لماذا لا يرتبط الإلكترون بالبروتون في ذرّة الهِدروجين؟
الجواب:
دار هذا السُّؤال في أذهان الفيزيائيين في أوائل القرن العشرين قبل تطوير نظريَّة الكمّ. لم يكن مفهومًا حينها سبب عدم فقدان الإلكترون الدائر المتسارع طاقته على شكلٍ من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي والسُّقوط في البروتون.
تفترض نظريَّة الكمّ أنَّ الطَّاقة يجب أن تكون معبّأةً بكمياتٍ محدودةٍ، مشابهةٍ للمال. على سبيل المثال يمكنك أن تنفق 25 أو 26 سنتًا، ولكنك لا تستطيع إنفاق 25 سنتًا ونصف. وفقًا لقواعد الكمّ، فإنّ الإلكترونات لا يمكنها خسارة ما يكفي من الطَّاقة للسُّقوط في البروتون، لذلك فهي تبقى حيث هي. ومع ذلك يمكنها الحصول على كميَّة محدودة من الطَّاقة والارتفاع إلى مستوًى طاقيٍّ أعلى. لأنّ الطاقة المحددة تتحول إلى تردد كهرومغناطيسي محدد، وهو السلوك الذي يؤدي إلى إحداث خطوط فراونهوفر (Fraunhaufer) المظلمة في طيف الشَّمس. كما أنّ خسارة نفس تلك الكميَّة المحددة من الطاقة من الإلكترونات النشطة يفسر خط الطيف المشرق المنبعث من الغازات المتوهجة، مثل النّيون.
جواب آخر:
يعتبر هذا السؤال أحد الأسئلة التي فجَّرت ثورة ميكانيكا الكمّ في بداية القرن العشرين. اكتشف رذرفورد أنَّ الذَّرة تتكوَّن من جسيماتٍ مشحونةٍ بشحنةٍ إيجابيةٍ وأخرى مشحونةٍ بشحنةٍ سلبيةٍ، حينها تساءل الجميع: «كيف يمكن أن تتماسك بهذا الشكل معًا؟».
اقترح رذرفورد أنَّ الإلكترونات تستقرُّ في مداراتها حول النّواة بسبب سرعتها بنفس الطَّريقة التي ظلَّت بها الأرض في مدارها حول الشَّمس. وسرعان ما توضَّح أنَّ الإلكترونات تشعّ طاقتها بعيدًا، وبالتالي بقي سبب عدم سقوطها في النواة لغزًا محيّرًا.
جاء الجواب من باولي وديراك وفيزيائيين آخرين ممّن كانوا يعملون على نظريَّة الكمّ في عشرات وعشرينيّات القرن العشرين. الأمر الذي غيَّر من النظرة السائدة عن الإلكترونات. فبدلًا من كونها نقطةً من كتلة، نعتقد الآن أنَّ الإلكترونات عبارة عن سحابة حول النّواة، إذ تمثِّل هذه السَّحابة احتماليَّة العثور على إلكترون في لحظةٍ معينةٍ وفي مكانٍ معين. لذلك فإنَّ الإلكترونات لا تدور إطلاقًا حول النّواة، بل تتوزَّع في جميع أنحاء الذَّرة في كل لحظة. كما استنتج هايزنبرغ أنَّه كلما ضُغطت السَّحابة الإلكترونية في مساحةٍ صغيرةٍ، قَلَّتْ معرفتنا بمدى سرعة الإلكترون وحركته، وبالعمل مع تلك الصُّورة للإلكترون، فمن المستحيل أن تجد الإلكترون في مكانٍ واحدٍ في الذَّرة بشكلٍ دائم، وما يمكن معرفته هو سرعته ووجوده في ذلك المكان فقط. والذي من شأنه هذا أن ينتهك قوانين الكمّ في الفيزياء.
جواب آخر:
كتلة البروتون= 1.6726 * 10^-27كغ
كتلة النيوترون= 1.6749 * 10^-27كغ
كتلة الإلكترون= 0.00091 * 10^-27 كغ
بما أنّ كتلة البروتون بالإضافة إلى كتلة الإلكترون أقل من كتلة النيترون، فإنّه يتطلّب كميةً كبيرةً من الطاقة لارتباطهم، تحسب من العلاقة التالية:
E=mc^2
والطاقة الكامنة هنا ليست كافية لتوفير قوّة ارتباط. إلا أنَّ طاقة الجاذبية تكون كافية أحيانًا لفعل ذلك.
عندما تنفد النُّجوم من الوقود، فإنَّها تبرد وتتقلَّص في نهاية المطاف بسبب الجاذبية الخاصَّة بها. تُشكِّل النُّجوم مثل شمسنا الأقزامَ البيضاء، ولكن النُّجوم الأثقل مرة ونصف منها تصبح مستعرًا أعظم «سوبرنوفا» ومع انهيارها تتشكَّل النُّجوم النيوترونيّة. في الحقيقة، تقوم قوَّة الجاذبية بتحويل الطَّاقة الكامنة إلى كُتلة عن طريق إجبار البروتونات والإلكترونات على الاتّحاد لتشكيل النيوترونات. وجميع العناصر الخفيفة مثل الهِدروجين غير المندمج يتم فقدانها في مرحلة العملاق الأحمر، ولكنّ المبدأ هنا لا يزال هو ذاته.
إعداد: مريم خالد
تدقيق: دعاء عسَّاف
المصدر
