المقدمة:

كثيرًا ما نصف الكأس التي ليس فيها أي سائل بأنها فارغة. ترى هل هي فارغة بالفعل؟ في الحقيقة، الكأس مملوءة بالهواء وليست فارغة، والأوعية التي تقول عنها فارغة هي مملوءة بالهواء، فما الهواء؟ الهواء مخلوط من غازات متعددة، منها النيتروجين والأكسجين، وهي مواد. والمادة -كما عرفت- هي أي شيء له كتلة ويشغل حيزًا. فالهواء مادة، رغم أنك لا تستطيع رؤيته أو إمساكه بيديك. إذًا، فماذا عن الأشياء التي يمكن أن تراها، وتذوقها، وتشمها، وتلمسها؟ معظمها مواد أيضًا. انظر إلى الأشياء الموجودة، وحدّد أيّها يعد مادة. هل الضوء له كتلة، أو يشغل حيزًا؟ هل حرارة الشمس أو الحرارة الناتجة عن السخان تعد مادة؟ الحرارة والضوء لا يشغلان حيزًا، وليس لهما كتلة، إذن فهُما لا يعدان من المواد. كذلك الإحساس، والأفكار ليست مواد.

لماذا يعد الهواء مادة، ولا يعد الضوء كذلك؟

عناصر المقالة:

1.      ما مكوّنات المادة؟

2.      أفكار قديمة:

3.      مساهمة لاڤوازييه:

4.      نموذج دالتون الذرى:

5.      نموذج طومسون:

6.      نموذج رذرفورد:

7.      نموذج بور:

8.      النموذج الذرى الحديث:

9.      الختام:

ما مكوّنات المادة؟

افترض أنك كسَّرت قطعة كبيرة من الخشب إلى أجزاء صغيرة. فهل هذه الأجزاء تتكون من المادة نفسها التي تتكون منها قطعة الخشب الكبيرة؟ استمر في تقطيع الخشب إلى أجزاء أصغر فأصغر. هل تبقى القطع الصغيرة تحمل صفات القطعة الخشبية الكبيرة نفسها؟ إذا وصلت إلى أصغر قطعة خشبية ممكنة، فهل ستشبه القطعة الخشبية الكبيرة؟ هل هناك حدّ للوصول إلى أصغر قطعة؟ عبر القرون، سأل الناس أسئلة مشابهة لهذه الأسئلة حول حقيقة المادة.

أفكار قديمة:

اعتقد ديمقريطس- وهو فيلسوف يوناني عاش حوالي عام 460 إلى 370 قبل الميلاد- أن الكون يتألَّف من فراغ، ومن جسيمات صغيرة جدًّا من المادة. واعتقد أن هذه القطع صغيرة، لدرجة أنه لا يمكن تقسيمها إلى أجزاء أصغر. وقد سمّى هذه الأجزاء الصغيرة ذرات، يعني الشيء الذي لا يجزأ. وحاليا تُعرّف الذرّة على أنها أصغر جزء من المادة وتتكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

مساهمة لاڤوازييه:

اهتم الكيميائي الفرنسي لافوازييه بدراسة المادة، وخصوصًا تغيراتها، وكان الناس قبله يعتقدون أن المادة تختفي أو تظهر بسبب التغيرات. وأوضح لاڤوازييه أن كتلة الخشب والأكسجين الذي يتفاعل معها عند الاحتراق تساوي كتلة كل من الرماد والماء وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى التي تنتج عن الاحتراق كما في الشكل 2. وكذلك، فإن كتلة قطعة الحديد والأكسجين والماء تساوي كتلة الصدأ الذي ينتج عن حدوث التفاعل. وبناء على تجارب لاڤوازييه ظهر قانون حفظ المادة، الذي ينص على أن المادة لا تفنى ولا تستحدث إلا بقدرة الله تعالى، وإنما تتحول من شكل إلى آخر.

نموذج دالتون الذرى:

 درس العالم الكيميائي جون دالتون حوالي عام 1800 م تجارب لاڤوازييه وغيره. وقد فكّر دالتون في تصميم نموذج ذري لشرح نتائج تلك التجارب. نموذج دالتون الذري هو مجموعة من الأفكار وليس نموذجًا ماديًّا؛ إذ اعتقد دالتون أن المادة تتكون من ذرات صغيرة جدًّا لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. وكذلك اعتقد أن كل نوع من المادة يتكون فقط من نوع واحد من الذرات. فذرات الذهب مثلًا يتكون منها خام الذهب، وهي التي تعطي خاتم الذهب مظهره اللامع. وكذلك قضبان الحديد تتكون من ذرات الحديد، وهذه الذرات تعطي الحديد خصائص فريدة. وقد اعتُمد نموذج دالتون في ذلك الوقت بوصفه نظرية ذرية للمادة.

نموذج طومسون:

 تمكن العالم طومسون عن طريق التجربة أن يثبت وجود جسيمات مشحونة بشحنة سالبة في الذرة، وأطلق على هذه الجسيمات اسم إلكترونات. اشتهرت تجربة طومسون باسم تجربة الأشعة المهبطة، وفي ضوء نتائجها وضع طومسون نموذجًا للذرة كما في الشكل، حيث اقترح أن الذرة تتكون من كرة متجانسة موجبة الشحنة تتوزع فيها إلكترونات سالبة الشحنة.

نموذج رذرفورد:

توصل راذرفورد بعد ذلك من خلال تجربته الرائدة والمشهورة إلى أن معظم حجم الذرة فراغ، وأنها تتكون من نواة غاية في الصغر تحوي بداخلها جسيمات موجبة الشحنة أطلق عليها اسم بروتونات، كما اقترح أن الإلكترونات تنتشر في الفراغ المحيط بالنواة. ثم قام عالم آخر) شادويك (بتجارب علمية كان من نتائجها اكتشاف جسيم داخل النواة متعادل الشحنة) غير مشحون (أطلق عليه اسم النيوترون الشكل 4.

نموذج بور:

 في بداية القرن العشرين، قدّم العالِم بور الدليل على أن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة في مستويات طاقة مختلفة. مستوى الطاقة الأول القريب من النواة يتسع لإلكترونين، ومستويات الطاقة الأعلى أكثر بعدًا عن النواة وتتسع لإلكترونات أكثر. ولتوضيح مستويات الطاقة هذه، اعتقد بعض العلماء أن الإلكترونات تدور حول النواة في مدارات تبعد عن النواة مسافات محددة، كما في الشكل 5. وهذا يشبه دوران الكواكب حول الشمس.

النموذج الذري الحديث:

 نتيجة الأبحاث المستمرة، توصل العلماء إلى أن للإلكترونات خصائص موجية خصائص مادية، وأن مستويات الطاقة غير محددة. وأن الإلكترونات توجد حول النواة على شكل سحابة إلكترونية. كما في الشكل 6.

الختام:

1.      تطوّر من الفكرة البسيطة للمادة كجسيمات لا يمكن تجزئتها إلى النماذج المعقدة للذرات والنياقوسات والسحب الإلكترونية حول النواة. هذا التقدم يبرهن على حدود معرفتنا واستمرار الاكتشافات والبحث العلمي.

2.      فلنستمر في التساؤل والبحث، فالعلم يمثل محرك تقدم الإنسان وفهمه للعالم من حوله. وفي كل استكشاف، نقترب أكثر من كشف أسرار الطبيعة وفهم أعماق المادة التي تشكل أساس وجودنا..

3.      يظهر لنا كيف تطوّرت فهمنا لطبيعة المادة على مر العصور. من الأفكار القديمة حول الذرات والتجزئة، إلى نماذج دقيقة مثل نموذج رذرفورد ونموذج بور، وصولًا إلى النموذج الذري الحديث الذي يشير إلى الطابع الموجي والمادي للإلكترونات حول النواة.

4.      يُظهر هذا التقدّم كيف يعكس العلم والبحث المستمرين التطور المستمر لفهمنا للعالم من حولنا.

5.      إن فهم تكوين المادة يعزّز إعجابنا بتعقيد الكون وتنوعه، وقد أشرقت الأفق العلمي بتطور مفهومنا للمادة وهيكل الذرة، ولكن دائمًا يظل هناك المزيد لاكتشافه وفهمه في هذا المجال المثير والذي يزخر بالتحديات والغموض.

قم بتنفيذ التجربة بنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية