اكتشاف النيوترون

كان اكتشاف النيوترون وخصائصه أساسياً للتطورات غير العادية في الفيزياء الذرية التي حدثت في النصف الأول من القرن العشرين. في أوائل القرن، طور إرنست رذرفورد نموذجًا خامًا للذرة، استنادًا إلى تجربة رقائق الذهب لهانز جيجر وإرنست مارسدن. في هذا النموذج، تركزت الذرات على شحنتها الكهربية الإيجابية والسلبية في نواة صغيرة جدًا. بحلول عام 1920، تم اكتشاف نظائر كيميائية، وتم تحديد الكتل الذرية لتكون مضاعفات صحيحة لكتلة ذرة الهيدروجين، وتم تحديد العدد الذري على أنه الشحنة على النواة. خلال العشرينات من القرن العشرين، كان ينظر إلى النواة على أنها تتكون من توليفات من البروتونات والالكترونات، وهما الجسيمان الأوليان المعروفان في ذلك الوقت، ولكن هذا النموذج قدم عدة تناقضات تجريبية ونظرية. كانت الطبيعة الأساسية للنواة الذرية أنشئت مع اكتشاف النيوترون من قبل جيمس تشادويك في عام 1932 والتصميم على أنه كان جسيمًا أوليًا جديدًا، متميزًا عن البروتون. تم استغلال النيوترون غير المشحون فورًا كوسيلة جديدة دراسة البنية النووية، مما يؤدي إلى اكتشافات مثل إنشاء عناصر مشعة جديدة بواسطة الإشعاع النيوتروني (1934) وانشطار ذرات اليورانيوم بواسطة النيوترونات (1938). أدى اكتشاف الانشطار إلى إنشاء كل من القوة النووية والأسلحة النووية بحلول نهاية الحرب العالمية الثانية. ويفترض أن البروتون والنيوترون كلاهما جزيئات أولية حتى الستينيات عندما تم تحديدهما كجزيئات مركبة مبنية من الكواركات.

تجربة رقائق الذهب

في بداية القرن العشرين، لم يتم بعد حل النقاش القوي حول وجود الذرات. ونفى فلاسفة مثل إرنست ماخ وفيلهلم أوستفالد أن تكون الذرات حقيقية، واعتبروها بناء رياضي مريح، بينما رأى علماء مثل أرنولد سومرفيلد ولودفيغ بولتزمان أن النظريات الفيزيائية تتطلب وجود ذرات. اكتشفت مؤخرا في اليورانيوم والثوريوم. فصل إرنست رذرفورد النشاط الإشعاعي إلى ثلاثة أنواع: ألفا، بيتا، وأشعة جاما، اعتمادًا على قدرتها على اختراق، أو السفر إلى كائنات عادية أو غازات. سرعان ما تم تحديد هذه الإشعاعات بجسيمات معروفة: أظهرت أشعة ألفا أنها هيليوم من قبل ردرفورد وتوماس رويدز في عام 1907 ؛ وقد أظهر هنري بيكريل أن أشعة بيتا هي إلكترونات في عام 1900. وقد تبين أن أشعة جاما هي أشعة كهرومغناطيسية، أي شكل من أشكال الضوء، في عام 1914. كما تم تحديد هذه الإشعاعات بأنها تنبعث من الذرات، ومن ثم قدمت أدلة على العمليات التي تحدث داخل الذرات. وعلى العكس من ذلك، تم التعرف على الإشعاعات كأدوات يمكن استغلالها في تجارب نثرية لفحص الجزء الداخلي من الذرات. في جامعة مانشستر بين عامي 1908 و1913، ترأس رذرفورد هانز جيجر وإرنست مارسدن في سلسلة من التجارب لتحديد ما يحدث عندما تنتشر جسيمات ألفا من رقائق معدنية. تسمى الآن تجربة رذرفورد لرقائق الذهب، أو تجربة جيجر ومارسيدين، هذه القياسات جعلت اكتشافا استثنائيا أن جسيمات ألفا سوف تنتشر من حين لآخر إلى زاوية عالية عندما تمر من خلال رقائق رقيقة من الذهب. أشار التشتت إلى أن جسيمات ألفا تنعكس من مكون صغير، لكن كثيف، من الذرات. وبناءً على هذه القياسات، وبحلول عام 1911، بدا واضحًا للراذرفورد أن الذرة تتكون من نواة ضخمة صغيرة بشحنة موجبة تحيط بها سحابة أكبر بكثير من إلكترونات سالبة الشحنة. كانت الكتلة الذرية المركزة مطلوبة لتوفير الانعكاس الملحوظ لجسيمات ألفا، ووضع راذرفورد نموذجًا رياضيًا يمثل التشتت. كان نموذج رذرفورد مؤثرًا جدًا، مما حفز نموذج بور للإلكترونات التي تدور حول النواة في عام 1913، مما أدى في النهاية إلى ميكانيكا الكم بحلول منتصف العشرينات.

اكتشاف النظائر المشعة

متزامناً مع أعمال روثرفورد، جيجر، ومارسدن، كان فريدريك سودي، وهو من علماء الأشعة في جامعة غلاسكو، يدرس سلاسل الاضمحلال الإشعاعي لليورانيوم. كان سودي طالبًا في رذرفورد. أشارت دراسة سودي إلى حوالي 40 عنصرًا مشعًا مختلفًا، يشار إليها باسم العناصر المشعة، بين اليورانيوم والرصاص، على الرغم من أن الجدول الدوري يسمح فقط بـ 11 عنصرًا. بحلول عام 1913، قرر سودي أن العديد من هذه العناصر لها خصائص كيميائية مماثلة ولكن لها أوزان ذرية مختلفة. وصف هذه النظائر المشابهه كيميائيا العناصر. من أجل دراسته للنشاط الإشعاعي واكتشاف النظائر، حصل سودي على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1921. نسخة طبق الأصل من مطياف الكتلة الثالث في فرانسيس أستون بناء على العمل من قبل جيه جيه طومسون على انحراف الذرات المشحونة إيجابيا بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية، بنى فرانسيس أستون أول طيف شامل في مختبر كافنديش في عام 1919. كان هدفه هو محاولة فصل نظيرين النيون، الذي كان قادرا على القيام به بسهولة. اكتشف أستون أن كتل جميع الجسيمات هي أعداد كاملة، تسمى قاعدة العدد بالكامل، أي أن كتل جميع النظائر هي مضاعفات العدد الكلي لكتلة ذرة الهيدروجين. احتسب أستون كتلته بشكل تعسفي نسبة إلى الأكسجين 16، والتي أخذها كتلة من 16 بالضبط. (اليوم، وحدة الكتلة الذرية (amu) نسبة إلى الكربون 12.) ومن المفارقات أن الاستثناء الوحيد لهذه القاعدة كان الهيدروجين نفسه، الذي كان له قيمة جماعية قدرها 1.008. كانت الكتلة الزائدة صغيرة، ولكن خارج حالة عدم اليقين التجريبية. أدرك أستون وآخرون بسرعة أن التناقض يرجع إلى طاقة الربط للذرات، أي أن كتلة عدد من ذرات الهيدروجين المرتبطة بذرة واحدة يجب أن تكون أقل من مجموع كتل ذرات الهيدروجين المنفصلة. حدد العمل الإضافي طاقات النويدات الملزمة. حصل عمل أستون على النظائر على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1922 لاكتشاف النظائر في عدد كبير من العناصر غير المشعة، ولإعلانه لقاعدة العدد بالكامل. مشيرا إلى اكتشاف آستون الأخير لطاقة الربط النووي، في عام 1920 اقترح آرثر ادينجتون أن النجوم قد تحصل على طاقتها من خلال دمج الهيدروجين (البروتونات) في الهيليوم، وأن العناصر الثقيلة قد تتكون في النجوم.

العدد الذري وقانون موسلي

رذرفورد وآخرون لاحظوا التفاوت بين كتلة ذرة، محسوبة في وحدات الكتلة الذرية، والتهمة التقريبية المطلوبة على النواة لنموذج رذرفورد للعمل. كانت الشحنة المطلوبة للنواة الذرية عادة حوالي نصف كتلتها الذرية. في عام 1911 قام أنتونيوس فان دن بروك بتقديم اقتراح جريء بأن الشحنة المطلوبة، التي تشير إلى Z، لم تكن نصف الوزن الذري للعناصر، ولكن بدلا من ذلك كانت بالضبط مساوية للعدد الذري للعنصر، أو مكان في الجدول الدوري. في ذلك الوقت، لم تكن مواقع العناصر في الجدول معروفة بأهميتها المادية، إلا كطريقة لترتيب العناصر في تسلسلات معينة لها خصائص كيميائية مماثلة. في جامعة مانشستر في عام 1913 ناقش هنري موسلي نموذج بور الجديد للذرة مع بوهر الزائر. استأثر هذا النموذج بطيف الانبعاث الكهرومغناطيسي من ذرة الهيدروجين، وتساءل موسلي عما إذا كان أطياف الانبعاثات الكهرومغناطيسية لعناصر أثقل مثل الكوبالت والنيكل ستتبع ترتيبها حسب الوزن، أو حسب موقعها في الجدول الدوري. في عام 1913-1914، اختبر موزلي السؤال بطريقة تجريبية باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية. وجد أن خط الطول الموجي القصير الأكثر كثافة في طيف الأشعة السينية لعنصر معين، والمعروف باسم خط K-alpha، كان مرتبطا بموضع العنصر في الجدول الدوري، أي رقمه الذري، Z. قدم موسلي هذه التسمية. وجد موزلي أن ترددات الإشعاع مرتبطة بطريقة بسيطة إلى العدد الذري للعناصر لعدد كبير من العناصر. في غضون عام، لوحظ أن معادلة العلاقة، التي تسمى الآن قانون موسلي، يمكن تفسيرها من حيث نموذج بوهر عام 1913، مع افتراضات إضافية معقولة حول البنية الذرية في العناصر الأخرى. لم تؤد نتيجة موسلي، بعد حساب بور في وقت لاحق، إلى وجود عدد ذري فقط ككمية تجريبية قابلة للقياس، ولكنها أعطتها معنى ماديًا مثل الشحنة الإيجابية على النواة الذرية. يمكن ترتيب العناصر في النظام الدوري حسب العدد الذري، بدلاً من الوزن الذري. ترتبط النتيجة معاً بتنظيم الجدول الدوري، نموذج بوهر للذرة، ونموذج رذرفورد لنثر ألفا من النوى. تم الاستشهاد به من قبل رذرفورد وبوهر وغيرهم كتقدم هام في فهم طبيعة النواة الذرية. قُطعت أبحاث أخرى في الفيزياء الذرية بسبب اندلاع الحرب العالمية الأولى. قتل موسلي في عام 1915 في معركة جاليبولي، بينما كان جيمس تشادويك الطالب في روثرفورد معتقلاً في ألمانيا طوال مدة الحرب، 1914-1918. في برلين، توقف عمل ليز مايتنر وأوتو هان عن تحديد سلاسل الاضمحلال الإشعاعي من الراديوم واليورانيوم بفصل كيميائي دقيق. قضى ميتنر الكثير من الحرب يعمل كطبيب الأشعة وفني الأشعة السينية الطبية بالقرب من الجبهة النمساوية، في حين أن هان، وهو كيميائي، عمل على أبحاث في حرب الغاز السام.