التقويم العلمي الطبيعي للتصور الذري

أدرك دالتون Dalton القوة المثيرة للتصور الذري وقدرته على إرشاد البحث الفيزيائي مستقبلا وأفاد منه أفضل إفادة ، وإليه يعود الفضل في استخدام فكرة الذرات لفهم الاطرادات الأساسية في علم الكيمياء الذي يصنع حدوداً فاصلة دقيقة بين المخلوطات والمركبات لمختلف المواد الكيميائية .فالمخلوط mixture مثل محلول السكر في الماء أو النتروجين مع الأوكسجين قد يشمل أي كميات بأي نسب من المكونات (في خدود معينة) ، كأن تتغير نسبة الأوكسجين الى النتروجين بصورة مستمرة بالإضافة أو بالفصل فيبدو على المخطوط خواص تجمع بين الأوكسجين النقي والنتروجين النقي تبعاً لنسبة التركيز ، كما يمكن أيضا فصل مكونات المخلوط بوسائل سطحية نسبيا .

أما في الاتحاد الكيميائي فتظهر خواص جديدة مختلفة تماماً عن خواص المكونات التي تمتاز بأنها ذات نسب ثابتة تماما ولا يمكن أن تتغير بصورة مستمرة . فمثلا ، دائما ما يتحد 16 جراما بالضبط من الأوكسجين مع 2.016 من الجرامات من الهيدروجين من أجل الحصول على الماء . ويتكون بيروكسيد الهيدروجين hydrogen peroxide من 2.016 من الجرامات من الهيدروجين مع 32 جراما من الأوكسجين ، والغريب أن الأوكسجين في هذه الحالة زاد مقداره الى الضعف عن مقداره في لحالة الأولى . وعلى أساس من التصور الذري فسر دالتون بوضوح هذه الحقائق التي تحدث على نحو متماثل في كل اتحاد كيميائي .

وكان تفسيره كما يأتي : (جزئ molecule) الماء ، أي أقل جسيم ممكن من الماء يحتوي على ذرة واحدة فقط من الأوكسجين ، بينما يحتوي جزئ بيروكسيد الهيدروجين على ذرتين من الأوكسجين (وذرتين) من الهيدروجين مثل جزئ الماء . وهنا نصل الى التمييز بين الذرات والجزيئات التي تتكون بدورها من ذرات العناصر elements الكيميائية . وتبعا للطرق التي يتبعها دالتون في تفكيره ، أمكن من خلال دراسة شاملة للنسب الوزنية في المركبات compounds الكيميائية تحديد الأوزان الذرية النسبية فمثلا الوزن (الذري) atomic weight للأوكسجين يرمز له اختيارياً بالرقم 16 أما الوزن الذري للهيدروجين فيرمز له بالرقم 1.008 ، وبالمثل أي عنصر آخر له وزن ذري محدد مشتق من العلاقات الوزنية الكيميائية .

وتتجلى ما تظهره الغازات من اطرادات في صورة (مثالية ideal) في حالة الكثافات الصغيرة على نحو كاف أسهمت جيداً في توضيح هذه الأفكار .

فمثلاً ، تنكمش كتلة من الغاز الى نصف حجمها الأصلي عند زيادة الضغط عليها الى الضعف مع ثبوت درجة حرارتها . وهناك معايير criteria طبقا للفرض بأنه ليس فقط في حالة المركبات بل وأيضا في أي عنصر غازي ، لا تماثل الجسيمات الذرات بالضرورة من حيث الحركة العشوائية في الفضاء فكل (جزئ) من غاز النتروجين مثلا يتكون من ذرتين . وفي الاتحاد الكيميائي للغازات (عند ثبوت الضغط ودرجة الحرارة) توجد علاقة بسيطة بين النسب الوزنية والحجمية من حيث المكونات المتحدة وغير المتحدة كيميائيا . ولتعميم هذه الحقائق قدم أفوجادرو Avogadro تفسيره بان الحجوم المتساوية من جميع الغازات مقيسة عند ضغط ودرجة حرارة ثابتين تحتوي دائما على نفس عدد الجزيئات فيما يعرف مبدأ أفوجادرو Avogadro principle ومنه يمكن تحديد (الوزن الجزيئي molecular weight) لأي غاز دون النظر للعلاقات الوزنية الكيميائية . فالوزن الجزيئي لغاز متجانس كيميائيا يساوي وزن 22,4 لتراً من هذا الغاز مقدراً بالجرامات عند ضغط واحد جو ودرجة حرارة صفر مئوية . وتبين التجارب أن المقادير التي نحصل عليها بهذه الطريقة تناظر الأوزان الذرية تبعا للتعريف الكيميائي . وفي كثير من العناصر كالفلزات metals يكون الوزن الجزيئي هو نفسه بالضبط الوزن الذري ، ولذلك تكون الأبخرة الفلزية (أحادية الذرة monatomic) . أما الوزن الجزيئي للنتروجين فيكون ضعف وزنه الذري بالضبط . كما أن الوزن الجزيئي للماء يساوي 18,016  (2×1,008+16) تبعا للتركيب الكيميائي السابق وصفه . ولقد تأكدت هذه الأفكار بصورة أكبر من العلاقات البسيطة الخاصة بالأوزان الجزيئية مثل (سرعات الانتشار diffusion velocities) أو بالفروق المميزة بين الحرارات النوعية specific heats) للغازات أحادية الذرة ومتعددة الذرات polyatomic . وينبغي التأكيد على أن هذه الحقائق لا تدل على صحة التصور الذري ولكنها دلائل على فائدة هذا التصور إذ تصف الفكرة الذرية ببساطة عدداً كبيراً من الاطرادات الهامة الشاملة مما ييسر تقدمنا مع هذه الظواهر الى حد كبير .

ويزودنا علم البلورات crystallography بشاهدة على اطرادات أخرى تشرحها الفكرة الذرية شرحاً واضحاً يقينياً وإن كانت هذه الإطرادات لا تؤدي الى أدلة على حقيقة الذرة . ففي الحالة البلورية للمادة يقترح التصور الذري وضع الذرات أو الجزيئات في مجموعات منتظمة بجوار بعضها البعض مرتبة في طبقات .

وتؤدي هذه الفكرة لنتائج هامة يتضح بموجبها أن الصور المحتملة للبلورات محدودة جداً رياضياً . وباكتمال هذه القضية proposition الرياضية تكون النتيجة العجيبة ألا ينبغي تبعا للتصور الذري أن يكون هناك أكثر أو أقل من 32 من (الطوائف البلورية crystal classes) تحددها خواص تماثل مختلفة ، مما يؤيد فعلا وعلى وجه الدقة خبرة علماء المعادن mineralogists بشأن ما يوجد في الطبيعة فعلاً من صور بلورية (تماثلات بلورية crystal symmetries) تتفق مع الفكرة الذرية دون أدنى اختلاف . ويعد قانون (الأسس (المعاملات) المنطقة rational indices) الذي اكتشفه علماء المعادن بمثابة إضافة هامة للاعتبار الأساسي المتعلق فقط بخواص التماثل لمختلف الصور البلورية . وإذا تخيلنا البلورة مكونة من مجموعات طبقات من الذرات فإن سطوحها الحدية الخارجية لا يمكن أبداً أن تمر جزئيا خلال الذرات . وطبقاً لهذه الفكرة فإن حدود المواضع المحتملة لهذه السطوح الحدية تعادل تماماً متطلبات قانون الأسس المنطقة بالنسبة للسطوح البلورية .

وتدفعنا هذه الخبرات بالصرورة الى المزيد والمزيد من اقتفاء الأثر على نحو نشط للمفهوم الذري – الواضح جداً بذاته – على الرغم من عدم وجود دليل مادي ملموس على حقيقة الذرات حتى ذلك الحين ، وأوضحنا سابقاً في الغازات المثالية كيف أن الحالة الغازية لأي تجمع aggregation ينبغي تمثيلها تبعاً للنظرية الذرية ؛ فجزيئات الغاز منفصلة تماماً عن بعضها وتتحرك كل منها بسرعة عالية لكي تتصادم وترتد ارتداداً مرناً وتتغير سرعتها مقداراً واتجاها . وينشأ عن التصادم المستمر لهذا العدد الكبير جداً من الجزيئات على جدران الإناء الحاوي ضغط غازي يمكن إدراكه بوسائل متواضعة . درست هذه الأفكار باستفاضة – (كلاوزيوس Clausius ، ماكسويل Maxwell) وتطور فهمنا بوضح تماماً للحالة الغازية للتجمع ، فاستنتجنا بالدليل أن مبدأ أفوجادرو الذي كان محل ريب نظري بداية فقط ، لابد أن يكون صحيحاً إذ صح الفرض الذري .

دعم مبدأ الطاقة energy principle (ماير Mayer ، جول Joule) الوثوق بفكرة الذرية إذ تحقق أن الطاقة الميكانيكية المستنفدة في الاحتكاك أو غيره تظهر مرة أخرى في صورة حرارة heat – بحيث تعادل كمية محددة من الطاقة الميكانيكية المستهلكة عدداً من السعرات calories الحرارية . وبالعكس ، وتبعاً لقاعدة التحويل ذاتها تتحول كميات من الحرارة الى طاقة حركة ميكانيكية mechanical kinetic energy في الآلات البخارية . وفي إطار (الماكروفيزياء macrophysics) يبدو تحول الطاقة الميكانيكية الى حرارة والعكس أمراً متسقاً تماماً ، والطاقة التي ثبت أنها لا تفنى تأخذ صورة الحرارة وصورة الطاقة الميكانيكية . كما أن النظرية (الماكرفيزيائية) و (الفينومينولوجية phenomenologic) في الحرارة التي تم التوصل إليها تكفى تماماً للإجابة على جميع الاسئلة المتعلقة بالآلات الحرارية heat engines والتحول الحراري heat conversion في العمليات الكيميائية .

وهناك اقتراح إضافي يقدم تفسيراً واضحاً لعملية تحويل الطاقة الميكانيكية الى حرارة في ضوء النظرية الذرية . ففي الغاز كما ذكرنا سابقاً لا تنطبق تصورات الحرارة ودرجات الحرارة على الجزيئات منفردة ، وإنما تنطبق على كتلة الغاز كلها . ويمكن فقط تغيير طاقة حركة الجزئ بمفرده أي تغيير سرعة حركته ، أو سرعة دورانه أيضا في أحسن الأحوال . ولا يعني إضافة طاقة حرارية ماكروفيزيائيا الى كتلة غازية سوى زيادة متوسط طاقة حركة جزئيات الغاز .

ويعد التحديد الحقيقي للعلاقة بين متوسط طاقة حركة جزيئات غاز ما ودرجة حرارته أحد فروع الدراسات النظرية في (نظرية الحركة للغازات kinetic theory of gases) السابق تناولها .

وكذلك الجسم الصلب كالبلورة مثلا يمكن إدراك ما تحتويه من طاقة حرارة ودرجة حرارة من الطاقة الميكانيكية للجزيئات او الذرات رغم عدم مغادرة اي ذرة لمكانها ورغم الترتيب المنتظم للذرات في طبقات الا انها تتحرك في اهتزازات صغيرة جدا داخل البلورة على نحو ما يحدث عند عبور احمال ثقيلة لجسر (كوبري ) من الصلب ، قد لا تدرك كحركة ميكانيكية ولكننا نلاحظ  فعلا طاقتها الحرارية في صورة ارتفاع في درجة حرارة الجسم (واذا تحركت ذرات كل جزء صغير من البلورة حركات صغيرة جدا في اتجاهات عشوائية فان البلورة كلها تبدو ساكنة لإحساسينا الماكروفيزيائية ) .

كان التفسير الذري لدى بولتزمان Boltzman  للاطراد الملحوظ في ظاهرة الحرارة مواكبا لهذه العمليات الفكرية . فإذا تخيلنا اضطرابا في حركة كوكب ما كأن يتحرك في عكس اتجاهه بنفس مقدار السرعة إذن لتغير مساره الاهليلجي في اتجاه مضاد بعد عكس الحركة . وفي هذا مثال لحقيقة كون الحركة الميكانيكية حركات عكوسة ( اي قابلة للانعكاس ) reversible على حد قولنا . وتعد الحركة لأعلى لحجر مقذوف من الارض ( في الحالة المثالية ) حتى نقطة عكس الحركة صورة مرآتية زمنية temporal mirror image  للحركة السفلية اللاحقة . وهناك معكوسية reversibility  مشابهة – يمكن الاشارة اليها ايضا بانه (( تماثل فيزيائي للزمن ايجابا وسلبا – في كل الخواص الكهرومغناطيسية الصرفة .

ولكن عندما نحرك جسما ما فوق سطح منضدة ضد قوة الاحتكاك وينشأ عن ذلك حرارة فلا يوجد ما يدعونا لتوقع صحة العكس اذا تحرك الجسم في عكس اتجاهه الاول – اي تتحول الطاقة الحرارية المولدة اولا الى طاقه حركة ميكانيكية .

او ، في حالة سريان تيار كهربائي خلال سلك وينشأ عنه حرارة – إذا عكس اتجاه التيار تنشأ طاقة حرارية ولكنها لا تتحول الى طاقة كهربائية . تمثل هذه الحالات عمليات لا عكوسة irreversible . وكمثال آخر لهذه العملية خلط سائلين ، فهما غالبا ما يمتزجان بذاتهما ، ولكن عكس هذه العملية لا يحدث أبداً .

وهناك مثال ثالث لا يقل أهمية : إذا وصل وعاء صغير بالغاز بوعاء آخر كبير مفرغ بفتح صمام بينهما فإن الغاز ينتشر ليشمل الوعائين . ويمكن استعادة الظروف الابتدائية وذلك بغلق الصمام وسحب الغاز من الوعاء الأكبر وإعادة ضخه الى الوعاء الأصغر ، ولكن لا تعد هذه العملية عكسيا حقيقيا – صورة منعكسة زمنيا Temporal reflected image – العلمية الأولى ، وإنما يؤخذ في الاعتبار ضرورة وجود (تعويض compensation ) محدد (كلاوزيوس Clausius) من أجل استعادة الظروف الابتدائية بعد أي عملية لا عكوس . ففي الآلة البخارية حيث تتحول الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية لا يحدث عكس بسيط لعملية توليد الحرارة خلال الاحتكاك ، وإنما تعمل كل آلة بخارية وفق نظام مشابه لما يأتي : يتم انتزاع كمية حرارة محددة من وعاء حراري heat container محفوظ عند درجة حرارة عليا ، ليتحول جزء من هذه الحرارة الى شغل ميكانيكي mechanical work وينقل ما تبقى من حرارة بالتوصيل الى خزان حراري heat reservoir ذي درجة حرارة أقل ، وبذلك يحدث (تعويض) لتحويل الحرارة الى شغل بانتقال جزء من الحرارة من الجسم الأعلى درجة حرارة الى الجسم الأقل درجة حرارة ، وهي عملية تؤديها الطبيعة بذاتها (عكسيا) إذ أن الحرارة تنتقل بالتوصيل من درجة الحرارة الأعلى الى درجة الحرارة الأقل .

أدت العمليات (اللا عكوسة) من بين الظواهر الحرارية الى مشكلة صعبة الحرارة الى ميكانيكا الذرات ، إذ ثبت أن العمليات الميكانيكية المحضة هي عمليات عكوسة دائماً ، وهو أمر يستحيل معه إرجاع هذه الظواهر الحرارية اللا عكوسة الى خواص ميكانيكية . تغلب بولتزمان بذهنه الحاد على هذه المشكلة على الوجه التالي : في أي تجمع لجسيمات متماثلة كثيرة كما في حالة كل نظام فيزيائي تبعاً للنظرية الذرية ليس هناك حاجة لاقتفاء أثر حركة كل ذرة أو جزئ بمفرده ، والأهم هو فقط ملاحظة متوسط السلوك الإحصائي statistical لعدد كبير من الذرات ، وأدى ذلك بالضرورة الى تطبيق التصورات الإحصائية وتحديد أي الأحداث (بالمعنى الإحصائي التقريبي) ممكن احتماليا (كما يحدث كثيراً جداً) مقارنة بالعمليات الأخرى الممكن تصورها .

ومعنى ذلك في المثال السابق أنه عند توصيل الوعاء الصغير المملوء بالغاز بالوعاء الكبير الفارغ (فمن المحتمل جداً) أن ينبثق الغاز وينتشر داخل الوعاء الكبير بانتظام. واذا توخينا الدقة فليس من المعلوم تماما إن كان ذلك سوف يحدث . وفي الواقع اذا نظرنا لعمليات الحركة في الكتلة الغازية بنفس اليقين التام مع حركات كوكبية فلابد من معرفة موضع كل جزئ على حدة وسرعته مقداراً واتجاهاً بكل دقة عند بداية التجربة .

ولكن الحقيقة تختلف عن ذلك ، إذ أننا أشرنا ببساطة الى الحالة الابتدائية initial condition للتجربة بأنها تتضمن إحصائيا عدم إمكان التنبؤ بسير العملية على نحو يقيني وإنما فقط بصورة احتمالية الى حد كبير .

تعتمد معكوسية العمليات الفيزيائية المحضة كأساس للظواهر الحرارية الماكروفيزيائية تبعاً للتصور الذري على وجود انعكاس حقيقي ، اي صورة منعكسة زمنياً – Temporal reflected image عندما يمكن للغاز في الوعاء الكبير في المثال السابق ان ينكمش الى داخل الوعاء الصغير في انعكاس حقيقي للعملية المعتادة . ولا يمكن لأي فرد أن يضمن ذلك بصورة مؤكدة ، ولكن من الممكن أن نبين أن حادثة كهذه بعيدة الاحتمال الى حد كبير ، ويعبر عن ذلك رياضيا بعدد متناهي الصغر infinitesimally small .

ويتضح أنه على الرغم من المعكوسية الأساسية للعمليات الذرية الأولية إلا أن هناك فعلا ظواهر لا عكوسة تحدث على نطاق كبير في الحوادث الماكروفيزيائية .

وللتوضيح هناك مثال للعملية اللاعكوس عند خلط غازين أو سائلين .

فتبعا للنظرية الذرية الحركية kinetic atomic theory تشبه هذه المشكلة الى حد ما خلط مجموعتين من الكرات مختلفتي اللون – أحمر وأبيض مثلا – ومزجهما جيداً في حقيبة ، فيمكن مبدئيا فصل المجموعتين بالهز المستمر ولكن على فترات طويلة جداً قبل احتمال حدوث (الفصل الذاتي spontaneous separation) .

ويمكن تحديد معيار كمي للاعكوسية العمليات الثرمودنياميكية (من الناحية الماكروفيزيائية البحتة) في صورة (انتروبيا entropy) – وهو مقدار يتزايد دائما الى حد أقصى في العمليات اللا عكوسة ولا ينقص مرة أخرى (كلاوزيوس) .