اكتشاف النيوترون

اكتِشَافُ النِيُوتْرُونِ  مُصطَلَحٌ يشير إلى الخَلْفيَّة العِلْميَّة والأكاديميَّة التي أدت إلى اكتشاف الجُسَيم المحايد الذي يمثل أَحَد مكوِّنات نواة الذرَّة وعددٍ من الجُسَيمات دون الذرِّية الأخرى في القرن العشرين.

كان اكتشاف النيوترون وخصائصه محوراً جوهرياً في التطورات الاستثنائية التي شهدها علم الفيزياء الذرية في النصف الأول من القرن العشرين، فقد وضع إرنست رذرفورد في مطلع القرن نموذجاً بدائياً للذرة استناداً إلى تجربة رقائق الذهب التي أجراها هانز غايغر وإرنست مارسدن، وقد كانت كتلة الذرة وشحنتها الكهربائية الموجبة في هذا النموذج متركزة في نواة صغيرة جداً. اكتُشِفت نظائر العناصر الكيميائية مطلع عام 1920، وحُدِّدَت الكتل الذرية على أنها بشكل تقريبي مضاعفات صحيحة لكتلة ذرة الهيدروجين، كما جرى التعرف إلى العدد الذري باعتباره يمثل شحنة النواة. كان يُنظر إلى النواة طوال عقد العشرينيات على أنها مكوّنة من تركيبات من البروتونات والإلكترونات، وهما الجسيمان الأوليان الوحيدان المعروفان في ذلك الوقت، غير أن هذا النموذج واجه تناقضات عدة على المستويَين التجريبي والنظري.

تجلَّت الطبيعة الجوهرية للنواة الذرية مع اكتشاف النيوترون على يد جيمس تشادويك عام 1932، وتحديد أنه جسيم أولي جديد ومتمايز عن البروتون.

استُخدم النيوترون غير المشحون فور اكتشافه وسيلةً جديدة لاستكشاف بُنية النواة الداخلية، ما أدى إلى اكتشافات بارزة مثل إنتاج عناصر مشعة جديدة عبر تشعيعها بالنيوترونات عام 1934، وانشطار ذرات اليورانيوم بواسطة النيوترونات عام 1938. أدى اكتشاف الانشطار النووي إلى تطوير كلٍ من الطاقة النووية والأسلحة النووية مع نهاية الحرب العالمية الثانية. كان يُعتقد أن كلاً من البروتون والنيوترون جسيمان أوليَّان حتى ستينيات القرن العشرين، حين تبيَّن أنهما جسيمان مركَّبان يتكوَّنان من الكواركات.

 اكتشاف النشاط الإشعاعي 
استمرت النقاشات الحادة حول وجود الذرات من عدمه حتى بداية القرن العشرين، وكان جمعٌ من الفلاسفة مثل إرنست ماخ وفيلهلم أوستفالد ينكرون أن الذرات كائنات حقيقية، معتبرين إياها بناءً رياضياً متلاءماً، في حين كان العلماء مثل أرنولد سومرفيلد ولودفيغ بولتزمان يرون أن النظريات الفيزيائية الموضوعة تتطلب وجود الذرات.

اكتشف العالم الفرنسي هنري بيكريل عام 1896 النشاط الإشعاعي أثناء عمله مع المواد الفسفورية، واستطاع إرنست رذرفورد عام 1898 في مختبر كافندش التمييز بين نوعين من النشاط الإشعاعي، هما أشعة ألفا وأشعة بيتا المختلفتان في قدرتهما على الاختراق أو النفاذ إلى المواد العادية أو الغازات، ثم اكتشف بول فيلارد بعد عامين أشعة غاما التي امتازت بقدرة اختراق أكبر. سرعان ما حُدِّدت هذه الإشعاعات بجسيمات معروفة، فقد أظهر فالتر كاوفمان عام 1902 أن أشعة بيتا هي إلكترونات؛ وأظهر رذرفورد و عام 1907 أن أشعة ألفا هي أيونات الهيليوم؛ وأظهر رذرفورد وإدوارد اندرادي عام 1914 أن أشعة غاما هي إشعاع كهرومغناطيسي، أي أنها شكل من أشكال الضوء. وقد تبين أيضاً أن هذه الإشعاعات تنبثق من الذرات، ومن ثَمَّ فقد قدمت دلائل على العمليات التي تحدث داخل الذرات، وقد تعرف المجتمع العلمي إلى هذه الإشعاعات أيضاً بصفتها أدوات يمكن استغلالها في تجارب التشتيت لاستكشاف البنية الداخلية للذرات.

 تجربة رقائق الذهب واكتشاف النواة الذرية 

تصغير|مخطط رسمي توضيحي لنواة ذرة يوضح إشعاع بيتا السالب ، وهو انبعاث إلكترون سريع من النواة (حُذِف النيوترينو المصاحب للإلكترون من المخطط). كانت الكرة الحمراء في نموذج رذرفورد للذرة تمثل بروتوناً بشحنة موجبة، والكرة الزرقاء تمثل بروتوناً مرتبطاً بإحكام بإلكترون بدون شحنة صافية.يُظهِر الشكل الداخلي (إلى اليمين) تحلل بيتا لنيوترون حر كما هو مفهومٌ اليوم، حيث يُستحدَث إلكترون ونيوترينو مضاد في هذه العملية.
أشرَفَ رذرفورد في جامعة مانشستر على سلسلة من التجارب التي أجراها كل من هانز غايغر وإرنست مارسدن بين عامي 1908 و1913 بهدف تحديد الآلية التي تتشتت بها جسيمات ألفا عند اصطدامها برقاقة معدنية، وهي ما يعرف بتجربة رقائق الذهب أو تجربة غايغر-مارسدن. أفضت هذه الحسابات إلى اكتشاف استثنائي مفاده أنه على الرغم من أن غالبية جسيمات ألفا التي اجتازت صفيحة رقيقة من الذهب عانت انحرافاً طفيفاً، فإن قلة منها تشتتت بزوايا انحراف كبيرة. أشار التشتت إلى أن بعضاً من جسيمات ألفا ارتدت عائدة من مكون صغير ولكنه كثيف داخل الذرات. استند رذرفورد إلى هذه الحسابات، وبات جلياً له بحلول عام 1911 أن الذرة تتكون من نواة صغيرة وكثيفة تحمل شحنة موجبة وتحيط بها سحابة أكبر بكثير من الإلكترونات ذات الشحنة السالبة. وكان لِزاماً وجود الكتلة الذرية المركزة لتفسير الانحراف الملحوظ لجسيمات ألفا، وقد طور رذرفورد نموذجاً رياضياً يفسر هذا التشتت.

قوبل نموذج رذرفورد بتجاهل كبير من المجتمع العلمي، ومع هذا طوَّر نيلز بور عندما انضم إلى مجموعة رذرفورد نموذج بور للإلكترونات التي تدور حول النواة عام 1913، وهو ما أدى في النهاية إلى نموذج ذري قائم على ميكانيكا الكم بحلول منتصف عشرينيات القرن العشرين.

 اكتشاف النظائر 
عمل اختصاصيّ الكيمياء الإشعاعية فردريك سودي في جامعة غلاسكو، بالتزامن مع أبحاث رذرفورد وغايغر ومارسدن، على دراسة مشكلات كيميائية تتعلق بالمواد المشعة. وكان سودي قد عمل سابقاً مع رذرفورد في جامعة مكغيل على ظاهرة النشاط الإشعاعي.

تعرَّف سودي بحلول عام 1910 إلى نحو 40 عنصراً مشعاً مختلفاً، أُطلِق عليها اسم «العناصر المشعة»، تقع جميعها بين اليورانيوم والرصاص، رغم أن الجدول الدوري لم يكن يسمح إلا بوجود 11 عنصراً فقط في هذا النطاق. اكتشف كل من سودي وكازيميرز فايانس بشكل مستقل عام 1913 أن العنصر الذي يخضع لتحلل ألفا ينتج عنصراً يقع مكانين إلى يساره في الجدول الدوري، بينما العنصر الذي يخضع لتحلل بيتا ينتج عنصراً يقع مكاناً واحداً إلى يمينه في الجدول، كما لاحظ أن العناصر المشعة التي تحتل نفس المكان في الجدول الدوري تتشابه كيميائياً بشكلٍ تام. وأطلق سودي على هذه العناصر المتطابقة كيميائياً اسم الـ«نظائر». مُنِح سودي جائزة نوبل في الكيمياء عام 1921 لاكتشافه النظائر وأبحاثه في النشاط الإشعاعي.

تصغير|نسخة طبق الأصل من مطياف الكتلة الثالث الذي صممه فرانسيس أستون.|400x127بك

استفاد فرانسيس أستون من أعمال جوزيف جون طومسون حول انحراف الذرات موجبة الشحنة تحت تأثير الحقول الكهربائية والمغناطيسية، فبنى عام 1919 أول مطياف للكتلة في مختبر كافندش، وتمكن أستون بفضل هذا الجهاز من فصل نظيري النيون ²⁰Ne و²²Ne، وقد اكتشف ما يعرف ب، أي أن كتل الجسيمات (الذرات) تشكل علاقات عددية صحيحة بالنسبة إلى كتلة الأكسجين-16، والتي اعتبرها تساوي 16 تماماً. كان العنصر الوحيد الشاذ عن القاعدة بشكل ملفت حينها هو الهيدروجين الذي تساوي كتلته 1.008، كان الاختلاف بسيطاً جداً لكنه خارج حدود الخطأ التجريبي.

عُرِف مبدأ تكافؤ الكتلة والطاقة الذي وضعه ألبرت أينشتاين منذ عام 1905، ولذا أدرك أستون وعلماء آخرون بسرعة أن الفرق في الكتلة يرجع إلى طاقة الترابط النووي داخل الذرات. فعندما تدمج محتويات عدد من ذرات الهيدروجين في ذرة واحدة فإن طاقة هذه الذرة الواحدة لابد أن تكون أقل من مجموع طاقات ذرات الهيدروجين المنفصلة، وبالتالي فإن كتلة الذرة الواحدة تكون أقل من مجموع كتل ذرات الهيدروجين. مُنِح أستون جائزة نوبل في الكيمياء عام 1922 عن اكتشافه النظائر في عدد كبير من العناصر غير المشعة، وعن صياغته لقاعدة العدد الصحيح. وقد اقترح آرثر إدينغتون عام 1920 بالاستناد إلى اكتشاف أستون الحديث المتعلق بطاقة الترابط النووي أن النجوم قد تحصل على طاقتها من خلال دمج الهيدروجين (البروتونات) لتكوين الهيليوم، وأن العناصر الأثقل قد تتكون داخل النجوم.

 العدد الذري وقانون موزلي 

لاحظ رذرفورد وعلماء آخرون التفاوت بين كتلة الذرَّة (كما تُحسب بوحدات الكتلة الذرِّية) والشحنة التقريبية المطلوبة في النواة لكي يعمل نموذج رذرفورد، فقد كانت الشحنة المطلوبة لنواة الذرَّة تساوي عادةً نحو نصف كتلتها الذرِّية. افترض أنطونيوس فان دن بروك بجرأة أنَّ الشحنة المطلوبة، والمُشار إليها بالرمز Z، ليست نصف الوزن الذرِّي للعنصر، بل تساوي تماماً الترتيب التسلسلي للعنصر في الجدول الدوري. لم تكن يُعرف في ذلك الوقت أي دلالة فيزيائية لمواقع العناصر في الجدول الدوري. ولكن عند ترتيب العناصر وفقاً لتزايد الكتلة الذرِّية، كانت الخصائص الكيميائية تُظهِر نمطاً دورياً، ومع ذلك كانت هناك استثناءات واضحة من هذه الدورية، مثل الكوبالت والنيكل.

ناقش هنري موزلي في جامعة مانشستر عام 1913 نموذج بور للذرة مع نيلز بور نفسه أثناء زيارته للجامعة. وقد فسَّر النموذج الطيف الكهرومغناطيسي المنبعث من ذرَّة الهيدروجين، وتساءل موزلي وبور عما إذا كانت الأطياف الكهرومغناطيسية المنبعثة من العناصر الأثقل، مثل الكوبالت والنيكل، ستتبع ترتيبها حسب الوزن، أم حسب موقعها في الجدول الدوري. اختبر موزلي هذا التساؤل بشكلٍ تجريبي في الفترة ما بين عامَي 1913 و1914 باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية. وقد وجد أنَّ الخط الأكثر شدةً والأقصر طولاً موجياً في طيف الأشعة السينية لعنصر معيّن، والذي يُعرف بخط كيه-ألفا، يرتبط بموقع العنصر في الجدول الدوري، أي بعدده الذرّي Z. وقد كان موزلي في الواقع هو من قدَّم هذا الاصطلاح في التسمية. اكتشف موزلي أنَّ ترددات الإشعاع ترتبط بطريقة بسيطة بالعدد الذرِّي للعناصر لعدد كبير من العناصر.

لوحِظ خلال عام واحد أنَّ المعادلة التي توضِّح هذه العلاقة (والتي تُعرف الآن باسم قانون موزلي) يمكن تفسيرها باستخدام نموذج بور لعام 1913، مع افتراضات إضافية معقولة حول البنية الذرِّية في العناصر الأخرى. أوضح بور لاحقاً أنَّ نتيجة موزلي لم تُثبِت فقط أنَّ العدد الذرِّي هو كمية قابلة للقياس تجريبياً، بل منحت هذا العدد معنىً فيزيائياً باعتباره الشحنة الموجبة في نواة الذرَّة، فأصبح بالإمكان ترتيب العناصر في الجدول الدوري وفقاً للعدد الذرِّي، بدلاً من الكتلة الذرِّية. ربطت هذه النتيجة بين ترتيب الجدول الدوري، ونموذج بور للذرَّة، ونموذج رذرفورد لتشتت جسيمات ألفا من النوى، وقد استشهد بها رذرفورد وبور وآخرون بوصفها خطوة حاسمة في فهم طبيعة النواة الذرِّية.

توقّفَ البحث الموسَّع في الفيزياء الذرِّية بسبب اندلاع الحرب العالمية الأولى، وقُتِل موزلي عام 1915 في معركة جاليبولي. بينما كان جيمس تشادويك، تلميذ رذرفورد، معتقلاً في ألمانيا طوال فترة الحرب من 1914 إلى 1918. وانقطع عمل ليز مايتنر وأوتو هان في بحثهما حول تحديد سلاسل التحلل الإشعاعي للراديوم واليورانيوم باستخدام الفصل الكيميائي الدقيق في برلين. قضت مايتنر جزءاً كبيراً من فترة الحرب في العمل بصفة اختصاصية في علم الأشعة وفنية تصوير بالأشعة السينية قرب الجبهة النمساوية، بينما عمل الكيميائي هان في أبحاث تتعلق بحرب الغازات السامة.

 نواة رذرفورد 
وصلة=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Sir_Ernest_Rutherford_LCCN2014716719_-_restoration1.jpg|تصغير|الكيميائي والفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد.
ألقى إرنست رذرفورد عام 1920 محاضرة بيكيرية في الجمعية الملكية بعنوان «التركيب النووي للذرات»، وهي ملخص للتجارب الحديثة حول النوى الذرية والاستنتاجات المتعلقة ببنية النواة الذرية. بحلول عام 1920 كان عدد كبير من العلماء يَفترض وجود إلكترونات داخل نواة الذرة. وكان يُعتقد أن النواة تتكوَّن من نوى هيدروجين (التي عُرِفت فيما بعد بالبروتونات) بعدد يساوي الكتلة الذرية، ولكن بما أن كل نواة هيدروجين تحمل شحنة موجبة (1+)، فقد كان من الضروري وجود عدد أقل من الـ«إلكترونات داخلية» ذات الشحنة السالبة (1–) داخل النواة لإعطائها الشحنة الكلية الصحيحة لأن شحنة النواة المحصلة أقل من مجموع شحنات نوى الهيدروجين، وقد أُهملت كتلة الإلكترونات في هذه الحسابات لأنها أصغر بنحو 1800 مرة من كتلة البروتونات. كان هذا النموذج منسجماً مع تشتُّت جسيمات ألفا عن الأنوية الثقيلة، وكذلك مع الشحنة والكتلة للعديد من النظائر التي جرى التعرُّف عليها إذ ذاك، وكانت هناك دوافع أخرى لتبنِّي نموذج البروتون–الإلكترون، كما قال رذرفورد في ذلك الوقت: «لدينا أسباب قوية تدعونا إلى الاعتقاد بأن أنوية الذرّات تحتوي على إلكترونات، إضافةً إلى أجسامٍ موجبة الشحنة.»، أي إنه كان معلوماً أن إشعاع بيتا عبارة عن إلكترونات تنبعث من النواة.

افترض رذرفورد في تلك المحاضرة  وجود جسيمات جديدة، وقد كان جسيم ألفا معروفاً بكونه شديد الاستقرار؛ فكان يُفترض أنه يحتفظ بهويته داخل النواة. كان يُفترض أن جسيم ألفا يتكوَّن من أربعة بروتونات وإلكترونين مرتبطين ارتباطاً وثيقاً، بحيث تكون شحنته الصافية +2 وكتلته 4. أفاد رذرفورد في ورقةٍ بحثية نُشرت عام 1919 بما بدا أنه اكتشاف جسيمٍ جديد ثنائي الشحنة كتلته 3، أُطلق عليه الرمز X++، وقد فُسِّر بأنه يتكوَّن من ثلاثة بروتونات وإلكترون واحد مرتبطة ارتباطاً وثيقاً.

 انظر أيضاً 
 نواة الذرة
 فيزياء نووية
 تاريخ الفيزياء دون الذرية

 الهوامش 

 المراجع 
 كتب إنجليزية 

 دوريات إنجليزية 

 مواقع إنجليزية 

 كتب عربية 

 للاستزادة 
 كتب 

 وسائط 
 إرنست رذرفورد يلخص حالة الفيزياء النووية عام 1935. (7 دقائق، Nobelprize.org) 
 هانز بيته يناقش عمل تشادويك وجولد هابر حول تفكك الديوترون. (دقيقتان، Web of Stories) 

تصنيف:تاريخ الفيزياء
تصنيف:نيوترون