدى كبير جدًا ولها قدرة على النفاذ في المواد لدرجة أنها تحتاج إلى بضعة أمتار من الخرسانة لإيقافها.
وبتلك الاكتشافات الكبيرة، فإن رذرفورد يعتبر واضع أساس نظرية النشاط الإشعاعي.
عودته إلى إنجلترا
غادر رذرفورد كندا ليعود مجددًا إلى إنجلترا وينتقل إلى جامعة مانشستر عام 1907. وهناك قام باستكمال بحوثه على المواد المشعة حيث قام بسلسلة من التجارب لدراسة التصادم بين أشعة ألفا والعناصر المختلفة، وأدت تلك التجارب إلى معرفة مكونات الذرة ووضع نموذج رذرفورد الذري الذي شرح فيه تصورًا عامًا لشكل الذرة وبين أنها تتكون من نواة موجبة الشحنة وإلكترونات خارجية تدور حولها.
عام 1919 بدأ رذرفورد سلسلةً أخرى من التجارب قذف فيها أنوية ذرات العناصر بجسيمات ألفا مما حولها لعناصر أخرى نتيجة تغير التركيب الذري لها.
جائزة نوبل في الكيمياء
حصل إرنست رذرفورد على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1908 لجهوده في مجال النشاط الإشعاعي، كما حصل على لقب "فارس" عام 1914 كما عين رئيسًا لمعمل كافنديش خلفا للعالم جوزيف جون طومسون، وحصل على لقب "بارون" عام 1931 تقديرًا لإسهاماته العظيمة، وحصل كذلك على وسام فرنكلن سنة 1924.
تمت تسمية العنصر الكيميائي رذرفورديوم Rf تكريماً له عام 1997.
إسهامات أرنست رذرفورد في النشاط الإشعاعي
لقد اتضح أن النشاط الإشعاعي، الذي تم اكتشافه بطريقة غير متوقعة على يد العالم هنري بيكيريل في عام ١٨٩٦ ، أنه ينطوي على العديد من التعقيدات كلما تم التعمق في دراسته. فعلى سبيل المثال، سرعان ما اكتشف أن هناك ثلاثة أنواع من الأشعة التي تنبعث من المعادن المشعة ألا وهي ألفا وبيتا وجاما (١٨٩٩). كانت أشعة ألفا وبيتا تتكون من جسيمات (تمثلت في نوى الهليوم والإليكترونات على التوالي)، بينما كانت أشعة جاما تشبه أشعة إكس ولكنها كانت أكثر قدرة على الاختراق من أشعة إكس. وفي الوقت ذاته، تزايد اكتشاف قائمة العناصر المشعة المتعارف عليها. وسرعان ما بدأ بعد ذلك التعرف بشكل أكبر على المزيد من المعلومات الخاصة بتلك العناصر وكيفية ترتيبها فضلاً عن العلاقات القائمة بين بعضها البعض.
برز في هذا المجال العالم أرنست رذرفورد، الذي ولد في نيوزيلندا، وزميله فريدريك سودي. فقد اكتشفا أن كثيرا من العناصر المشعة ترتبط بسلاسل من التحولات. وبدأت إحدى هذه السلاسل باليورانيوم وانتهت ١٤ رابطة أخرى بعناصر ليست مشعة. مثلت كل رابطة عنصر مختلفا، سواء من حيث كونه أخف وزنا أو أن له الوزن نفسه مثل العنصر السابق له. تنبعث من بعض هذه الروابط كمية كبيرة من الإشعاع، ولكنها تتبدد بصورة هادئة وسريعة في الوقت نفسه. وفي كل عملية تحول، تنبعث أشعة ألفا وبيتا وجاما. اتسمت هذه السلاسل بالتعقيد، ولكنها كانت في الوقت نفسه منظمة وواضحة ومفهومة. حصل رذرفورد على جائزة نوبل عام ١٩٠٨ لمساهمته في علم الكيمياء. وظن البعض أن سودي كان يجب أن يتشارك معه في هذه الجائزة، ولكنه تمكن من الحصول على جائزة نوبل الخاصة به في عام ١٩٢١ .
فحص العالمان بطريقة جادة الطريقة التي "تنحل" بها العناصر في مثل هذه السلاسل، لتتحول بالتدريج إلى عناصر أخرى. ويبدو أن هناك قاعدة بسيطة تنطبق هنا. ففي وقت معين، تقل شدة إشعاع العنصر إلى أقل من نصف النسبة الطبيعية له كما لو كان نصف ذرات هذا العنصر قد تحولت أو تغيرت. وتختلف فترة عمر النصف من عنصر لآخر بدرجة هائلة وفقا لنوع العنصر المشع (حيث إن معظم العناصر ليست مشعة على الإطلاق). تبلغ فترة عمر النصف لعنصر الراديوم المشع حوالي ١٦٠٠ سنة، أما بالنسبة لعنصر البولونيوم فتبلغ ثلاث دقائق، أما فترة عمر النصف لعنصر اليورانيوم فقد بلغت ٤,٥ مليار سنة، وربما تبلغ فترة عمر النصف بالنسبة للعناصر الأخرى مائة مليون جزء من الثانية. والأمر المعتاد هو أنه كلما زادت حدة النشاط الإشعاعي، قلت فترة عمر النصف للعنصر. من الممكن أن توفر نماذج الانحلال الإشعاعي طريقة لتحديد عمر الصخور والأرض نفسها (١٩٢١).
بالرغم من ذلك، فقد كان الأمر يمثل لغزاً محيرا. فبينما كان من المؤكد أن نصف الذرات في عينة تنحل إشعاعيا في نطاق فترة عمر النصف الخاصة بها، فإنه لا توجد أية طريقة للتعرف على ماهية الذرات بالتحديد التي ستنحل فعليا فجميع هذه العناصر تبدو قابلة للتحول إلى عناصر أخرى بغض النظر عما قد حدث لها قبل ذلك. ولذلك، فبينما قد تم التعرف بدقة على النتائج المتعلقة بعدد ضخم من الذرات، فإنه إذا كانت هناك ذرة واحدة، لن يكون هناك أية فرصة للتأكد على الإطلاق؛ حيث كل ما سيسود هو مجرد احتمالات بعيدة عن التأكد التام. وبالنسبة لعلماء الفيزياء في القرن التاسع عشر، فهم يرون أن جميع الأحداث التي حدثت في أي وقت كانت محددة بدقة نظر لما حدث من قبل. نتيجة لذلك، قلت نسبة الاعتقاد في ضرورة وجود سبب وراء حدوث أية ظاهرة. وفي كل هذه الأجواء من الشك وعدم التأكد، ظهر بالفعل فرع جديد من العلم ألا وهو فيزياء الكم 1909.
إسهامات أرنست رذرفورد في علم الكيمياء الحديثة
راود علماء الكيمياء القديمة حلم بصدد مدى قدرتهم على تحويل المعادن العادية مثل الرصاص إلى معادن نفيسة مثل الذهب. ولكن، بدا ذلك مستحيلاً بمجرد أن اكتشف العالم جون دالتون (١٨٠٨) أن العناصر الكيميائية تتكون من ذرات ثابتة لا يمكن تفكيكها. وتعمل هذه الذرات على إعادة ترتيب أوضاعها في جزيئات أخرى لمركبات مختلفة، إلا أن تحويل عنصر الرصاص إلى ذهب ليس من ضمن هذه التحويلات.
في عام ١٩١٩، أكد العالم أرنست رذرفورد الذي ولد في نيوزيلندا وعمل في جامعة مانشستر وحصل على جائزة نوبل أنه كان من أوائل علماء الكيمياء القديمة في العصر الحديث. فلم يقم بتحويل الرصاص إلى ذهب، بل قام بتحويل النيتروجين إلى أكسجين الأمر الذي لم يكن ذلك سهلاً في جميع الأحوال. وكان ذلك العالم ما يزال يعمل في جسيمات ألفا، التي أصبحت ذات أهمية محورية في إثبات أن لكل ذرة نواة متناهية الصغر (١٩٠٩). أما عن هذه الجسيمات، التي تنطلق بوساطة تلك العناصر المشعة مثل البولونيوم، فقد تم إثبات أنها تمثل نوى لذرات الهليوم ويبلغ عدد شحناتها اثنين وكتلتها أربعة (١٩٠٣).
قام العالم رذرفورد وفريقه بتحويل هذه الجسيمات إلى غازات مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين لكي يرى ما قد يحدث نتيجة لذلك. وكانت نتائج تحويل هذه الجسيمات إلى نيتروجين بمثابة مفاجأة كبرى. فقد أظهرت شاشة التعقب انطلاق بعض الجسيمات الفعالة الناتجة من عملية التحويل. ولم تكن هذه الجسيمات تنتمي إلى ذرات النيتروجين التي انطلقت من الغاز بواسطة أشعة ألفا ولا تنتمي حتى إلى بعض جسيمات ألفا المتناثرة، ولكنها كانت عبارة عن ذرات من الهيدروجين التي لم تفقد سوى إليكترون واحد فقط. فلو دخلت ذرة هليوم خلال هذا التفاعل وخرجت ذرة هيدروجين، فلا بد إذن أن يتحول النيتروجين إلى أكسجين. خلاف ذلك، لن تعمل الكتل والشحنات التي تنتمي إلى العديد من الجسيمات على تكوين أي شيء جديد. وقد تم تقسيم نواة الهليوم ونواة النيتروجين، كما تمت إعادة ترتيب عناصرهما. لقد استطاع العالم رذرفورد بالفعل أن يقوم بتحويل عنصر إلى عنصر آخر. ويمكننا أن نستنتج من ذلك أن علم الكيمياء القديمة يمكن تطبيق بعض مبادئه على أرض الواقع.
لقد تنبأ العالم رذرفورد أنه إذاكان بإمكانه إمداد الجسيمات بطاقة كبيرة، فإن نوى الكثير من العناصر من الممكن أن تنقسم للكشف عما يجرى بداخلها. من ناحية أخرى، لم يحدث ذلك الأمر إلا بعد مرور عشر سنوات تقريبا (معمل كافندش ١٩٣٢). لقد قام العالم أرنست رذرفورد بإتمام الكثير من مهام هذا العمل مع انتهاء الحرب العالمية الأولى، الأمر الذي لم يمكنه من حضور اجتماعات إحدى الجان المهمة لمناقشة استخدام العلم في الحروب المضادة للغواصات. وقد كتب في اعتذار له عن ذلك الموضوع قائلاً؛ أعتقد أن عملية تفتيت نواة الذرة التي انشغلت بإجرائها تعتبر عملاً ذ أهمية كبيرة عن الاهتمام بشئون الحرب". ١٩٢٠
من الأشياء المهمة التي ينبغي على رجال العلم القيام بها الاهتمام بإدارة شئونهم المتعلقة بعملهم، وإلا فإنهم لن يستطيعوا تحقيق التقدم مثل سائر أصحاب الوظائف الأخرى. أرنست رزرفورد
تلخص هذه المعادلة إنجاز العالم أرنست رذرفورد الذي حققه في سنة ١٩١٩؛ حيث قام بتحويل عنصر إلى عنصر آخر، وهو ما كان يمثل حلما لدى علماء الكيمياء القديمة. لقد جعلت هنا ذرات الهليوم (جسيمات ألفا المنطلقة من أحد العناصر المشعة) تصطدم مع ذرات غاز النيتروجين. وقد تولدت ذرات الهيدروجين النشطة للغاية؛ حيث لن يتضح ذلك إلا بافتراض تحول النيتروجين إلى أكسجين.
يمثل الرقم السفلي لكل عنصر هنا في المعادلة العدد الذري الذي يمثل عدد البروتونات في نواة الذرة (والذي يحدد أيضا عدد الإليكترونات التي يحتوي عليها ذلك العنصر، وبذلك يمكن معرفة ماهية ذلك العنصر). بينما يمثل الرقم العلوي لكل رمز كيميائي الوزن الذري الذي يمثل عدد البروتونات والنيوترونات (وهو الأمر الذي لم يتم إثبات وجوده إلا في عهد رذرفورد). وفي هذه الحالة، يتم حفظ كل من العدد الذري والوزن الذري.
إسهامات أرنست رذرفورد في مجال علم الذرة
يرجع أصل كلمة "الذرة" إلى اللغة اليونانية؛ حيث تشير تلك الكلمة إلى أصغر وحدة غير قابلة للانقسام. وبحلول العقود الأولى من القرن العشرين، لم يعد ذلك المصطلح مناسبا. فقد كان من الواضح أن الذرات لها العديد من المكونات المختفية بداخلها، والتي يمكن لها أن تنفصل. فقد اكتشف العالم طومسون مكانا للإليكترونات ذات الشحنات السالبة داخل الذرات (١٨٩٩). وقد اتضح أن الشحنة المتبقية الموجبة كانت موجودة داخل نواة أو كتلة مركزية متناهية الصغر (١٩٠٩)، والتي تقوم الإليكترونات بالدوران حولها (١٩١١). ولكن يبقى السؤال: ما مكونات النواة؟ وهل يمكن أن تنقسم هذه المكونات؟
قبل ذلك الوقت بقرن كامل، اقترح عالم الكيمياء الإنجليزي أدورد براوت أن كل الذرات تتكون من ذرات الهيدروجين، ولكن لم تستطع القياسات التي كانت مفروضة لقياس الوزن الذري في ذلك الوقت تدعيم تلك الفكرة (دالتون ١٨٠٨). فلم يبد هناك أية ذرات لها الوزن الذري نفسه الذي لذرات الهيدروجين. فالكلور، على سبيل المثال، يزن مقدار ٣٥,٥ مرة حجم ذرة الهيدروجين. ولكن اكتشاف النظائر المتمثلة في الأشكال المتعددة التي يتخذها العنصر بأوزان ذرية مختلفة (١٩٠٧) قد ساهم في حل هذه المشكلة. اعتقد العالم أرنست رذرفورد — رائد تلك الفروع من المعرفة - أن كل نواة تتكون من جسيمات متطابقة أطلق عليها اسم بروتونات، والتي يساوي عددها الوزن الذري للعنصر. وبذلك، تحتوي نواة الأكسجين على ١٦ بروتونا، ونواة الكربون على ١٢ بروتونا ونواة الكلور على ٣٥ أو٣٧ بروتونا وهكذا.
لكن كانت هناك مشكلة ما تمثلت في اكتساب خاصية جديدة عن الذرات أهمية كبيرة إنها خاصية العدد الذري، الذي يساوي عدد الإليكترونات في ذرة أو عدد الشحنات الموجبة في نواة الذرة. فعنصر الكربون على سبيل المثال، يبلغ عدده الذري ٦، بينما في الأكسجين يبلغ ٨، وبالنسبة للكلور فيبلغ دائما ١٧ . وجدير بالذكر أن العدد الذري يعد من الأمور المهمة. فالعناصر الموجودة في الجدول الدوري (١٨٦٩) قد تم ترتيبها بشكل أفضل بناء على العدد الذري بدلاً من الاعتماد على الوزن الذري.
ربما تحتوي النواة أيضا على إليكترونات لا تؤثر كثيراً على وزن الذرة، ولكنها قادرة على عمل موازنة مع الشحنة الموجبة، مما يؤدي بالتالي إلى وجود اختلاف بين الوزن الذري والعدد الذري. ولذلك، فالشكل المعتاد من ذرة الكربون يعتمد على وجود ١٢ بروتونا و ٦ إليكترونات، بينما تحتوي ذرة الكلور على ٣٥ أو ٣٧ بروتونا تتم معادلتها مع ١٨ أو ٢٠ إليكترون. إذا تم استبعاد أي من هذه الإليكترونات من ذرات العناصر المشعة الثقيلة، فيمكن أن تكون هذه الإليكترونات المطرودة مصدراً لجسيمات بيتا التي فسرها العالم رذرفورد للمرة الأولى في عام ١٨٩٩ (النشاط الإشعاعي).
في عام 1920، كانت لدى العالم رذرفورد نفسه فكرة أفضل. تمثلت هذه الفكرة في تصويره لأحد الجسيمات المصاحبة لحركة بروتون في ذرة ما، ولاحظ أن هذا الجسيم ينتمي إلى الكتلة نفسها، ولكنه لا يحتوي على أية شحنات كهربائية. فأطلق رذرفورد على ذلك الجسيم اسم النيوترون. إلا أنه لم يتم الكشف عن أسرار النيوترون لمدة ١٢ سنة أخرى (معمل كافندش ١٩٣٢). وبالتالي، فسرت نظرية وجود النيوترون وجود النظائر لعنصر ما، حيث تحتوي هذه النظائر على العدد نفسه من البروتونات وعدد مختلف من النيوترونات. ولذلك، يحتوي نظيرا الكلور على ١٧ بروتونا ويصاحبهما إم ١٨ أو ٢٠ نيوترونا. كذلك، ثمة تفسير لوجود جسيمات بيتا. ربما في العناصر المشعة تتحول النيوترونات بطريقة تلقائية إلى بروتونات، والتي تقذف بدورها الإليكترونات خارج الذرة للحفاظ على الشحنة الكهربائية ثابتة.
توقع العالم رذرفورد أيضا أن وجود النيوترون يساعد على الحفاظ على وحدة البروتونات معا، وإلا سيؤدي التنافر المتبادل بينها إلى نسف النواة. كما افترض العالم رذرفورد وجود قوى جذب جديدة، والتي سوف تتم تسميتها فيما بعد بالقوى المؤثرة والتي تنشأ فقط بين البروتونات والنيوترونات (١٩٣٦). والمثير للدهشة في هذه النقطة هو أن رذرفورد كان سابقا لعصره. فهذه القوى التي اكتشفها عملت في يوم من الأيام. على إدارة مفاعلات الطاقة النووية وتصنيع القنبلة الذرية (الانشطار النووي ١٩٣٨).
وفاته
توفي العالم إرنست رذرفورد عام 1937 عن عمر يناهز 66 عاماَ في كامبريدج.
