مجلة الرسالة/العدد 366/رسالة العلم

الذرة وبناؤها الكهربائي

للدكتور إسماعيل أحمد أدهم

يكاد يكون اتجاه علم الطبيعيات الحديثة في مبحث الذرة أن اللبنات الأساسية التي تبني منها الذرة موجبة، وذلك من بعد ما نجح العالم الفرنسي (لويس دي بروجلي) - والأستاذ (هيزنبرج) - في وضع مبادئ الميكانيكا الموجبة. فنحن نعلم أن نظرية (نيلز بوهر) مع نظرية المقدار القديمة كانت تستحكم في الأذهان حينما تقدم للملأ (لويس دي بروجلي) عام 1923 م مقرراً أن الإلكترونات وهي دقائق كهربائية مادية ذات شحنة سالبة تحمل ما يتبين فيه نبض موجبي، وأن أشعة (إكس تظهر في شكل من القوة خاص بالذرة غير أن ملاحظة (لويس دي بروجلي) لم تحظ بتأييد أحد غير العلامة حدث أن نجح الأستاذ (دافسن) وزميلة (جرمر) في إثبات أن الإلكترون وهو دقيقة مادية يخضع لقوانين التفرق الموجي. فنحن نعلم أن مرور موجة ضوئية في ثقب دقيق يتمخض عما يعرف باشتباك الأمواج وتفرقه - إذ بدلاً من أن تسير الموجات الضوئية في خطوط مستقيمة فإن أجزاءها تشتبك. ومثل هذا يحدث إذا مرت في معدن متبلور أو صفائح فلزية حيث تقوم دقائق المعدن أو الفلز مقام الحائل في الضوء المرئي. وقد نجح هذان العالمان في إمرار إلكترونات من خلال صفائح فلزية من الذهب ومعادن متبلورة، فكانت النتيجة التي انتهينا إليها أن الإلكترون يتصرف تصرف الأمواج، إذ تشتبك أجزاؤه وتتداخل. ومن ذلك الحين احتلت الميكانيكيات الموجبة مكانها اللائق في عالم الفكر العلمي الحديث

وقد استند (لويس دي بروجلي) إلى ظاهرة تصرف الإلكترون كموج وقرر أنه عبارة عن موجة كهربائية تجمعت في حيز صغير، ورغم أن فرضيته كانت توافق النتائج التجريبية التي انتهى إليها الأستاذة (دافسن) و (جرمر) و (طمسن الصغير) فإن مبدأ (عدم التثبت) الذي كشف عنه (هيزنبرج) كان يقف عقبة دون قبول هذا الرأي

فنحن نعلم من نظرية المقدار القديمة أن إطلاق لمادة لفوتونات الطاقة يكون كاملاً وكذلك امتصاصها لها، وأن عملية امتصاص الفوتونات وإطلاقها تسير متقطعة غير متصلة، وذلك يرجع إلى أن نظرية (ماكس بلانك) قامت تستمد كل قوتها من التحولات الدورية في الاهتزازات التي تعين خط شعاع الموجة، معتبرة هذه التحولات غير مستمرة بل هي وثبات متماثلة متساوية المسافة الفاصلة بينها، كما أن الزمن الفاصل متساو، فتكون بناء على ذلك هذه التحولات الدورية راجعة لوحدات ثابتة لا تنقسم اصطلح على تسميتها بثابت بلانك في الرمز الرياضي. فإذا أخذنا موضع النظر الحقيقة التي قررها (جيمس كلارك ماكسويل) من أن الأمواج أياً كانت تتسع في دوائر باستمرار في كل الجهات، فكأن موجة ضوئية تصدر من أحد السدم تصل إلى الأرض بعد سنين من صدورها، ورؤيتها تحمل في (علم المقدار على أن مقداراً أصاب العين، مع أن المقدار المنطلق من إحدى ذرات السديم يجب أن تتوزع طاقتها على صدر قوس موجتها، حتى أن السنتيمتر من سطح الأرض الواقع في دائرة شمول الموجة لا يصيبه إلا جزء صغير جداً من المقدار وهذا يستلزم انقسامها وهي لا تنقسم، وهذا خلف

ولقد افترض (هيزبنرج) لحل هذا الإشكال أن الأمواج لا تحمل كميات من الطاقة متساوية في صدرها، إنما تحمل احتمالات متساوية بوجود الطاقة، متجمعة في إحدى النقط الواقعة على صدر الموجة. والمذكرة التي قدمها (هيزنبرج) في هذا الشأن خريف عام 1925م تنطوي على هذا المبدأ الذي يستتر وراءه حقيقة من أهم حقائق الكون الخفية

وقد نجح العلماء من بعد (هيزبنرج) في إثبات هذه الحقيقة وقد كنت أنا من أوائل هذا النفر، فقد بينت تجاربنا بمعامل البحث الطبيعي في موسكو أننا لو أسقطنا حزمة من أمواج الحرارة على طبقة معدنية من المغناسيوم، فبطبيعة الأمر سيتطاير عدد من الكهارب، وعن طريق قياس سرعة سقوط أمواج الحرارة وعدد الكهارب المتطايرة وعرض الموجة، أمكننا حساب مسألة تركز الطاقة في نقط معينة من صدر الموجة أو توزعها، وكانت نتيجة هذه التجارب أن الطاقة في أمواج الحرارة متجمعة في أجزاء على صدر الموجة، وبذا تؤثر في الكهارب التي تصدمها

وإذاً يمكننا أن ننقح رأي (لويس دي بروجلي)، وأن نفترض مع الأستاذ (أروين شرودنجر) أن الكهربائية في الذرة ليست مركزة في نقط معينة من الذرة، هي الكهارب، إنما هي موزعة على السواء في محيط كرة الذرة. وتفسير هذا التوزيع يشكل أهم مسألة في الطبيعيات الحديثة

2: -

لقد كان أثر نظرية المقدار في تفكيرنا العلمي عن بناء الذرة كبيراً، إذ لم نعد نعتبر سير الإلكترون في فلكه حول النواة مستمراً بل متوثباً، ويكون بذلك شكل الذرة الخارجي متعدد الأضلاع نظراً لأن الإلكترون يرسم حدود الذرة وثباً في سيره من حول النواة، وهكذا نقترب من التصوير الذي وضعه للذرة (جلبرت نيوتون ولس) 1916، والتي اعتبرت أساساً لبناء الذرة المستقر

وهذا التفكير وضع حداً لذرة (بوهد) وخصوصاً أنه كان يرى المسارعة في الذرة، مسارعة الإلكترون ترجع لقوانين النشاط الكهربائي - الكلاسيكية، بينما إشعاعات الذرة للفوتونات ترجع لقاعدة (ثابتة بلانك) في (علم المقدار). ومن المعلوم لنا عن طريق التجربة أن المسارعة من جهة وإطلاق الذرة للفوتونات من جهة أخرى يمكن أن يخضع لقوانين النشاط الكهربائي الكلاسيكية، ولكن. . . ذلك إذا بلغت عدد المقادير - ثوابت بلانك - اللانهائية أو قاربتها

هذا إلى أنه من المتعذر على الباحث في الدقائق - أن يعين مكان دقيقة ذريرية وسرعتها في آن واحد، فإذا عرف المكان تعذر على الباحث تعيين السرعة، وإذا عرفت السرعة تعذر عليه تعيين المكان، وقد كان تأثير هذا المبدأ - مبدأ عدم التثبت - كبيراً فإنه هدم ثقة العلماء بالجبرية في علم الطبيعة غير أنه من المهم أن نلاحظ أن عدم التثبت كان ينعكس في المقادير الكبيرة إلى نوع من التثبت والحقيقة. وهذه الحقيقة بجانب أوليات حسابات الاحتمال مهدت السبيل للعلامة (أورين شرودنجر) أن يضع نظرية جديدة في (علم المقدار) تضافر معه على تحقيقها (ماكس بورن) و (جوردان) و (ديراك) وفي هذه النظرية الجديدة لم يعتبر (شرودنجر الإلكترون دقيقة مادية ركزت فيها الشحنة الكهربائية، إنما اعتبرها شحنة كهربائية موزعة على ذلك الإلكترون على السواء، والتوزيع هنا معناه احتمالي محض، وقد اختلفت وجهات النظر في تفسير الاحتمال، فهو عن شرودنجر ليس ساحة فراغية إنما هو ساحة رياضية صرفة، بينما هو عند جودان وماكس بورن مقياس لا لكم واحد أو عدد من الكميات وإنما هو مظهر من قياس عدد لا متناهٍ من الكميات الممكنة المنتظمة؛ أما (ديراك) فيرى التوزيع رمزاً ولكن بدون أي إمكان لتفسير عددي إذ يأخذ بالوجهة التي تربط سرعة الإلكترون بمقدار طاقة حركتها

إن فكرة الاحتمال التي دخلت ساحة الطبيعيات الحديثة نبتت من الحقيقة التجريبية في أنه إذا بلغ عدد المقادير أعني ثوابت بلانك اللانهائية أو قاربها، فإن مسارعة الإلكترون وإطلاق الذرة للفوتونات يخضعان لقوانين النشاط الكهربائي الكلاسيكية، ومن المعلوم من حسابات الاحتمال أن اتساع الدائرة التي تخضع للاحتمال يؤدي إلى تكييفات حتمية أو شبه حتمية، وذلك راجع إلى أنه في حالة اتساع الدائرة تتساوى نسبة مجيء الحادثات واطرادها في تتابعها. وبيان هذا:

لو افترضنا أن معنا قطعة من النقد، فهذه القطعة لها وجهان بطبيعتها، واحتمال مجيء أحد هذه الوجهين معادل لاحتمال مجيء الوجه الآخر. فالحالات الممكنة اعني المحتملة هنا هي:

1، 2 ز 2، 1

ويكون احتمال هاتين الحالتين بنسبة بعضهما لبعض:

ح1 ح2=1 - ح1

باعتبار أن الوضع 1، 2=ح1 والوضع 1. 2=ح2 فإذا تكررت هذه الأوضاع ن من المرات، فالحالات الممكنة ثابتة في التعاقب ويكون وجه احتمال مجي الوضع ح1 راجعاً للمعادلة

(ح1 - ح2) ن

التي تحدد من إمكان الوضع الأول

وهنا التفاضل بين ح1 - ح2 أصغر من الواحد، فإذا كان مقدار ن بالغاً الحد الأعظم فإن إمكان الوضعين يقترب من التعادل حتى يساويه في اللانهائية

واستناداً إلى هذه الفكرة الرياضية المحضة أمكن تفسير غامض انطلاق الفوتونات وتغيير الذرة لموازنتها الكهربائية، فنحن نعرف أن كهربا ينطلق من الذرة إذا بلغ عدد المقادير اللانهائية وذلك في صورة متجانسة مع المبادئ الكلاسيكية، وانطلاق كهرب أو تغييره لفلكه يحدث اختلالاً في موازنة الذرة ويحدث في بناء الذرة رد فعل ينجم عنه موازنة جديدة، لا تأتي إلا بإطلاق مقادير من الطاقات تعرف بالفوتونات. وإطلاق الذرة لهذه الفوتونات يرجع لحملها حالة طقس جديدة تقوم على عدد لا نهائي من المقادير. وهذه اللانهائية في عدد المقادير هي التي تعطي الاطراد في انطلاق الفوتونات بالنسبة لتغيير الشحنات الكهربائية موازنتها في الذرة، لأنه في الوضع اللانهائي يتساوى كل الحالات الممكنة واطراد انطلاق الفوتونات في تتابعها

ونفس النظر الاحتمالي فسر مفهوم مبدأ عدم التثبت لأن هذا المبدأ في أبسط صوره لم يخرج عن استحالة تعيين دقيقة ذريرة في مكانها وسرعتها في آن واحد، فإذا أمكن تعيين السرعة استحال تعيين المكان، وإذا أمكن تعيين المكان استحال تعيين السرعة. ولكن هذه الاستحالة وعدم التثبت سرعان ما ينعكسان - كما قلنا في المقادير الكبيرة - ولبيان هذا نقول:

إن قطعة النقد المؤلفة من وجهين: وجه عليه رسم الملك، ووجه آخر عليه القَّية؛ ولنرمز إلى الوجه الأول بالرمز (ح1)، وللوجه الثاني (ح2)؛ فإن إمكان تعيين أحد الوجهين متعادل واحتمال مجيئه متساو بحكم الطبيعة، فإذا رمينا قطعة النقد عدداً من المرات، فمن المحتمل في هذه المرات أن يأتي كل وجه في دورة واحدة، كما أنه لا يستبعد أن يأتي أحد الوجهين عدداً من المرات، ولا يظهر الوجه الآخر إلا مرة واحدة. . .

ولكن هذا التخالف سرعان ما يتناقض مقداره ويأخذ في الاقتراب من الصفر إذا رمينا قطعة النقد 500 ألف مرة، لأنه في هذه المرات الكثيرة يعطي اتساع المدى تساوياً لتتابع واطراد الأوجه الممكنة - التي هي وجهان هنا - فيأتي معنا الوجه الذي يحمل رسم الملك 250 ألف مرة، وكذلك الوجه الآخر

ونفس هذا يحدث معنا في ساحة (علم الذرة) وعلم (المقدار) ولشرح هذا نقول:

إن المشاهد في عالم الذرة أن النتيجة التي يخلص بها الباحث من تعيين أوضاع لبناتها غير حتمية، لأن النتيجة التي يخلص بها الراصد والباحث في زمن ووضع معين يخرج بغيرها باحث آخر في غير الوقت والوضع ولو جرت التجربة في عين الشرائط التي جرت وفقاً لهذه التجربة الأولى. ولو أجريت التجارب عدداً من المرات فعلى عدد هذه المرات تكون النتائج معنا، غير أن هذه العدد إذا بلغ حداًّ كبيراً فسنجد أن النتائج الجزئية تعطي وجهاً عاما في احتمال لا نهائي. وهذا الاحتمال يمكن الباحث من حساب النتيجة التي تأنى معه في وضع رياضي ولكن يحمل عنصر اللزوم والحتم في طياته

وهذا نفس ما يحدث معنا إذا رمينا قطعة النقد مرات فإن النتائج تتباين في كل رمية، ولكن هنالك في اتساع المدى تساوياً في تتابع واطراد هذه النتائج

هذه الأوليات تفسر لنا أوجه تفسير (التوزيع) عند كل من (شرودنجر) و (جوردان) و (ماكس بورن) و (ديراك) من وجهتيه الطبيعية والرياضية

3: -

لقد انتهى (ديراك) بمباحثه النظرية في تفسير التوزيع، إلى أن هذا التوزيع رمز ولكن بدون أي إمكان لتفسير عددي أخذاً بالوجهة السلبية من المعادلة الأساسية لنظرية الكوانتا الجديدة، أعني الوجهة التي تربط سرعة الإلكترون بمقدار طاقة حركته، وكان نتيجة ذلك أن انتهى إلى أن هنالك ضربين من الكهارب موجبة وسالبة الشحنة الكهربائية؛ والكهارب ذات الشحن السالبة من الكهربائية هي الإلكترونات، أما الموجبة فهي وراء تناول تجاربنا، فكأنها والخلاء سيان

وامتحان نظرية (ديراك) من الوجهتين الرياضية والفيزيقية عن طريق دراسة تدفق الإشعاع المادي واستناداً إلى معادلتي كلاين و (نشينا) ينتهي بالباحث، كما انتهى بنا، إلى حقيقة فوزيقية مهمة: هي أن الطاقة السالبة، والطاقة الموجبة التي ترتبط بدقيقة الكهربية متساوية، وأن الاختلاف في دلالة الإشارة الجبرية على توزيع الشحنة، وهذا يؤدي حتما إلى افتراض كهرهب موجب الشحنة الكهربائية يقابل الإلكترون السالب الشحنة الكهربائية. وهذا التنقيح في نظرية (ديراك) يجعلنا ننجح حيث فشل غيرنا، مثل أوبنهمير ومن الحتم أن نقول إن (لويس دي بروجلي) يوافقنا على هذا التعديل

وقد كشفت المباحث الفيزيقية الأخيرة عن وجود دقيقة مادية ذات شحنة موجبة تقابل الإلكترون اصطلح على تقريبها بالبوزيتون. وكان زميلنا العالم الروسي سكوبلنر أول من انتبه إلى هذه الحقيقة أثناء تصويره مسارات الأشعة الكونية عن طريق ما تتركه من الأثر في المسار الذي تسلكه خريف عام 1929. وكانت تجارب الأساتذة: أندرسون وبلاشيت وأشياليني في الذرة المتهيجة تحت تأثير الأشعة الكونية قد انتهت لحقيقة تجريبية في أن كتلة هذه الذرات المتهيجة تحت تأثير الأشعة الكونية تعادل كتلتها في حالتها الأولى. وقد تبيّن خلال هذه التجارب أن هنالك خطوطاً مزدوجة أحدها منحرف لليمين والآخر لليسار، أعني أن أحدهما موجب والثاني سالب، وتبين من مباحثهم أن الخط الموجب هو صنو للإلكترون نظراً لأن الخط السالب هو الإلكترون نفسه، وأن كتلة الدقيقة الموجبة معادلة لكتلة الدقيقة السالبة، فكأن البوزيتون صنو الإلكترون وليس البروتون هو صنوه

ونحن نعلم من نظرية (نيلز بوهر) العالم الدانمركي أن النوية في الذرة تعادل كتلتها كتلة الذرة وأنها مكونة من بروتونات، غير أن الميكانيكا الموجبة وتجارب (دمبستر). بينت أن البروتون لم يخرج عن كونه موجة كهربائية ولكنها ليست مركزة في قلب الذرة كما ارتأى (دي بروجلي) وإنما هي موزعة توزيعاً رياضياً في كرة الذرة الداخلي

هذه الحقيقة التي تنسجم مع المبادئ النظرية في الفوزيقا الحديثة لها ما يسندها في عالم التجربة، وقد كان لي علم 1933 فكرة في أن كرة الذرة الداخلية متوزعة فيها الشحنة الموجبة توزيعاً رياضياً، وأن هذه الشحن تتجمع في بعض النقط، وهذه النقط هي الإلكترونات الموجبة أو البوزيتونات حسب الاصطلاح الحديث

وفي مستهل عام 1938 حملت أنباء التجارب العلمية الحديثة أن البروفسور سكوبلزن قد نجح في تخليص بيروتونات من تيار من البوزيترونات تحت ضغط عال، فإذا صح هذا، فسيكون معنا في الذرة لبنتان أساسيتان - الإلكترون والبوزيتون وهكذا يتحقق معنا الغرض القديم الذي قلت به منذ خمس سنوات في مذكرتي إلى معهد الطبيعيات الروسي، وهي أن الذرة مكونة من موجتين: ذات شحنة موجبة وذات شحنة سالبة، وأن هاتين الموجتين في توزيعهما الرياضي في عالم الذرة يخلْقان لنا ذلك الشيء الذي نصرف إليه اصطلاح الذرة

إسماعيل أحمد أدهم