تُعد الذرة من أهم المفاهيم في علم الكيمياء، إذ ساهم فهمها في معرفة مكونات هذا الكون من أصغر الجسيمات فيه إلى أكبرها، وتتألف الذرة من نواة تحتوي على مكونات عدة منها البروتونات، ما هي هذه الجسيمات؟ ومن أول من اكتشف البروتونات؟ وكيف ساهم هذا الاكتشاف في تحسين حياة البشر على سطح الأرض؟ لمعرفة الإجابة عن كل ذلك تابع القراءة.
ما هي البروتونات؟
البروتونات هي جسيمات غير ذرية توجد داخل نواة الذرة، وتحمل شحنة كهربائية موجبة، والتي تساوي في الحجم الشحنة السالبة للإلكترونات، ويحدد "العدد الذري" عدد البروتونات في الذرة، والذي بدوره يحدد هوية العنصر.
فعلى سبيل المثال، تحتوي ذرات الهيدروجين على بروتون واحد، وذرات الهيليوم تحتوي على بروتونين، وهكذا، إذ يمكن التعرف على عدد البروتونات للعناصر بسهولة من خلال دراسة الجدول الدوري أو الإطلاع عليه، والذي يُعد واحدًا من أهم ركائز علم الكيمياء.
وتساهم البروتونات أيضًا في التعرف على كتلة الذرة بما يسمى بالعدد الكتلي، وذلك على الرغم من أن كتلتها أصغر بكثير مقارنة بالنيوترونات، ولذا يمكن القول إن البروتونات هي مكونات أساسية للذرات وتلعب دورًا هامًا في تحديد خصائص وسلوك العناصر الكيميائية، وكذلك التفاعلات الكيميائية اللازمة لحالة الاستقرار.
يعتبر إرنست رذرفورد عالم فيزياء بارزًا من نيوزيلندا، إذ قدم مساهمات كبيرة في مجال الفيزياء النووية واشتهر بعمله في بنية الذرة.
من اكتشف البروتونات
يعود الفضل في اكتشاف البروتونات إلى العالم إرنست رذرفورد، والذي حمل لقب "أبو الفيزياء النووية" لإسهاماته في هذا العلم، وفيما يلي نتتبع سيرته في تحقيق ذلك الاكتشاف:
- يعتبر إرنست رذرفورد عالم فيزياء بارزًا من نيوزيلندا، إذ قدم مساهمات كبيرة في مجال الفيزياء النووية واشتهر بعمله في بنية الذرة.
- ولد إرنست رذرفورد في 30 أغسطس 1871 في نيوزيلندا، ودرس في جامعة كامبريدج تحت إشراف العالم الشهير جوزيف جون طومسون، الذي يعد مكتشف الإلكترون.
- أجرى رذرفورد تجربة علمية قام من خلالها بوضع رقاقة ذهبية رقيقة، ومن ثم وجه إليها أشعة بجسيمات ألفا، وهي عبارة عن جسيمات موجبة الشحنة تنبعث من بعض العناصر المشعة.
- توقع إرنست رذرفورد أن تمر جسيمات ألفا عبر رقائق الذهب بانحرافات طفيفة، وذلك وفقًا لنموذج "بودنغ" السائد للذرة الذي اقترحه العالم طومسون في وقتٍ سابق.
- خلافًا للتوقعات فإن معظم جسيمات ألفا مرت مباشرة عبر رقائق الذهب دون انحراف مطلق، مع ملاحظة انحراف جزء صغير من جسيمات ألفا بزوايا كبيرة، بل وارتد بعضها نحو المصدر الأشعة الرئيسي.
- استنتج رذرفورد أن الذرة تحتوي على نواة كثيفة موجبة الشحنة في مركزها، مما تسبب في انحرافات كبيرة وصد جسيمات ألفا موجبة الشحنة، وشبه ذلك بإطلاق رصاصة على منديل ورقي ثم ارتدادها عنه، مما يشير إلى أن النواة تشغل حجمًا صغيرًا جدًا مقارنة بالحجم الكلي للذرة.
- بناءً على ملاحظاته اقترح رذرفورد أن النواة تحتوي على جسيمات موجبة الشحنة، والتي أطلق عليها اسم "البروتونات"، وقام بوصفها وتحديدها على أنها الجسيمات غير الذرية المشحونة بشحنة موجبة والمسؤولة عن غالبية كتلة الذرة وغالبية شحنتها الموجبة.
- أحدثت تجارب رذرفورد ثورة في فهم البُنية الذرية، مبتعدة عن نموذج طومسون الأصلي نحو مفهوم جديد وهو أن النواة تحتوي على البروتونات والنيوترونات، والتي تدور حولها الإلكترونات.
- وضع عمل رذرفورد حجر الأساس لتطوير الفيزياء النووية وساهم في تطوير النموذج النووي للذرة.
- قدم رذرفورد العديد من المساهمات الأخرى في الفيزياء، بما في ذلك اكتشاف النواة الذرية، واكتشاف مفهوم نصف العمر الإشعاعي، وتحويل العناصر أيضًا.
- حصل رذرفورد على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1908 لأبحاثه في تفكك العناصر وكيمياء المواد المشعة.
- توفي إرنست رذرفورد في 19 أكتوبر 1937، تاركًا وراءه إرثًا دائمًا في مجال الفيزياء والعلوم النووية، وظل حتى اليوم يُذكر كواحد من أكثر العلماء تأثيرًا في القرن العشرين.
قدم اكتشاف البروتون رؤى مهمة حول بنية الذرة وخاصة نواتها، وأدى ذلك إلى تطوير النموذج النووي للذرة
أهمية اكتشاف البروتونات
مثّل اكتشاف إرنست رذرفورد للبروتون معلمًا واضحًا في تطور النظرية الذرية وكان له آثار عميقة على الفيزياء والعديد من المجالات الأخرى، وفيما يلي نلقي نظرة تفصيلية عن أهمية اكتشاف البروتون:
-
فهم التركيب الذري
قدم اكتشاف البروتون رؤى مهمة حول بنية الذرة وخاصة نواتها، وأدى ذلك إلى تطوير النموذج النووي للذرة، الذي اقترح أن الذرات تحتوي على نواة صغيرة كثيفة تحتوي على بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات محايدة، محاطة بإلكترونات سالبة الشحنة تسبح في أفلاك منفصلة حول النواة، ولكل منها طاقة مختلفة.
-
تأكيد النظرية الذرية
دعم اكتشاف البروتونات ما عُرف بالنظرية الذرية التي تفترض أن الذرات تتكون من جسيمات دون ذرية ذات خصائص محددة، وساعد ذلك في التحقق من صحة مفهوم العدد الذري، الذي يمثل عدد البروتونات في نواة الذرة ويحدد هوية العنصر.
-
شرح الكتلة الذرية
تمثل البروتونات جزءًا كبيرًا من كتلة الذرة، فذلك ما خلص إليه رذرفورد من تجربته، وساعد اكتشافه ذاك في تفسير حجم كتلة الذرة الذي كان موضع خلاف كبير لدى العلماء فيما سبق، إذ كانوا يعزونه إلى النيوترونات والإلكترونات معًا مستبعدين تمامًا أن يكون للبروتونات دورٌ في ذلك الوزن.
-
تقدم الفيزياء النووية
مهد اكتشاف البروتون الطريق لمزيد من الأبحاث في الفيزياء النووية، مما أدى إلى فهم أعمق للتفاعلات النووية، والتحلل الإشعاعي، والطاقة النووية، كما وضع ذلك الأساس لتطوير التقنيات النووية مثل الطاقة النووية والأسلحة النووية في العديد من الدول.
-
المساهمة في فيزياء الجسيمات
تُعد البروتونات جسيمات أساسية في النموذج القياسي لفيزياء المواد، الذي يصف المكونات الأساسية للمادة وتفاعلاتها، وقد ساهمت دراسة خصائص وسلوك البروتونات في فهمنا للفيزياء والقوى الأساسية للطبيعة، وتفسير العديد من الظواهر فيها مثل الشفق القطبي وقوس قزح وغيرها.
-
التطبيقات التكنولوجية
استثمر العلماء خصائص البروتونات في العديد من التطبيقات العملية في مجالات مختلفة، بما في ذلك الطب، حيث يستخدم العلاج بالبروتونات في علاج بعض أنواع السرطان والأورام ومنع انتشارها في جسم الإنسان، كما تُستخدم البروتونات أيضًا في مسرعات الجسيمات لأغراض البحث، وفي التحليل الطيفي في الرنين المغناطيسي النووي (NMR) بهدف دراسة بنية الجزيئات وخصائصها.
-
الأهمية التعليمية
إن اكتشاف البروتون له أهمية تعليمية كبيرة، فهو بمثابة مفهوم أساسي في تدريس الكيمياء والفيزياء، حيث يساعد الطلاب على فهم تكوين المادة، وبنية الذرة، ومبادئ النظرية الذرية، إذ تُعتبر هذه العلوم أساسية في معظم دول العالم ولمختلف المراحل الدراسية للطلبة.
-
المساهمات في التقدم العلمي
يمثل اكتشاف البروتون إنجازًا كبيرًا في تاريخ العلوم، حيث يسلط الضوء على أهمية التجريب والملاحظة في تعزيز فهمنا للعالم الطبيعي، ويجسد الطبيعة التكرارية للبحث العلمي دون كللٍ أو ملل، حيث تعتمد الاكتشافات الجديدة على المعرفة السابقة والمتراكمة لتعميق فهمنا للكون.
يُعود الفضل في اكتشاف البروتونات إلى العالم النيوزلندي إرنست رذرفورد، والذي أجرى تجربة بتسليط أشعة ألفا على رقاقة ذهبية وتوصل إلى أن البروتونات هي جسيمات غير ذرية توجد داخل نواة الذرة، وتحمل شحنة كهربائية موجبة وتشكل معظم الكتلة للنواة.
ولقد أدى هذا الاكتشاف إلى إسهامٍ علمي ملحوظ في مختلف المجالات والتطبيقات ومنها؛ فهم التركيب الذري، واثبات العديد من النظريات والفرضيات، وتقدم الفيزياء النووية، واختراع العديد من التطبيقات التكنولوجية، ناهيك عن دوره في تقدم البحث العلمي والتعليم.
