الحلقة رقم 3 تجارب علمية لها اثرها في تطور الفيزياء الجزء الثاني

[align=center]http://mzmz24.jeeran.com/salam.gif
http://www.sh11sh.com/sh11sh1/taheyatayeba.gif

http://www.sh11sh.com/sh11sh1/50.gif

نفتتح اليوم باذن الله الحلقة الثالثة من حلقات الحوار العلمي في مجموعة جديدة من تجارب فيزيائية اثرت في تطور الفيزياء. وسوف نتناول في هذه الحلقة التجارب الفيزيائية التالية:


http://eteamz.active.com/collinshill...linestars1.gif

(1) تجربة طومسون لتعيين النسبة بين كتلة الإلكترون وشحنته e/m experiment

(2) تجربة ميليكان لقطرة الزيت Millikan’s Oil Drop Experiment

(3) تجربة رزرفورد Rutherford experiment

(4) تجربة زيمان zeeman experiment

http://eteamz.active.com/collinshill...linestars1.gif


[align=center]على ان يكون الشرح مفصل ومدعم بالصور والرسومات التوضيحية.[/align]

http://es.appleweblog.com/wp-content...07/studing.jpg


نرجو من الاعضاء الراغبين في المشاركة في التحضير لشرح اي تجربة من هذه التجارب مراسلتي على البريد الخاص للتنسيق وعمل اللازم، حيث سيتم نشر هذه المواضيع حسب التسلسل الوارد في يوم 2-6-2007. وذلك لفتح باب النقاش والحوار العلمي الهادف لمدة اسبوع من تاريخ النشر


:1: نحو عمل :eh_s (15) مشترك مميز :1:[/align]
[align=center]تحياتي[/align]

[align=center]السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

موضوعنا لهذه الحلقة يختص باربعة تجارب هي

(1) تجربة طومسون لتعيين النسبة بين كتلة الإلكترون وشحنته e/m experiment

(2) تجربة ميليكان لقطرة الزيت Millikan’s Oil Drop Experiment

(3) تجربة رزرفورد Rutherford experiment

(4) تجربة زيمان zeeman experiment

وهذه التجارب هي سلسلة من التجارب التي تشرح مسيرة كفاح اربعة علماء كل واحد فيهم اكمل عمل الاخر فالعالم طومسون اكتشف الالكترون وشحنته وقاس بتجربة عملية النسبة بين شحنة الالكترون إلى كتلته ووضع نموذج افتراضي لتصوره حول شكل الذرة وتركيبها ثم تلاه العالم مليكان ليقوم بتجربة رائعة حسب فيها قيمة شحنة الالكترون من خلال تجربة قطرة الزيت، اما العالم رزرفورد وهو احد طلبة العالم طومسون الذي قام بفحص نموذج طومسون للذرة من خلال اول تجربة عملية على المستوى الذري اثبت فيها عدم صحة نموذج طومسون الا بتعديل بعض الافتراضات ليحقق بذلك تقدما نوعيا في تصوره للذرة وهذا من خلال تجربة قام بها واشتهرت باسمه، اما العالم زيمان فقد كان له الدور الاساسي التحقق من نتائج معادلة شرودنجر من خلال تجربة عملية عرفت باسمه.

http://www.w6w.net/album/35/w6w20050...0916d134c1.gif

اعزائنا اعضاء المنتدى

باطلاعك على هذه التجارب وقراءة شرح كل تجربة ستجد انها تعتمد على مبادىء الفيزياء الاساسية وسوف يجول في خاطرك الكثير من الاستفسارات والاسئلة حولها، لا تتردد في طرح هذه الاسئلة والاستفسارات على هذه الصفحة ويسعدنا ان نقوم بتقديم الاجابة الوافية.

حاول ان تستخلص اهم ما في الموضوع وهو كيف يفكر العلماء

بانتظار مشاركاتكم :f32ef: وتفاعلكم في الموضوع

تحياتي


.
.
.
[/align]

[align=center]تجربة ج ج طومسون لتعيين النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلته[/align]


في العام 1897 قام العالم ج ج طومسون J. J. Thomson في مختبر كافندش في كامبردج ببريطانيا بإجراء تجربة ناجحة تمكن فيها من قياس النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلته، حيث اعتمد في ذلك على قياس انحراف الإلكترون في وسط فيه مجال كهربي ومجال مغناطيسي. وللتعرف على سيرة حياة العالم طومسون اضغط على هذا الرابط http://nobelprize.org/nobel_prizes/p...omson-bio.html

[align=center]http://nobelprize.org/nobel_prizes/p...06/thomson.gif
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...J._Thomson.png[/align]

العالم ج ج طومسون عالم كيميائي بريطاني عمل ككيميائي وفيزيائي في جامعة كامبردج وكان له دور كبير في الكشف عن الكثير من الحقائق المتعلقة بالذرة ومكوناته في الوقت الذي لم يكن يعرف عن الذرة سوى الكم الضئيل من المعلومات وقد وضع في نهاية مشواره العلمي نموذج للذرة عرف باسمه نموذج طومسون وكان هذا أول نموذج تصوري للذرة ومحتوياتها. ركز طومسون على دراسة العلاقة بين الكهرباء والمادة وذلك عن طريق مليء أنبوبة زجاجية بغاز عند ضغط منخفض (مثل غاز الزئبق او النيون أو الزينون) وطبق فرق جهد كهربي كبير على طرفي الأنبوبة الزجاجية. يمر التيار الكهربي بين طرفي (الكاثود والانود) الأنبوبة الزجاجية عبر الغاز وسمى هذا التيار بتيار الكاثود. أجرى طومسون العديد من التجارب والتي حصل منها على النتائج التالية:

[align=center]http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...athodetube.gif

مخطط يوضح أنبوبة طومسون التي استخدمها لدراسة تأثير الكهرباء على المواد[/align]

نتائج
(1) إن وجود مجال كهربي او مغناطيسي يحيط بأنبوبة الكاثود يؤدي إلى انحراف أشعة الكاثود.

(2) بتطبيق مجال كهربي فقط او بتطبيق مجال مغناطيسي فقط أو بتطبيق المجالين معا فانه تمكن من قياس النسبة بين الشحنة الكهربية الحاملة لتيار المهبط وكتلتها (لم يكن الإلكترون معروفا في ذلك الوقت)

(3) اكتشف أيضا إن النسبة بين الشحنة إلى الكتلة لتيار الكاثود لا تتغير بتغير الغاز المستخدم أو بتغير مادة الكاثود.

استنتاجات
(1) استنتج أيضا إن أشعة الكاثود مكونة من جسيمات دقيقة جدا مشحونة بشحنات سالبة أطلق عليها الالكترونات.

(2) استنتج أيضا إن هذه الالكترونات تأتي من الذرات المكونة لغاز داخل الأنبوبة او من المادة المعدنية للكاثود أو الانود.

(3) استنتج من خلال ثبات النسبية بين شحنة الإلكترون إلى كتلته في أكثر من مادة إنها المكون الرئيسي لذرات أي مادة.

(4) وبسبب أن النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلته كبيرة جدا استنتج أن الالكترونات صغيرة جداً.

[align=center]http://www.manep.ch/img/photo/challe...s/thompson.jpg
[/align][align=center]طومسون في مختبره يعمل ويرصد النتائج[/align]

فيما بعد تقدم الفيزيائي الأمريكي روبرت مليكان Robert Milikan بقياس دقيق لقيمة الشحنة الكهربية للإلكترون. وبهذا أصبح متوفر قيمة للنسبة بين شحنة الإلكترون وكتلته وقيمة شحنة الإلكترون إذا أصبحت قيمة كتلة الإلكترون معروفة وتساوي 9.1x10-31Kg ولنتصور مدة صغر هذا الرقم نتخيل قطعة نقدية كتلتها 2.5 جرام بإجراء حساب بسيط نستطيع أن نجد إن عدد الالكترونات التي تكون هذه القطعة المعدنية يصل إلى بليون بليون بليون إلكترون!

نستنتج مما سبق إن العالم طومسون هو أول من اكتشف الإلكترون وهو من سماه إلكترون وهو من عرف إن شحنته سالبة. كيف توصل طومسون إلى كل هذه الاستنتاجات في العام 1897 وما هي تفاصيل التجربة التي قام بها، هذا ما سوف نتناوله في هذا الشرح.

مبادئ وأساسيات
الشحنة والمجال الكهربي
نعلم إن المجال الكهربي يؤثر على الشحنة الكهربية بقوة كهربية تعطى بالعلاقة

[align=center]Fe = q E[/align]
حيث Fe هي القوة الكهربية و q الشحنة الكهربية و E المجال الكهربي

وعليه إذا وضعت شحنة كهربية في مجال كهربي فإنها سوف تتحرك في اتجاه المجال إذا كانت شحنتها موجبة وتتحرك في عكس اتجاه المجال إذا كانت شحنتها سالبة.

الشحنة والمجال المغناطيسي
نعلم إن المجال المغناطيسي يؤثر على الشحنة الكهربية بقوة مغناطيسية اذا كانت الشحنة تتحرك بسرعة في المجال الكهربي. وتعطى القوة المغناطيسية بالعلاقة

[align=center]Fm = q v B[/align]

حيث Fm القوة المغناطيسية و q الشحنة الكهربية وv سرعة الشحنة و B المجال المغناطيسي.
وعليه إذا أطلقت حزمة من الشحنات في اتجاه مجال مغناطيسي فانه سوف تتحرك في مسار دائري ويمكن تحديد اتجاه القوة المؤثرة على حركة الشحنة باستخدام قاعدة فلمنج لليد اليمنى وتكون حركة الشحنات السالبة عكس حركة الشحنات الموجبة في المجال المغناطيسي
إذا توفر وسط فيه مجال كهربي ومجال مغناطيسي وأطلقت في اتجاهه حزمة من الشحنات فان القوة المؤثرة على الشحنات في هذه الحالة هي محصلة القوة الكهربية والقوة المغناطيسية وتعرف هذه القوة باسم قوة لورنتز Lorentz Force.

[align=center]F = q E + q v x B Lorentz Force[/align]

التجربة
يوضح الشكل التالي الجهاز الذي استخدمه طومسون لتجربة تعين النسبة بين شحنة الإلكترون وكتلته وهي عبارة عن أنبوبة أشعة المهبط مفرغة من الهواء وفيها على اليسار فتيلة حرارية تسخن عندما يمر فيها التيار الكهربي فتنبعث منها الالكترونات التي يتم تسريعها بواسطة فرق جهد لنحصل على حزمة مركزة من الالكترونات تنطلق بسرعة إلى الجزء الأيمن من الأنبوبة. تدخل الالكترونات بعد ذلك في منطقة فيها مجال كهربي ومجال مغناطيسي ويكون اتجاه المجال الكهربي عمودي على اتجاه المجال المغناطيسي حتى تكون القوة الكهربية مؤثرة على الالكترونات للأسفل بينما تكون القوة المغناطيسية مؤثرة على الالكترونات للأعلى. (تذكر إن تحديد اتجاه القوة المغناطيسية باستخدام قاعدة فلمنج لليد اليمنى.)

[align=center]http://upload.wikimedia.org/wikipedi...omson_exp2.jpg[/align]


عندما لا يكون هناك مجال كهربي أو مجال مغناطيسي فان الالكترونات تنطلق في مسار مستقيم وتصطدم في نهاية أنبوبة الكاثود على لوحة عليها مادة فلوريسنت (مثل شاشة التلفاز) تتوهج عندما تصطدم بها الالكترونات فتعطي في هذه الحالة بقعة مضيئة في وسط اللوحة.

[align=center]http://hazemsakeek.com/magazine/imag.../foto-08-2.jpg
صورة لتجربة طومسون التي تتوفر في الكثير من مختبرات الفيزياء في الجامعات وفيها أنبوبة الكاثود وحوله ملفات هولمهولتز المستخدمة لتوليد مجال مغناطيسي منتظم يتم التحكم في اتجاهه من خلال اتجاه التيار المار في الملفات، كما نلاحظ أيضا لوحي المجال الكهربي في داخل الأنبوبة والأجهزة الخارجية هي مصدر الطاقة الكهربية وأجهزة قياس[/align]

عندما نقوم بتعريض الالكترونات إلى المجال المغناطيسي من خلال ملفات هولمهولتز (عبارة عن ملفين متوازيين يمر فيهما التيار الكهربي بحيث يكون المجال المغناطيسي منتظم في مركز الملفين) فتنحرف حزمة الالكترونات للأعلى نتيجة للقوة المغناطيسية ونلاحظ ذلك على البقعة المضيئة على لوحة الفلوريسنت ويمكن التحكم في انحراف الالكترونات بزيادة المجال المغناطيسي عن طريق زيادة التيار الكهربي المار فيه.

[align=center]http://www.hcc.mnscu.edu/programs/de...son_ExpMag.jpg[/align][align=center]
أنبوبة أشعة الكاثود تحت تأثير المجال الكهربي تنحرف حزمة الالكترونات للأسفل[/align]

ولدراسة تأثير المجال الكهربي على حزمة الالكترونات نقوم بفصل التيار الكهربي المار في ملفات هولمهولتز فيصبح المجال المغناطيسي صفر وتعود حزمة الالكترونات إلى المسار المستقيم مرة أخرى، نقوم بعد ذلك بتشغيل المصدر الكهربي الخاص بتزويد اللوحين المتوازين بفرق جهد كهربي بحيث يكون اللوح الأعلى موجب واللوح السفلي سالب فيكون المجال الكهربي منتظم من اللوح الموجب إلى اللوح السالب وهذا سيؤثر على الالكترونات بقوة كهربية للأعلى لان الالكترونات سالبة الشحنة فينحرف مسار حزمة الالكترونات للأعلى كما في الشكل.

[align=center]http://www.hcc.mnscu.edu/programs/de...on_ExpElec.jpg

أنبوبة أشعة الكاثود تحت تأثير المجال المغناطيسي تنحرف حزمة الالكترونات للأعلى[/align]

نقوم الآن بتشغيل المجال الكهربي والمجال المغناطيسي معا فتتعرض الالكترونات إلى قوة للأعلى وقوة للأسفل وبضبط قيمة المجال المغناطيسي يمكن أن نوازن القوتين معا لتكون محصلتهما تساوي صفر وهذه القيمة نحصل عليها عندما تعود حزمة الالكترونات إلى مسارها المستقيم ونستدل على ذلك من خلال البقة المضيئة في وسط لوحة الفلوريسنت

[align=center]http://www.hcc.mnscu.edu/programs/de...on_ExpBoth.jpg[/align]
[align=center]
أنبوبة أشعة الكاثود تحت تأثير المجال المغناطيسي والمجال الكهربي[/align]

وهذا الشكل يوضح ما سبق

[align=center]http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...s/lectur16.jpg http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...s/lectur17.jpg[/align]


النظرية
باستخدام قانون لوزنتز حيث إن القوة المغناطيسية تساوي القوة الكهربية إذا يكون لدينا

[align=center]q v B =q E [/align]

وحيث إن الشحنة q هي شحنة الإلكترون فإننا نستبدلها في المعادلة بـ e، وبالتعويض عن المجال الكهربي E بقيمة فرق الجهد V على المسافة d بين اللوحين محصل على

[align=center]http://www.antonine-education.co.uk/...equation_3.gif[/align]

ومن معرفتنا للطاقة الحركية التي زودت بها الالكترونات عن طريق فرق جهد التعجيل من خلال المعادلة

[align=center]eV = ½ mv^2[/align]

بالتعويض عن فرق الجهد V في المعادلة السابقة نحصل على

[align=center]http://www.antonine-education.co.uk/...equation_4.gif[/align]

وباختصار ما يمكن اختصاره نحصل على

[align=center]http://www.antonine-education.co.uk/...equation_5.gif[/align]

وبإعادة ترتيب المعادلة يكون لدينا


[align=center]http://www.antonine-education.co.uk/...equation_6.gif[/align]

حيث إن e شحنة الإلكترون و m كتلته و v سرعة الالكترونات و B قيمة المجال المغناطيسي و d المسافة بين اللوحين المولدين للمجال الكهربي.


تمكن طومسون أن يحسب قيمة النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلته والتي تساوي 1.7x10^11C/Kg

علما بأنه في ذلك الوقت لم يكن معلوما له قيمة الشحنة لوحدها أو قيمة الكتلة لوحدها وحتى تمكن العالم مليكان من قياس شحنة الإلكترون من خلال تجربته الشهيرة بقطرة الزيت لمليكان تم حساب قيمة كتلة الإلكترون.

نلاحظ براعة العالم طومسون في استخدامه للمفاهيم المتوفر له في ذلك الوقت ليستنتج معلومات قيمة لم تكن معروفة ومن أهمها اكتشافه للإلكترون وشحنته وتأثره بالمجال الكهربي والمجال المغناطيسي كما إن طومسون أول من وضع تصور لنموذج للذرة.

[align=center]http://www.al-wed.com/pic-vb/110.gif
(2) تجربة ميليكان لقطرة الزيت Millikan’s Oil Drop Experiment
http://www.al-wed.com/pic-vb/110.gif[/align]
في نهاية القرن التاسع عشر، لم يكن هناك نموذج واضح لبنية الذرة، وقد كان معظم الفيزيائيين يؤمنون أن الذرة عبارة عن جسيم أولي لا يمكن تجزئته، على الرغم من تجارب النشاط الإشعاعي التي قام بها الكثيرين من أمثال ماري كوري وبيكريل، والتي ألقت بظلال الشك على أفكار فيزيائيي ذلك العصر.

كانت النظرية الوحيدة التي أمكن للفيزيائيين معرفة الكثير عنها هي الكهرباء والمغناطيسية، حيث أثبتت قوانين فارادي في الكهربائية أن الشحنة مكماة، لكن حتى فارادي نفسه لم يؤيد أي فكرة لوجود شحنة أولية لا يمكن تجزئتها ، ففكرته كانت – كما أيدتها آراء ماكسويل - أن الشحنة الكهربائية، مثلها مثل الكتلة، يمكن تجزئتها إلى المالانهاية.

في خضم هذه الأفكار وتنوعها، طرح فيزيائي إيرلندي، هو جورج ستوني Gorge Stoney عام 1891، مصطلح "إليكترون" للدلالة على أقل مقدار من الشحنة الكهربائية السالبة، يمكن لجسيم ما أن يحمله.

ومن هنا نشا مصطلح إليكترون كما نعرفه نحن الان، وإن تغيرت نظرتنا للأمور وعرفنا أن مقدار شحنة الإليكترون- كجسيم يدور حول النواة وليس فقط مصطلح للدلالة على الشحنة الأولية – ليست أقل مقدار يمكن الوصول إليه، فهناك جسيمات مثل الكواركات، تحمل ثلث، أو ثلثي شحنة الإليكترون.

[align=center]جورج ستونيhttp://understandingscience.ucc.ie/i...Fitzgerald.jpg http://www.phy.cam.ac.uk/cavendish/h...n/jj_c1890.jpg طومسون[/align]
لكن الأفكار في تلك الفترة لم تكن واضحة كما نعرفها نحن الآن، وتذكر عزيزي القارئ، أنك عندما تقول عدت إلة منزلي فأنرته واستمتعت ببرامج التلفاز، تذكر دائما، أن أجيالا ماتت وهي تصارع من أجل اختراع المصباح الكهربائي، وأجيالا أخرى تصارعت لتفهم كنه الصوت والصورة، وعقول احترقت خلاياها لتبدع لك ذلك الجهاز الذي تستعمله أنت ساهيا عما مر به ليصلك..
نعم، كانت المعلومات التي يملكها علماء القرن التاسع عشر مجرد أفكار ومصطلحات بلا أي دليل تجريبي، فلا هم يعرفون هل الذرة تنقسم أم لا ، ولا هم يعرفون هل كلمة إليكترون صحيحة وهل هناك مقدار أولي بالفعل يمكن حمله من الشحنة؟

حتى جاء عام 1897، وقدم لنا عالما جادت قريحته بإبداع وتفكير خلاق، ليثبت بعد ملاحظات علمية دقيقة، أن الإليكترون ذو الشحنة السالبة، موجود، ويقدم لنا سلسلة من التجارب العلمية المتقنة ليثبت افكارا كانت مجرد كلمات وينقلها إلى حيز الواقع.
قام الفيزيائي البريطاني ج.ج. طومسون ، بسلسلة من التجارب على أشعة الكاثود، وذلك بعدما لاحظ أن شعاع الضوء في أنبوب الكاثود يتجاذب مع الشحنة الموجبة ويتنافر مع الشحنة السالبة، مما داعة إلى استنتاج أن شعاع الضوء، هو سيل مستمر من جسيمات، صغيرة، سالبة الشحنة تملك كتلة أقل بآلاف المرات من كتلة ذرة الهيدروجين الموجبة.


[align=center]http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/par.../phototube.jpg[/align]
[align=center]جهاز طومسون[/align]

وبهذا، وبعد دراسة مطولة لمسار الأشعة وزوايا تشتتها، اكتشف طومسون، ما سماه ستوني بـ " الإليكترون".

وكانت التجربة إثباتا لا يدحض، على أن الذرة ليست جسيما أوليا لا يمكن قسمته، بل هي كيان يحوي جسيمات أصغر بكثير تبني عالما متكاملا منظما.

وكنتيجة لهذه التجارب، قام طومسون بحساب نسبة مقدار شحنة الإليكترون ذاك بالنسبة إلى كتلته، لكنه لم يتمكن من حساب مقدار الشحنة منفردة. وهنا جاء ميليكان، بتجربة رائعة وفكرة عملية تحتاج جهدا وعملا دءوبا، ليحسب بدقة مدهشة – نسبة إلى تواضع الإمكانيات - شحنة الإليكترون.
دعونا معا، ندرس الخطوات التي قام بها ميليكان في تجربته لحساب شحنة الإليكترون.

تجربــــــــة قطرة الزيت لميليكان لحساب شحنة الإليكترون المنفرد :

هي تجربة قام بتصميمها روبرت ميليكان عام 1909 م لحساب شحنة الإليكترون المنفرد، ليس هذا فحسب، بل وأثبت أن شحنة الإلكترون، كجسيم، مكماة؛ أي لا يمكن للإليكترون المنفرد أن يحمل شحنة أصغر منها.
وقد حصل ميليكان على جائزة نوبل نتيجة لعمله هذا واسهامه في تفسير ظاهرة الـ Photoelectric Effect عام 1923م.

الفكرة الأساسية لتجربة قطرة الزيت:
قام ميليكان بشحن قطرة زيت صغيرة، وقياس مقدار المجال الكهربائي القادر على إيقاف سقوط هذه القطرة .. وحيث أنه كان قادرا على حساب كتلة قطرة الزيت ( وسنشرح كيف تم هذا تفصيلا)، ومعرفة مقدار قوة الجابية المؤثرة (قوة الجاذبية=الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية ) ، استطاع حساب شحنة قطرة الزيت تلك. وبتغيير كمية الشحنة، لاحظ ميليكان أن الشحنة هي دائما، مضاعفات العدد -1.6×10-19 كولوم، وهي أقل شحنة وجدها، وهذا يعني أن الإليكترون كما قلنا سابقا يحمل شحنة مكماة، لا يمكن الحصول على جزء منها دون الاخر..


الآن، كيف تمت التجربة:
يمكننا ملاحظة الأجزاء البسيطة التي تكون منها الجهاز الذي صممه ميليكان بغرض قياس شحنة الإليكترون المنفرد.

[align=center]http://www68.pair.com/willisb/millikan/apparatus.JPG[/align]

في البداية، يقوم المرذاذ( البخاخ) برش أو ضخ قطرات صغيرة من الزيت داخل الغرفة، ونتيجة لهذا تتمكن بعض قطرات الزيت من عبور الفتحة الصغيرة التي تفصل الغرفة العلوية عن السفلية.
ترك ميليكان قطرات الزيت التي نزلت إلى الغرفة السفلية تتحرك نحو الأسفل بتأثير جاذبيتها، لكنها توقفت بعد مدة قصيرة لأنها وصلت إلى سرعتها الحدية، مما أجبرها على التوقف..
عندها، تمكن ميليكان من حساب كتلة كل قطرة زيت.
كيف حسبها؟ نحن ننحني احتراما لصبره وقدرته على المثابرة، دعونا معا
قوة الطفو أو العوم Viscous Drag Force التي تواجهها القطرة نتيجة لمقاومة الهواء لها، يمكن حسابها من قانون ستوك:
[align=center]http://www.upload2world.com/pic28/up...orld_df636.jpg[/align]
تمكن ميليكان من حساب السرعة الحدية، ومنها حسب كتلة كل قطرة زيت، وذلك باستعمال صيغة معادلات عالية المستوى.

[align=center]http://www.al-wed.com/pic-vb/35.gif[/align]

بعدما حدد ميليكان كتلة قطرات الزيت المعلقة في الغرفة السفلية، قام بشحنها، وذلك بتعريضها لأشعة إكس، وهذا يعني أن هواء الغرفة ذاته سيتأين، وتأينه يعني أن تفقد جزيئات الهواء إليكترونات، مما يشجع جزيئات قطرات الزيت المعلقة على "قبض " إليكترونات إضافية، فتصبح سالبة الشحنة.

قام ميليكان بتوصيل لوحي جهازه، العلوي والسفلي، ببطارية( وكأنه تحول إلى مواسعCapacitor ) ، وهذا يعني وجود فرق جهد بين اللوحين العلوي والسفلي.
يؤثر المجال كهربائي المتولد بين اللوحين على قطرات الزيت المشحونة والمعلقة في هواء الغرفة السفلية.
وحيث أن قطرات الزيت مشحونة بشحنة سالبة، فهذا يعني أنها ستسير "بعكس" إتجاه المجال الكهربائي المتولد.
قام ميليكان بتوصيل اللوح العلوي بطرف البطارية الموجب والسفلي بطرفها السالب؛ وذلك كي يتولد مجال يجبر الإليكترون السالب على الحركة إلى الأعلى ..

حتى نفهم ما يحدث بالضبط، دعونا نتابع حركة قطرة زيت واحدة..

• تسقط القطرة بسرعة بتأثير الجاذبية الأرضية، لكن، بسرعة أيضا تتوقف عن السقوط لأن مقاومة الهواء تزداد بزيادة السرعة، فتصل إلى سرعتها الحدية، وتصبح معلقة ( ومن البديهي أن السرعة الحدية ستختلف من قطرة لأخرى حسب كتلتها)..

[align=center]http://www.physchem.co.za/Static%20E...s/GRDA0032.gif http://www.physchem.co.za/Static%20E...s/GRDA0033.gif http://www.physchem.co.za/Static%20E...s/GRDA0031.gif[/align]

• جزيئات الزيت متعادلة بالطبع، لذا قام ميليكان بتعريض الغرفة لأشعة إكس

• أشعة إكس أينت الهواء ففقد بعض إليكتروناته، مما حفز الجزئيات المتعادلة على اكتسابها، فأصبحت سالبة الشحنة.

• بعد شحن الغرفة ووجود فرق جهد، سيتولد مجال كهربائي يؤثر على قطرات الزيت، إتجاه المجال الكهربائي من الأعلى إلى الأسفل، ولأن قطرات الزيت سالبة، تحركت "عكس" المجال : من الأسفل إلى الأعلى..

• الان، هناك قوتين رئيسيتين تؤثران في قطرة الزيت ( يؤثر قوة الطفو أو العوم بالطبع لكن بمقدار ضئيل في هذه الحالة) وهما، قوة الجاذبية نحو الأسفل، وقوة المجال الكهربائي إلى الأعلى..

• ستتحرك قطرة الزيت نحو الأعلى حتى تتساوى قوة الجاذبية مع القوة التي يؤثر فيها المجال الكهربائي، وهنا ستتوقف لحظيا وتبقى معلقة ثابتة.

في هذه الحالة

قوة الجاذبية الأرضية = الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية ، أو
Fg= m . g
حيث:
Fg = قوة الجاذبية الأرضية،
m = الكتلة ، و
g = تسارع الجاذبية الأرضية.

قوة المجال الكهربائي على شحنة فيه = مقدار الشحنة × مقدار المجال الكهربائي ، أو
F=q.E
حيث
q = مقدار الشحنة الكهربائية (بالكولوم) ،
E = مقدار المجال الكهربائي

[align=center]http://www68.pair.com/willisb/millikan/balanced.JPG[/align]

عند توقف قطرة الزيت المشحونة، فإن

[align=center]http://www.upload2world.com/pic28/up...orld_17b0f.jpg[/align]

[align=center]http://www.al-wed.com/pic-vb/35.gif[/align]

[align=center]http://nobelprize.org/nobel_prizes/p...3/millikan.gif[/align]
[align=center]العالم الأمريكي روبرت ميليكان[/align]

[align=center]http://www.juliantrubin.com/bigten/b...napparatus.jpg[/align]
[align=center]الجهاز الأصلي الذي استخدمه ميليكان[/align]

[align=center]http://www.al-wed.com/pic-vb/35.gif[/align]

لكن، بعض القطرات أكبر من غيرها، وهذا يعني أن لها القدرة على القبض على أكثر من إليكترون واحد، وهذا يعني ضمنا أنها تحتاج إلى مجال كهربائي "أقوى " لإيقافها عن الحركة.
وهكذا، قام ميليكان بتغيير مقدار المجال الكهربائي لإيقاف جزيئات الزيت، وحساب الشحنة في كل حالة استنادا إلى القانون السابق.
وأيضا، قام ميليكان بتغيير قوة أشعة إكس المؤينة للهواء، وهذا يعني تغيير عدد الإليكترونات التي سيقبض عليها..
قام ميليكان وفريقه بدراسة حركة، آلاف، من قطرات الزيت المشحونة، وتكرار الخطوات جميعها من حساب كتلة كل قطرة وحساب سرعتها الحدية، ثم تغيير المجال وحساب شدته للتوصل إلى مقدار الشحنة التي تحملها كل قطرة زيت..

لاحظ ميليكان، بعد دراسة البيانات التي تم التوصل إليها ، أن قطرات الزيت كانت تحمل، دائما، مقدارا هو احد مضاعفات العدد -1.6×10-19 . فاستنتج أن أقل مقدار - وهذا يعني ان قطرة الزيت قد قبضت إليكترونا واحدا فحسب – هو -1.6×10-19 كولوم .
وهذا يعني ان شحنة الإليكترون – ومقدارها -1.6×10-19 كولوم – مكماة، أي أن :
مقدار الشحنة = ن× شحنة الإليكترون، حيث ن تمثل عددا صحيحا..


من هنا نرى أهمية العمل الذي قام به ميليكان، فهو حسب قيمة شحنة الإليكترون المفردة، وأثبت أنها مكماة.
وتعتبر تجربة مليكان من التجارب الاساسية في الفيزياء والتي تدرس لطلبة المدارس والجامعات لما فيها من تطبيقات عديدة على مبادئ الفيزياء الاساسية
فهي تربط قوة الجاذبية باللزوجة بالمجال الكهربي وتأثيره على الشحنة.
وفي النهاية نلاحظ ان كل عالم قام بعمل كان له الاثر في كشف لغز سابق وفتح الطريق امام مشاريع بحثية عديدة.


http://www.al-wed.com/pic-vb/110.gif

يمكن مشاهدة عرض جافا متميز لتجربة ميليكان في الصفحة التالية، اضغط http://www68.pair.com/willisb/millikan/experiment.htmlhttp://www.al-wed.com/pic-vb/110.gif

[align=center]http://www.uaekeys.com/images/khaled101.gif[/align]
[align=center]تجربة رذرفورد Rutherford experiment[/align]

[align=center]جمع و إعداد : سعاد الغامدي [/align]


كان القرن التاسع عشر حافلا بالنشاط العلمي في مضمار الفيزياء الكلاسيكية في معرفة فيزياء الكون و لقد كانت فكرة ان الماده تتكون من جسيمات ابتدائية فكره قديمة جدا و قد عرفها العالم منذ زمن اليونانيين و ربما قبلهم, و لكن العالم الكيمياوي البريطاني دالتون (Dalton) احياها عام 1803م و أقترح نظريه ذرية جديده تفترض ان :
1- جميع العناصر الكيميائية تتكون من جسيمات صغيره تعرف بالذرة و هي غير قابله للتجزئة و هي الذرات.
2- جميع الذرات في العنصر الواحد متشابهه تماما و لها نفس الوزن و لكنها تختلف بدرجة واضحه عن العناصر الاخرى.
3- الرابطه الكيميائية تنطوي على إتحاد عدد صغير و ثابت من الذرات في العنصر الواحد مع عدد آخر صغير و ثابت من ذرات عنصر آخر و ترابط الذرات هذه ما يولد الجزيئات.

نستطيع ان نقول ان هذا هو النموذج التقليدي للذرة
ثم تلا ذلك نموذج طومسون حيث اقترح في نموذجه ان الشحنات الموجبه تتوزع في الذرة - التي تمثل معظم الكتلة الذرية – بإنتظام و بطريقة متصلة خلال كره نصف قطرها في حدود نصف قطر الذرة و هو R=0.1nm
و لمعالجة التنافر النتبادل بين الشحنات الموجبة فرض طومسون توزيعا لمواضع إتزان الإلكترونات المغمورة خلال هذه الكرة...
http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.27794011793517.jpg

شكل 1

[align=center][mark=FFCC99] ثم تلا نموذج العالم طومسون نموذج العالم رذرفورد [/mark][/align]

نموذج رذرفورد للذره Rutherford’s Model of the atom
في البدايه بعد ان أكتشف بيكرل (H.becquerel) و ماري كوري (Maria Curie) النشاط الاشعاعي لبعض العناصر الثقيلة التي تنبعث منها تلقائيا اشعه تنقسم لثلاثة انواع مختلفة سميت بإشعاع الفا و إشعاع بيتا و إشعاع جاما و قد تبين ان إشعاع الفا عباره عن نواة ذرة عنصر الهيليوم He و قد تبين ان له طاقة عالية و محددة و نظرا للثقل النسبي لجسيمات الفا و طاقتها المحددة قام العالم رذرفورد* و تلميذاه جيجر و مارسدن قبل حلول العام 1911م بإجراء العديد من التجارب بهدف تعيين خواص جسيمات الفا و استكشاف خصائص ذرات الماده المتفاعله معها و كانت أكثر التجارب إثارة هي التي عنيت بإستطارة جسيمات الفا عند مرورها خلال شريحة رقيقة من المواد المختلفة.
سأوضح التجربه بأسلوب آخر ...
قد كانت الذره في نموذج طومسون مجهوله حيث لا يعرف العلماء آنذاك التركيب الداخلي فقد اراد رذرفورد ان يكتشف ما داخل الذره ...

فلو فرضنا أنك في داخل غرفه مظلمة http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.025011793872.jpg
و اردت ان تعرف ما بداخل الغرفة من محتويات .. إذن عندها لن تتعرف على ما بداخل غرفه إلا عندما تصطدم بالشيء ثم تتعرف عليه هكذا أراد رذرفورد من تجربته التي سأوضحها الآن ...


http://www.daviddarling.info/images/...experiment.jpg
شكل 2

التجربه:
تعتمد التجربة على دراسة التوزيع الزاوي لتشتت جسيمات الفا من خلال استخدام كاشف Detector من مادة بلورية هي ZnS الذي يعطي وميض ضوئي كلما اصطدم به جسيم الفا وبتثبيت الكاشف على زاوية محددة يمكن رصد عدد جسيمات الفا التي تشتت عند زاوية محصورة بين Q والزاوية Q+dQ لكل وحدة زمن بالنسبة لزاوية موضع الكاشف بالنسبة لمحور التجربة.
نلاحظ من الرسم ادوات التجربه التي استعان بها العالم رذرفورد حيث ظهر له ان جسيمات الفا لها السلوك التالي :

http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.78273011795171.gif

شكل 3
نلاحظ من الرسم بعض حالات جسيمات الفا و التي ظهرت على الكاشف..
1- الحاله التي يمر فيها الجسيم دون أي إنحراف و هذا يدل على أنه مر في فراغ.
2- الحاله التي يرتد فيها الجسيم و هذا يدل على أن الجسيم أصطدم بجسيم صغير داخل الذرة.
3- الحاله التي ينحرف فيها الإلكترون و هي التي تدل على وجود شيء ما يؤثر على مسار الجسيم مما يجعله ينحرف و سيأتي توضيحه لاحقا.

و اثبتت تجربة الاستطارة ان عدد جسيمات الفا المستطاره بزاويا كبيرة يتناسب مع العدد الكلي للذرات N الذي تجتازه جسيمات الفا.
و يتحقق هذا عند وجود احتمال و لو صغيرا لإستطارة احد جسيمات الفا بزاوية كبيره جدا عند إجتياز احد الذرات (حيث لا يمكننا الحصول على ذلك في نموذج طومسون) و بناء على ذلك أقترح رذرفورد - من النتائج التي حصل عليها- في عام 1911م نموذجا له المواصفات التالية:
تحتل جميع الشحنات الموجبة في الذرة و ايضا معظم كتلتها حيزا صغيرا يعرف بنواة الذرة و هي اصغر بكثير من حجم الذرة و تدور حولها جميع الالكترونات.
و لذرة عددها الذري Z و ممثله بهذا النموذج يصبح نواة الشحنة +Ze و كتلته M و يعمل قانون القوة لكولوم على جذب الإلكترونات حول النواة و بالتالي تدور هذه الإلكترونات حولها في مسارات تقع في حيز يمثل حجم الذرة و هذه المسارات تشبه مسارات الكواكب حول الشمس و الشكل التالي يوضح النموذج.

http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.311011795283.jpg

شكل 4


فإذا كان حجم النواه صغيرا مثل ما هو مقترح في نموذج راذرفورد فإن جسيم الفا يستطيع الاستطارة بزاوية كبيرة إذا ما اقترب كثيرا من هذه النواة و ذلك لتعاظم قوة التنافر الواقعة عليه و يتبع ذلك ان زاويا الانحراف الواقعة عليه ستقع في المدى من 0 إلى 180 درجه لتصادمات تتدرج من تصادم مماس للذره إلى تصادم مركزي للنواة اما زوايا الاستطارة الناتجة من تصادم جسيمات الفا مع الكترون الذرة فيمكن إهمالها نظرا لصغرها الشديد و ذلك كما اوضحنا سابقا.
و بعد إجتيازها لشريحة إفتراضية مكونه من طبقيتن من ذرات الذهب.

استطارة جسيمات الفا من شريحة مكونة من طبقتين من الذرات و كما أقترح رذرفورد فإن الاستطارة بزاويه كبيرة يرجع سببها لتأثير الشديد لنواة الذرة على المسار القريب منها.

و لتطبيق نموذج الاشتقاق لمعادلة التوزيع الزاوي لاستطارة جسيمات الفا من الذرات اعتبر راذرفورد ما يلي..
1- الاستطاره تنشأ من التنافر (حسب قانون كولوم) الذي يحدث عند إقتراب جسيم الفا من النواة.
2-جسيم الفا لا يخترق النواة , أي طاقته لا تسمح بالإقتراب من سطحها في حالة التصادم المركزي و بذلك يتم التعامل معها كشحنتين نقطيتين.
3- الدراسة تنحصر في استطارة جسيم الفا من الذرات الثقيلة و يترتب على ذلك إهمال ارتداد النواة و إعتبارها ساكنه قبل و بعد الإثارة.
4-إستخدام الميكانيكا غير النسبية لاشتقاق التوزيع الزاوي .
5-إهمال تصادمات جسيمات الفا مع الالكترونات حيث ان عدم إهمالها سينتج إنحرافات صغيرة للغاية و بالتالي لن يتغير بتاتا في التوزيع الزاوي المشتق بإهمال هذه التصادمات.

و لذرة شحنتها +Ze و كتلتها M حيث يبين الشكل نواة ثابتة فإذا فرضنا ان أحد جسيمات الفا الذي له شحنة ze)=2e) و كتله جسيم الفا قد بدت تتحرك افقيا من سالب مالانهاية بسرعه v بحيث يصتدم مركزيا مع النواة فإن الشكل 5 يوضح الحالات التالية:

http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.99833011798171.GIF
شكل 5


أولاً : قبل بدأ عملية الإستطارة (الحالة الإبتدائية)
يقترب جسيم الفا من نوة الذرة بسرعة إبتداية متجهه و كمية حركة إبتداية P و نظرا لكبر المسافة بينهما تكون قوة التنافر ضئيلة لدرجة إستمرار الحركة بسرعة متجهه ثابته و في خط مستقيم يسمى بالخط المقارب لمسار الحركة الابتدائية و الخط المقارب يوازي الخط الافقي و يبتعد عنه بمسافة b تسمى بارامتر التصادم و يمكن حسابها بدلالة زاوية لاستطارة (ثيتا) حسب العلاقة التاليه..
http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.17549011796364.GIF
حيث :
e^2 تمثل شحنة جسيم الفا.
Z عدد البروتونات في جسيم الفا.
(إبلسون نوت) يمثل السماحية الكهربية للفراغ.
r^2 المسافة الفاصلة بين النواه و جسيم الفا
و m كتلة جسيم الفا
و v سرعة جسيمات الفا.



ثانيا:اثناء عملية لاستطارة.
أ‌- عند إقتراب جسيم الفا من النواة بمسافة كافية ستبدأ فعالية قانون كولوم و تتغير سرعة و إتجاه حركة الجسيم تحت تأثير قوة التنافر المركزية:

http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...s/atomic95.gif

حيث e^2 تمثل شحنة جسيم الفا.
Z عدد البروتونات في جسيم الفا.
(إبلسون نوت) يمثل السماحيّة الكهربية للفراغ ويساوي http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.758570111492.GIF
r^2 المسافة الفاصلة بين النواه و جسيم الفا حيث نلاحظ ان العلاقه بين القوة و المسافة الفاصلة علاقة عكسية فكلما ابتعد الجسيم عن النواة قلّ الـتأثير الكولومي على الجسيم مما يسمح للجسيم بالمرور دون أي إنحراف.

ب-عند النقطة A على المسار يكون الجسيم له أدنى إقتراب من النواة و يبعد عنها بمسافةr
ج- عند ابتعاد الجسيم الفا من النقطه A ستقل قوة التنافر المركزية و لكن سيظل إنحراف الجسيم عن الخط المقارب لمسار الحركة الابتدائية في إزدياد.

ثالثا:بعد الإنتهاء من عملية الاستطارة (الحالة النهائية)
مزيدا من إبتعاد جسيم الفا عن النواة سيجعل القوة بينهما ضئيلة إلى الدرجة التي يبتعد الجسيم عن النواة بسرعة متجهه ثابته و كمية حركة نهائية في خط مستقيم يسمى بالخط المقارب لمسار الحركة النهائية.
يسلك جسيم الفا مسار يمكن تمثيله بمعادلة قطع زائد hyperbola تحت تأثير قوة كولوم كما في شكل 5

http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...s/atomic95.gif

و لإيجاد معادلة hyperbola في الاحداثيات القطبية لنفرض ان أحد جسيمات الفا له سرعة vi=v و يتجه نحو مركز النواة الثابتة أي ان b بارامتر التصادم (المسافة الفاصلة بين جسيم الفا و نواة شريحة الذهب), فعند إقتراب الجسيم أكثر و أكثر من النواة اي عندما b تساوي صفر تقريبا ستعمل قوة التنافر على إبطائه بإضطراد حتى يسكن لحظيا عند أدنى نقطة إقتراب, و بعد هذه اللحظه سيعكس الجسيم إتجاه حركته في الإتجاه المضاد.
فإذا فرضنا ان أدنى نقطة إقتراب تبعد عن النواة بمسافة D فإنه حسب قانون حفظ الطاقة ستتساوى عند هذه النقطة طاقة الحركة الابتدايئة (initial kinetic energy) مع طاقة الوضع الكهربية (electric potential energy) اي أن ..
http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.6626501107.GIF
حيث..
mكتلة جسيم الفا
v سرعة الجسيم
(إبسلون نوت) ثابت السماحيّة الكهربية للفراغ و يساوي http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.758570111492.GIF
Zعدد البروتونات
e^2 شحنة جسمات الفا.

بعد ذلك و بدلالة v او الطاقة الحركة الابتدائية K لجسم الفا يمكن الحصول على العلاقة التالية:

http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.55601131.GIF

[mark=CCCC99]حيث اانا لو لاحظنا في الطرف الأخير من المعادله قمنا بإستبدال mv^2 \2بـ K [/mark]

و بدلالة الثابت D يمكننا كتابة المعادلة http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.17549011796364.GIF بالصورة التالية :
http://www.9m.com/upload/2-06-2007/05291124.GIF

كيف ذلك ؟ :eh_s (10)
كما علمنا سابقا من المعادلة أعلاه التي توضح قيمة قيمة D http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.7560112855.GIF
فلو أخذنا قيمة المعادلة هذه و عوضنا بها في المعادلة http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.17549011796364.GIF
ينتج لدينا المعادلة ... http://www.9m.com/upload/2-06-2007/05291124.GIF
[mark=CCCC99]حيث نلاحظ ان العدد 2 يظهر ليعادل 2 مع العدد الموجود في بسط المعادلة D و بالتالي تتحقق المساواة [/mark]<<< أتمنى ان يكون التوضيح سهل و مفهوم :)

لذا فالعلاقة العامة بين r (بعد الجسيم الفا عن نواة ذرة الذهب) و زاوية الإنحراف (فاي) او ببساطة يمكن تسميتها معادلة المسار (Equation of the trajectory) يمكن كتابتها بدلالة كل من b (بارامتر التصادم) و D (ثابت يعبر عن أقرب مسافة للنواة) كما يلي :

http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...s/atomic96.gif



و الآن سوف نستعرض كيف تمكن رذرفورد في تجربته من استنتاج نصف قطر النواة..
http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...s/images/d.gif
شكل 6

الشكل 6 بين النتائج التجريبية الخاصة بتقدير نصف قطر النواة في شريحة رقيقة من الألمنيوم Z=13 و التي حصل عليها الباحثون العاملون في مجموعة رذرفورد عند دراسة إستطارة جسيمات الفا بزاوية ثابتة كبيره عند 180درجة عند قيم مختلفة أي لقيم محتلفه لـ r و التي نلاحظها من الشكل 5
حيث نلاحظ ان المحور الرأسي محور y يمثل النسبة بين العدد التجريبي Nexp و العدد النظري N المحسوبة من المعادلة http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.3775113727.GIF
أما المحور الأفقي فيمثل أدنى مسافة اقتراب r عند الزاوية 180درجة محسوبة من المعادلة http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.357690114167.GIF
و من الشكل 6 يمكن تعريف نصف قطر النواة R على أنه قيمة r التي عندها يبدأ ظهور اختلاف بين النتائج التجريبية و النتائج النظرية و لقد تمكن رذرفورد من تقدير نصف قطر نواة ذرة الألمنيوم على أنها في حدود 10^-14 متر

و على الرغم من ان نموذج رذرفورد قد استطاع إيضاح بعض الأسئلة المتعلقة بمكونات الذرة و كيفية تركيبها و توزيع الشحنة و الكتلة بداخلها إلا انه واجة الصعوبات التالية:
1- لم يستطع النموذج شرح كيفية تشابه جميع ذرات عنصر ما في حالة معينة .
2-لم يستطيع النموذج شرح معادلة بالمر-رايدبرج للإشعاع الطيفي الصادر من ذرات الهيدروجين.
3- لم يستطع النموذج تفسير عدم إنبعاث موجات كهرومغناطيسية من الإلكترونات أثناء دورانها في مداراتها من نتائج النظرية الكلاسكية فإن الإلكترون في مداره حول النواة سوف يطلق شعاع كهرومغناطيسي بصورة متصلة لأنه يتحرك في مسار دائري وهذا يعني انه يفقد طاقة باستمرار مما يؤدي إلى ان يكون المدار حلزوني كما في الشكل المقابل وفي النهاية سيؤول الالكترون إلى النواة وتتلاشى الذرة مما يتعارض مع كون الذرة مستقرة.
كما في الشكل التالي ...
http://hazemsakeek.com/Physics_Lectu...omic_orbit.gif
شكل 7

______________________________
* نبذه عن العالم رذرفور :
http://www.9m.com/upload/2-06-2007/0.101158.GIF
ولد العالم النيوزلندي إرنست رذرفورد في مدينة نيلسون عام 1871 و تلقى تعليمه هناك، ثم التحق بجامعة ويلنجتون و تخصص في الرياضيات و الفيزياء.
نال بعد ذلك منحة دراسية من جامعة كامبريدج في إنجلترا، ثم انتقل للعمل في معمل كافيندش العريق تحت إشراف العالم الكبير جوزيف طومسون مكتشف الإلكترون، و هناك اهتم بدراسة الأشعة الصادرة من عنصر الراديوم,ثم انتقل إلى كندا للعمل في جامعة ماك جيل و توصل إلى مكونات الإشعاع الصادر من الراديوم ,غادر رذرفورد كندا ليعود مجددا إلى إنجلترا و ينتقل إلى جامعة مانشستر عام 1907. و هناك قام باستكمال بحوثه على المواد المشعة حيث قام بسلسلة من التجارب لدراسة التصادم بين أشعة ألفا و العناصر المختلفة، و أدت تلك التجارب إلى معرفة مكونات الذرة و وضع نموذج رذرفورد الذري الذي شرح فيه تصوراَ عاما لشكل الذرة و بين أنها تتكون من نواة موجبة الشحنة و إلكترونات خارجية تدور حولها.حيث كان نموذجه هذا من أهم التطورات في الفيزياء الذرية و احد الدعائم الاساسية للفيزياء النووية.
و نال رذرفورد جائزة نوبل في الكيمياء عام 1908م لإبحاثه في الإنحلال الإشعاعي للعناصر .. [mark=99CC99]حيث ان العالم -و حسب مصادري- انه كان يرغب بالجائزه في مجال الفيزياء و ليس الكيمياء... و معه حق في ذلك :) [/mark]


الصور مأخوذه من:
1-http://hazemsakeek.com/Physics_Lectures/AtomicPhysics/atomiclecture_3.htm
2-http://www.biografiasyvidas.com/biografia/r/rutherford.htm
3-chemistry.mrs.smith.tripod.com/id21.html
4-http://www.iop.org/index.html
5-http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld1_E/Part2_E/Part2_E.htm

[align=left]تم بحمد الله و توفيقه[/align]

[align=center]تجربة تأثير زيمان[/align]

تأثير زيمان هو انفصال في خطوط الطيف المنبعثة من الذرة عندما تتعرض لمجال مغناطيسي خارجي. فمثلا لو كان لدينا ذرة ما لها انبعاث طيفي عند طول موجي 400nm فإنه عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي سوف نلاحظ وجود انفصال في خطوط الطيف بمعني ظهور خط طيفي إضافي على جانبي الخط الأصلي له القيمة 399nm و 401nm. وحيث إن الخطوط الطيفية المنبعثة من الذرة تعكس لنا مستويات طاقة الذرة فانفصال الخطوط الطيفية يشير إلى انفصال في مستويات الطاقة بوجود المجال المغناطيسي.

[align=center]http://www.bun.kyoto-u.ac.jp/~suchii/Bohr/zeeman.jpg[/align]

كانت هذه إحدى نتائج النظرية الموجية لشرودنجر عندما طبقت على ذرة الهيدروجين والذرات الشبيه بالهيدروجين (أي تلك التي تحتوى على إلكترون واحد في مدارها الخارجي مثل ذرة الصوديوم). وقد قام العالم زيمان باكتشاف الانفصال في الخطوط الطيفية عند قام بتعريض الذرة لمجال مغناطيسي. وللتعرف على سيرة كفاح العالم زيمان العلمية اطلع على هذا الرابط http://nobelprize.org/nobel_prizes/p...eeman-bio.html

[align=center]http://www.ph.unimelb.edu.au/~dnj/te...mag/zeeman.jpg[/align]


نظرية التجربة
[mark=CCCCCC]قبل البدء بشرح التجربة وفهم نتائجها سوف نقدم مختصر عن نظرية التجربة والتي تتعلق بفهمنا لنموذج بور للذرة وكذلك نتائج النظرية الموجية، فكما نعلم إن هناك مدرستين في الفيزياء المدرسة الكلاسيكية والمدرسة الكوانتمية، ولقد انتقلت العلوم الفيزيائية نقلة نوعية بعد النظرية الكمية وأصبحت الأمور الغامضة والمبهمة لها تفسير. فالنظرة الفيزيائية للظواهر التي تكون على المستوى الذري لا يمكن تفسيرها إلا من خلال المدرسة الكوانتمية. لأننا نتعامل مع أبعاد متناهية في الصغر تفوق في صغرها الطول الموجي للضوء الذي نستخدمه لنرى به الكون من حولنا، وهنا لا نستطيع أن نستخدم الميكانيكا الكلاسيكية في فهم ما يحدث على البعد الذري ولذا تظهر حاجتنا الماسة لميكانيكا الكم والنظرية الموجية.[/mark]

النظرة الكلاسيكية للذرة تشبه حركة الإلكترون حول النواة بحركة الأرض حول الشمس أو حركة القمر حول الأرض، ولذلك سميت هذه النماذج الافتراضية للذرة بالنموذج الكوكبي planetary model وكانت قيم الطاقة وعزم كمية الحركة المدارية للإلكترون هي قيم مستمرة أي يمكن أن تأخذ كل القيم الممكنة بدون قيود تذكر، وكذلك اتجاه العزم في الفراغ غير مقيد أيضا ويمكن أن يكون في أي اتجاه. إن هذا التشبيه لا يتفق مع تنبؤات الميكانيكا الموجية التي اخذت في الحسبان الخاصية المزدوجة للإلكترون. فمستويات الطاقة محددة ولها قيم معينة حددتها بالعدد الكمي الرئيسي n وكذلك عزم كمية الحركة المدارية محدد بقيم معينة ولها عدد كمي يرمز له بالرمز l والذي يسمى العدد الكمي المداري، هذا بالإضافة إلى ان مركبة عزم كمية الحركة المدارية بالنسبة لمحور ثابت في الفراغ بالعدد الكمي ml والذي يسمى بالعدد الكمي المغناطيسي.

ولأوضح لكم أعزائي الفرق بين النظرة الكلاسيكية والنظرة الكوانتمية دعونا نستخدم الجايروسكوب وهو كما في الشكل أدناه عبارة عن حلقة أو عجل متوازن ومثبت على عمود في الوسط تماما يمر بمركز الحلقة ونسميه المحور. وعندما بجعل الحلقة تدور بسرعة عن طريق لف محورها بقوة، فإننا نشبه ذلك بدوران الإلكترون حول النواة حيث تمثل الحلقة مسار الإلكترون حول النواة. والمحور يمثل اتجاه كمية الحركة الزاوية للإلكترون حول النواة L.

[align=center]http://www.fotosearch.com/comp/PHT/P...A311000020.jpg[/align]

دوران محور الجايروسكوب يكون رأسيا إذا كان مستوى دوران الحلقة موازياً لسطح الأرض اما اذا كان محور الجايروسكوب يصنع زاوية مع العمودي على سطح الأرض فان محور الجايروسكوب سوف يدور حول العمودي على الأرض في مسار على شكل مخروط وهذه الحركة نسميها Larmor precession.

المقصود بهذا المثال هو تشبيه لما يحدث في الذرة حيث إن الإلكترون يدور حول النواة وهو مسار حلقة الجايروسكوب وللإلكترون كمية حركة مدارية عمودية على مستوى الدوران وهذا نمثله بمحور الجايروسكوب ولكن مع فارق الأبعاد.

في المدرسة الكلاسيكية يسمح لمحور الدوران أن يتخذ أي زاوية بالنسبة للعمودي على الأرض للدوران حولها ولكن في المدرسة الكوانتمية يسمح لكمية الحركة المدارية للإلكترون أن تتخذ زوايا ذات قيم محددة فقط أي أن اتجاه كمية الحركة المدارية L مكمم في الفراغ.


[mark=99CCFF]ملاحظة: من خلال معرفتنا لاتجاه كمية الحركة المدارية L للإلكترون حول النواة نستطيع أن نعرف مداره حول النواة وشكله لان المتجه L دائما يكون عموديا على مستوى مدار الإلكترون واتجاهه يحدد من خلال قبضة اليد اليمنى بحيث إن أصبع الإبهام في اتجاه المتجه L وباقي الأصابع تشير إلى دوران الإلكترون حول النواة.[/mark]


تعطى كمية الحركة المدارية للجايروسكوب بالعلاقة
[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...gqua/angm5.gif[/align]

ولكن العالم بور الذي ادخل الميكانيكا الكوانتمية في فرضياته افترض إن كمية الحركة المدارية تأخذ القيمة

[align=center]L = n h/2pi [/align]

وقد توصل بور لهذه العلاقة من خلال تطبيق فرضية دبرولي على كمية الحركة المدارية L بان عوض عن السرعة v بما تنبأت به فرضية دبرولي ولمعرفة التفاصيل استعن بهذا الرابط في الجزء الثاني المعنون بـ Angular Momentum Quantization

أي أن

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...gqua/angm6.gif[/align]

وكان هذه الفرضية هي سر نجاح نموذج بور ذرة الهيدروجين وقد أكدت النظرية الموجية (ميكانيكا الكم) إن فرضية بور صحيحة وان كمية الحركة المدارية مكممة ولكن مع اختلاف المعادلة حيث أعطت النتيجة التالية:

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...gqua/angm4.gif[/align]

حيث l هو العدد الكمي المداري.

كما إن النظرية الموجية أيضا تنبأت بوجود عدد كمي أخر هو العدد الكمي المغناطيسي ml والذي يحدد مركبة المتجه L بالنسبة للمحور الافتراضي (العمودي على الأرض بالنسبة لمثال الجايروسكوب) وسميت بالمركبة Lz

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...gqua/angm3.gif[/align]


والذي يأخذ قيم محددة تعتمد على العدد الكمي l بمعنى لو كانت l=1 فان ml تأخذ القيم -1 , 0 , +1 وإذا كانت l=2 فان ml تأخذ القيم -2, -1, 0, +1, +2 وهكذا بمعنى القيم تكون عبارة عن 2l+1 قيمة. وهذا ما كان لابد من تجربة لتؤكده، وكانت هذه التجربة هي تجربة زيمان.

لتوضيح ذلك بالرسم سوف نستعين بمتجه العزم المداري L والذي يكون عمودياً على مستوى مدار الإلكترون حول النواة وهو ممثل في الشكل التالي

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...mgqua/vecL.gif[/align]

الزاوية التي يتخذها متجه العزم المداري مكممة وتحدد بالعدد الكمي المغناطيسي والشكل التالي يوضح المواقع التي سوف يتخذها في الفراغ حول محور z

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...gqua/vecL2.gif[/align]

وهذا يحدد مستوى المدار الذي يتخذه الإلكترون حول النواة وكما تلاحظ فهو مكمم.

[mark=CCCCCC]تجربة زيمان أجريت للتأكد من صحة هذه النتائج من خلال تعريض الذرة لمجال مغناطيسي خارجي ولكن قد تتساءل عزيزي القارئ ما علاقة المجال المغناطيسي الخارجي هنا في الموضوع؟ وهل تتأثر كمية الحركة المدارية بالمجال المغناطيسي؟، أقول لك معك حق في هذا ولكن إذا علمنا إن كمية الحركة المدارية للإلكترون مرتبطة مع العزم المغناطيسي للإلكترون. العزم المغناطيسي ناتج من حركة شحنة في مدار دائري (مثل حركة الالكترونات في السلك ينشىء عنه مجال مغناطيسي) إذا هناك عزم مغناطيسي للإلكترون حول النواة وهو مرتبط مع كمية الحركة المدارية من خلال العلاقة[/mark]

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.../imgqua/z2.gif[/align]

ويكون العزم المغناطيسي في اتجاه معاكس لمتجه كمية الحركة المدارية. وعلى هذا الأساس يكون متجه العزم المغناطيسي أيضا مكمم، وبالتالي فإن تأثر كمية الحركة المدارية بالمجال المغناطيسي الخارجي هو تأثر بطريقة غير مباشرة أي من خلال العزم المغناطيسي إذا تغير اتجاهه فان متجه كمية الحركة المدارية سوف يتغير.

يؤثر المجال المغناطيسي الخارجي على العزم المغناطيسي للإلكترون بعزم ازدواج وتكون الطاقة التي اكتسبها الإلكترون من المجال المغناطيسي ليغير اتجاهه هي على النحو التالي

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.../imgqua/z1.gif[/align]


وبالاستفادة من العلاقة التي تربط كمية الحركة المدارية مع العزم المغناطيسي

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.../imgqua/z2.gif[/align]

نحصل على

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.../imgqua/z3.gif[/align]

وهذا يوضح إن هناك زيادة في الطاقة لكل مستوى محدد بالعدد الكمي ml وان هذه الزيادة تتناسب طرديا مع شدة المجال المغناطيسي. ولحساب مقدار الزيادة في الطاقة نعوض عن الثوابت في المعادلة أعلاه لنحصل على

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.../imgqua/z4.gif

[img]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/imgqua/mub.gif[/img[/align]]


وهكذا نستنتج إنه عندما تتعرض الذرة لمجال مغناطيسي فان مستويات الطاقة تنفصل عن بعضها البعض بمقدار ثابت يعتمد على العدد الكمي ml والمجال المغناطيسي، وعليه يكون الطيف المنبعث من الذرة منفصل أيضا بنفس المقدار، وهذا ما قام باثباته عمليا العالم زيمان حيث وجد انفصال في خطوط الطيف عندما تتعرض الذرة لمجال مغناطيسي، وكانت لهذه التجربة صدى كبير في التحقق من نتائج النظرية الموجية للوصف الذرة.

الشكل أدناه (الجزء الأيسر) يعبر عن حالة مستويين للطاقة بدون وجود مجال مغناطيسي و(الجزء الأيمن) يوضح انفصال هذين المستويين في وجود مجال مغناطيسي خارجي. حيث ينفصل المستوى l=1 إلى ثلاثة مستويات بينما ينفصل المستوى l=2 إلى خمس مستويات كما وضحنا مسبقا بناءً على العلاقة بين ml و l وان لكل l يوجد عدد 2l+1 من الحالات ml.

[align=center]http://solar.physics.montana.edu/reu...ard/zeeman.gif[/align]

[mark=CCCCCC]عند انتقال الالكترونات المثارة إلى مستويات الطاقة الأقل أي من المستوى l=2 إلى المستوى l=1 بدون وجود المجال المغناطيسي ينبعث عن كل انتقال فوتون يحمل فرق الطاقة بين المستويين ونرصد هذا الفوتون بواسطة المطياف على شكل خط طيفي حاد. ولكن عندما تتعرض الذرة إلى مجال مغناطيسي خارجي تنفصل مستويات الطاقة وينتج عن ذلك خمس مستويات للمستوى l=2 وثلاث مستويات للمستوى l=1 وبالتالي يكون هناك أكثر من خيار لانتقال الالكترونات من المستويات المثارة إلى المستويات الأقل طاقة والقاعدة التي تحكم انتقال الالكترونات بين مستويات الطاقة هي [/mark]

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu...mgqua/sel1.gif[/align]

[mark=CCCCCC]ولهذا يكون هناك ثلاثة مجموعات من الانتقالات هي التي يكون فيها الفرق في العدد الكمي المغناطيسي يساوي صفر وهي المجموعة الأصلية ومجموعة ثانية يكون فيها الفرق يساوي -1 ومجموعة ثالثة يكون فيها الفرق يساوي +1 وهذه المجموعات الثلاثة تظهر على شكل ثلاثة خطوط طيفية منفصلة.[/mark]

إذا نستنتج من ذلك إن الخط الطيفي المنبعث من إثارة ذرة ينفصل في حالة تعرض الذرة إلى مجال مغناطيسي خارجي وهذا يشير إلى انفصال في مستويات الطاقة. وبحساب مقدار التغير في التردد نستطيع أن نحسب مقدار الانفصال في مستويات الطاقة بدقة. وبالتالي نتحقق من نتائج النظرية الموجية وهذا ما قام به العالم زيمان.

تجربة زيمان
تعتمد تجربة زيمان على توفير مصدر لمجال مغناطيسي قوي بحيث يصل إلى 1 تسلا على الأقل أي 10,000 جاوس وذلك لنتمكن من فصل مستويات الطاقة إلى مدى نستطيع رصد الطيف الناتج عنه بواسطة المطياف كما في الشكل

[align=center]http://hazemsakeek.com/magazine/imag...B/image001.jpg[/align]

يتم وضع مصباح صوديوم أو سيزيوم أو زئبق بين قطبي المغناطيس وسنفترض اننا نستخدم مصباح به غاز الصوديوم. وبدراسة الطيف المنبعث منه بدون وجود المجال المغناطيسي، ثم دراسة الطيف المنبعث بوجود المجال المغناطيسي وقياس الانفصال في الخطوط الطيفية التي تظهر على جانبي كل خط أصلي. ومقارنة مقدار الانفصال في التردد بالانفصال في مستويات الطاقة المتوقع حسب المعادلة

[align=center]http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.../imgqua/z4.gif[/align]


نكون قد تحققنا من الانفصال في مستويات الطاقة حسب العدد الكمي المغناطيسي ونكون أيضا قد أثبتنا إن كمية الحركة المدارية للالكترون مكممة.

[align=center]http://www.w6w.net/album/35/w6w_w6w_...079a653220.gif

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

بداية كل الشكر والتقدير لكل من ساهم في اعداد مواضيع الندوة العلمية الثالثة واخص بالذكر الاخوة والاخوات الاعضاء الافاضل


د.حازم سكيك
QuarK
سعاد الغامدي



على الجهد المبذول في اعداد هذه المواضيع والعمل المتقن والتي ستكون محور نقاشنا المفتوح ابتداء من اليوم السبت 2-6-2007وحتى يوم السبتالموافق 9-6-2007.

ندعو جميع الاعضاء المشاركة في النقاش بطرح مشاركاتكم واسئلتكم واستفساراتكم واضافاتكم حول موضوع الندوة وسوف نقوم من خلال هذه الصفحة الاجابة على جميع استفساراتك واسئلتكم.

:eh_s (15)
ملاحظة: عبارات الشكر والتشجيع سوف تحذف الا اذا تبعها موضوع او استفسار او سؤال او اضافة.

بانتظار تجاوبكم العلمي الفعال

http://www.3rb100.net/folder1/3rb100_7wrJHWaTd0.gif
[/align]


.
.
.