مدل رادرفورد: کشف هسته مرکزی اتم
از کیک کشمشی تا منظومه خورشیدی: سیر تکامل مدل اتمی
برای درک اهمیت کشف رادرفورد، باید بدانیم دانشمندان قبل از او اتم را چگونه تصور میکردند. جی. جی. تامسون که الکترون را کشف کرده بود، مدلی موسوم به «مدل کیک کشمشی»۵ ارائه داد. در این مدل، اتم به صورت یک کرهٔ یکنواخت با بار الکتریکی مثبت در نظر گرفته میشد که الکترونهای با بار منفی مانند کشمشهای داخل کیک، درون آن پراکنده بودند. این مدل ساده، برای سالها پذیرفته شده بود تا اینکه شاگرد تامسون، یعنی ارنست رادرفورد، با یک آزمایش نبوغآمیز آن را به چالش کشید.
آزمایش ورقهٔ طلا: شلیک ذرات آلفا به سوی اتمها
رادرفورد و همکارانش (گایگر و مارسدن) در سال 1911 آزمایشی طراحی کردند. آنها پرتوهایی از ذرات آلفا۶ (که هستهٔ اتم هلیوم و بار مثبت دارند) را به سوی یک ورقهٔ بسیار نازک طلا شلیک کردند. دور تا دور ورقه، صفحهای فلزی پوشیده از سولفید روی قرار داشت که در برخورد ذرات آلفا، نور سوسوزنی ایجاد میکرد و میتوانستند مسیر ذرات را ردیابی کنند.
اگر مدل تامسون درست بود، ذرات آلفای سنگین و پرانرژی باید تقریباً بدون انحراف از ورقهٔ طلا عبور میکردند یا انحراف بسیار کمی داشتند (مثل شلیک یک توپ جنگی به سوی یک تودهٔ نرم کشمشی!). اما نتایج شگفتانگیز بود:
| نحوهٔ برخورد ذرات آلفا | مشاهده در آزمایش | نتیجهگیری و تفسیر |
|---|---|---|
| عبور مستقیم و بدون انحراف | اکثریت قریب به اتفاق ذرات | بیشتر فضای اتم خالی است! ذرات از فضای خالی بین ذرات باردار عبور کردهاند. |
| انحراف با زاویههای کوچک | تعداد کمی از ذرات | ذرات از کنار مرکز باردار مثبت (هسته) گذشته و کمی منحرف شدهاند. |
| انحراف شدید (بیش از 90 درجه) | حدود 1 ذره از هر 8000 ذره | شگفتانگیز این ذرات مستقیماً به یک جسم کوچک، بسیار سنگین و باردار مثبت برخورد کرده و بازگشتهاند. این جسم همان هسته است. |
اجزای اصلی مدل رادرفورد
بر اساس نتایج آزمایش، رادرفورد مدل جدید خود را اینگونه معرفی کرد:
1. هسته مرکزی: بخشی کوچک، فشرده و بسیار سنگین در مرکز اتم که تمام بار مثبت و تقریباً تمام جرم اتم در آن متمرکز است. اندازهٔ هسته در مقایسه با کل اتم بسیار ناچیز است. اگر اتم را به اندازهٔ یک استادیوم ورزشی فرض کنیم، هسته فقط به اندازهٔ یک مروارید در مرکز آن است!
2. الکترونها: ذراتی با بار منفی و جرم بسیار ناچیز که با سرعت زیاد در فضای اطراف هسته (فضای تقریباً خالی) میچرخند. بار منفی الکترونها با بار مثبت هسته، اتم را در حالت عادی خنثی نگه میدارد.
3. فضای خالی: بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل میدهد. این توضیحدهندهٔ عبور اکثر ذرات آلفا از ورقهٔ طلا بود.
مدل رادرفورد در عمل: از پزشکی تا انرژی
این مدل تنها یک نظریهٔ انتزاعی نبود. درک وجود یک هستهٔ سنگین در مرکز اتم، دروازهای به سوی دنیای فیزیک هستهای گشود. چند نمونه از کاربردهای عملی که ریشه در این کشف دارند:
• پرتوهای پزشکی: در رادیوتراپی برای درمان سرطان، از پرتوهای پرانرژی (مانند پرتو گاما) برای هدفگیری و نابودی سلولهای سرطانی استفاده میشود. این پرتوها با تاثیر بر هستهٔ اتمهای سلولها عمل میکنند.
• تاریخگذاری رادیوکربن۸: با اندازهگیری میزان ایزوتوپ۹ کربن-14 در آثار باستانی، میتوان سن آنها را تعیین کرد. این روش مستقیماً بر پایهٔ ناپایداری هستهٔ این اتمها (واپاشی هستهای) استوار است.
• تولید انرژی هستهای: نیروگاههای هستهای با استفاده از شکافت۱۰ هستههای سنگین مانند اورانیوم-235، انرژی عظیمی تولید میکنند. این فرآیند زمانی ممکن شد که دانشمندان فهمیدند هسته را میتوان تقسیم کرد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. رادرفورد تنها وجود هسته و چرخش الکترونها به دور آن را مطرح کرد، اما نقشهٔ دقیق یا مدارهای کوانتومی الکترونها را مشخص نکرد. توضیح چگونگی قرارگیری الکترونها و پایداری مدارهای آنها را بعدها نیلز بوهر ارائه داد (مدل بور). مدل رادرفورد بیشتر شبیه به یک منظومهٔ شمسی کلاسیک بود.
پاسخ: این مهمترین ضعف مدل رادرفورد از دید فیزیک کلاسیک بود. بر اساس قوانین الکترومغناطیس، ذرهی باردارِ در حال شتاب (مانند الکترونی که دور هسته میچرخد) باید انرژی خود را به صورت موج الکترومغناطیسی تابش کند و در نتیجه انرژی از دست داده و به صورت مارپیچی به سوی هسته سقوط کند. اما در واقعیت اتمها پایدارند. این تناقض با فیزیک کلاسیک، راه را برای ارائهٔ نظریهٔ کوانتومی و مدل بور باز کرد.
پاسخ: به هیچ وجه منسوخ نشده است. پایهای و کاربردی هستهی مرکزی متراکم و باردار، کماکان یکی از ارکان اساسی فیزیک اتمی و هستهای مدرن است. مدلهای امروزی (مانند مدل ابر الکترونی یا مدل کوانتومی) بسیار پیشرفتهتر و پیچیدهتر هستند، اما همچنان مفهوم هسته که رادرفورد کشف کرد، در قلب همهٔ آنها قرار دارد. این مدل یک گام ضروری و انقلابی در مسیر درک ساختار اتم بود.
پاورقی
۱ هسته (Nucleus): بخش مرکزی، سنگین و باردار مثبت اتم، متشکل از پروتون و نوترون.
۲ الکترون (Electron): ذرهای زیراتمی با بار الکتریکی منفی که به دور هسته میچرخد.
۳ آزمایش ورقهٔ طلای رادرفورد (Rutherford gold foil experiment).
۴ مدل تامسون یا مدل کیک کشمشی (Thomson model / Plum pudding model).
۵ Plum Pudding Model.
۶ ذره آلفا (Alpha particle): هستهٔ اتم هلیوم-۴ متشکل از دو پروتون و دو نوترون.
۷ قانون کولن (Coulomb's law).
۸ تاریخگذاری رادیوکربن (Radiocarbon dating).
۹ ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با تعداد نوترون متفاوت.
۱۰ شکافت هستهای (Nuclear fission).
