حدود انقسامية المادة

تشير الخبرة اليومية الى قابلية المادة للانقسام بدون حدود ، إلا أنه بات مؤكداً أن ذرات المادة لابد وان تكون بالغة الصغر ، وأن جراماً وحداً من أي مادة يحتوي على عدد كبير جداً من الذرات – وعلى وجه الدقة فإن المقياس الحقيقي لهذا العدد هو ما نطلق عليه اسم عدد لوشميت Loschmidt number . وكما أشرنا الى أن (الوزن الذري الجرامي gram atomic weight) لعنصر ما بأنه كتلة عدد من الجرامات المساوي للوزن الذري فإن عدد لوشميت هو (نفس العدد لكل العناصر) عدد الذرات في الوزن الذري الجرامي . ويمكن إثبات انقسامية المادة بأن ندع مقداراً صغيراً من مادة ذات رائحة نفاذة مثل المركب الكيميائي (مركبتان mercaptan) ينتشر في مقدار كبير من الهواء وتحديد درجة التخفيف الممكن عندها الإحساس بالرائحة ؛ أو بتذويب سائل قوى اللون مثل الصبغ وردي اللون (أيوسين eosin) في مقدار كبير نسبيا من الماء ومراقبة درجة التخفيف التي عندها يمكن إدراك لون الماء . وهناك تجربة أفضل يستخدم فيها محلول الضوء مخفف جداً من مادة الفلوروسين fluorescein التي تتألق بشدة بسقوط الضوء عليها واختبارها تحت المجهر لتحديد درجة التخفيف التي يلاحظ عندما تألق منتظم .

ومن هذه المشاهدات يمكن استنتاج (بيرين) ؛ Perrin أن عدد لوشميت أكبر من ²¹10 ^* ولكن التجارب اليومية تبين ببساطة الحدود التي ينتهي عندها انقسام المادة تبعا لبنيتها الذرية ، ومن التجارب استخدام الأغشية الرقيقة جداً مثل ورق الذهب المستخدم في أغراض الطلاء ، فيتم طرق الورقة حتى تكون رقيقة جداً لدرجة أنها إذا اعترضت أشعة ضوئية تظهر شبه شفافية Translucence تميل الى اللون الاخضر – حوالي 100 ملي ميكرون (المليمتر – ميلون ملي ميكرون) ، ومع ذلك فلا تزال هذه الرقة بمنأى جداً عن الحد الأقصى ، وإن كان هناك مؤشرات مباشرة للبنية الذرية للمادة تظهر في فقاعات الصابون التي عادة ما تتكون أثناء غسل اليدين بالماء والصابون لاسيما الغشاء الصابوني بين الإبهام والسبابة حيث تظهر ألوان متعددة سريعة التحول بسبب تغير سمك الفقاعة مع موضعها وزمانها ويتوسطها بقع صغيرة مظلمة كأنها ثقوب ولكنها في الواقع مواضع في الغشاء أرق سمكاً . ويمكن الاحتفاظ بالفقاعة عدة أيام إذا استبدل بالأصابع إطار صلب محفوظ في وعاء مملوء بالبخار لمنع تبخرها . اكتشف نيوتن أن بداخل هذه البقعة السوداء بقعاً أخرى تزداد سواداً كلما رق سمك الغشاء ليصل الى نحو 6 ملي ميكرون أي أرق عشرين مرة من سمك الورقة الذهبية ، وقبلها مباشرة يكون سمكها ضعف ذلك بالضبط مما يدل بصورة ملموسة على البنية الجزيئية لهذا السطح من المادة ، ومن الواضح أن أرق غشاء يمثل طبقة واحدة من الجزيئات ، ومن قبلها طبقتين ، واحدة فوق الأخرى . ويمكن الحصول على غشاء رقيق جداً بصورة أفضل وذلك بانتشار مقدار صغير جداً من الزيت فوق مساحة كبيرة من سطح الماء ، عندئذ تناظر الطبقات الملونة المألوفة التي يكونها الزيت فوق الماء المناطق المختلفة السمك في فقاعة الصابون قريباً .

ويمكن بسهولة الحصول على أغشية أقل سمكاً بكثير بحيث لا يمكن رؤيتها إلا بوسائل بسيطة ، ويبلغ السمك آنئذ حوالي واحد ملي ميكرون ، ومرة أخرى يتضح أن سمك أرق الأغشية لا يتغير على نحو متصل ، كما أننا اكتشفنا في حالة فقاعة الصابون وجود سمك محدد كأقل سمك يسبقه الأكبر فالأكبر ... إلخ (بالنسبة لنوع ما من الصابون) ، مما يعني الوصول هنا فعلاً الى حد أقصى لانقسامية المادة .

تمت دراسات إضافية ذات معلومات رفيعة المستوى على جسيمات دقيقة جداً بواسطة الميكروسكوب الفائق Ultra- microscope الذي أدى اختراعه الى فوائد هامة ، فلم ييسر مشاهدة شكل الجسيمات بل أمكن أيضاً رصد مواضعها وحركاتها ، وهي التي يتعذر (رؤيتها) بالمعنى الدارج نظراً لوجود حدود لمدى المشاهدة البصرية للأشياء الدقيقة جداً بسبب طبيعة الضوء . فالأجسام ذات الأبعاد أقل من الطول الموجي للضوء المرئي Visible light لا يمكن (إبراز شكلها Formed) مطلقاً بالأشعة الضوئية ، فيتعذر رؤيتها بصورتها الحقيقية . أما المكروسكوب الفائق فأمكن بوسيلة بارعة الكشف بصرياً عن وجود الجسيمات التي تقل ابعادها نوعاً ما عن الطول الموجي للضوء المرئي .

ومن أجل المهمة الأساسية – البرهنة العملية على وجود الذرات – كان لنوعين من الدراسات بصفة خاصة إسهامات حقيقية . فعند وضع جسيمات صغيرة جداً في سائل ما ، فإنها لا تهبط الى القاع بل تظل معلقة في السائل في حركة عشوائية غير منتظمة في جميع الاتجاهات تزداد شدة بارتفاع درجة حرارة السائل مهما كان الإناء الحاوي أو أي اضطرابات أخرى طارئة.

وكذلك إذا ترك السائل في الوعاء دون أي اضطرابات فإن الحركة العشوائية للجسيمات تستمر أياماً أو أعواماً فيما يعرف بالحركة البراونية Brownian motion التي تعد دليلاً مباشراً على صحة القضية التي طرحتها النظرية الذرية atomic theory من أن المحتوى الحراري heat content لأي جسم يمكن إدراكه كحركة داخليه دقيقة جداً لدرجة يتعذر عندها الكشف عنها ماكروفيزيائية .

ولا ينبغي استنتاج وجود حركات دقيقة جداً في السائل او تيارات كسبب للحركة البراونية للجسيمات الملاصقة تشبه الى حد ما حركة الغبار المحيط بنا عندما يتخلله شعاع الشمس .

في الحركة البراونية لا يوجد أي علاقة بالمرة بين جسيمتين تقتربان من بعضهما البعض ثم تفترقان فوراً مرة أخرى مما يدل على أن الحركات المستترة في السائل بصفة دائمة كمؤشر لحالته الحرارية هي حركات (غير منتظمة irregular) وضئيلة تماماً ماكروفيزيائياً .

أضحت الحركات البراونية موضوعاً للكثير من الدراسات التجريبية إذ بينت الاعتبارات النظرية (سمولاكوفسكي Smoluchowski ، أينشتاين Einstein) أن رصدها الدقيق يسمح باستنتاجات محددة بشأن حركات الذرات والجزيئات من جراء التصادمات غير المنتظمة بين الجسيمات خلال هذه الحركات التي أدت دراستها لاستنتاج ضرورة احتواء الجزيئات المستقلة على مقدار هائل من طاقة حركة في المتوسط . وحيث أن إجمالي الطاقة الحرارية لسائل تساوي مجموع طاقات جزيئاته على حدة فيمكن حساب عدد الجزيئات في حجم معلوم ، وهو ما يؤدي الى عدد لوشميت Loschmidt's number .

أما (ظاهرة التراوح Fluctuation phenomenon) بأنواعها المتعددة فمن المفيد في هذا الصدد الدراسات والاعتبارات المناسبة لها ، فمثلاً إذا تعرض درع معدني معلق بسلاسل لتيار شديد منتظم من جهاز تنظيف بالرمل sand blast فإنه يفقد اتزانه الى حد ما . وإذا استبدلنا بالرمل طلقات من مدفع رشاش مصوبة لمنتصف الدرع فإن هذا سوف يتذبذب ذبذبات متتالية منتظمة حول وضع الاتزان يمكن بواسطتها تحديد قوة كل ضربة مستقلة على الدرع . وعلى نفس المنوال في مختلف أنواع أجهزة الفيزياء الكثيرة يمكن مشاهدة تراوحات دقيقة جداً وغير منتظمة يمكن عن طريقها معرفة عدد لوشميت . فمثلاً يمكن مراقبة الحركة الحرارية غير المنتظمة للذرات بواسطة جهاز فيزيائي دقيق جداً ، وبذلك يمكن تطبيق طرق متنوعة كثيرة لتعيين عدد لوشميت . وجميع هذه الدراسات تعطي دائماً نفس النتيجة تبعاً لدقة كل منها .

وفيما يلي طريقة اخرى لتحديد عدد لوشميت من خلال دراسات على الجسيمات الدقيقة جداً : تتناقض كثافة الهواء الجوي للأرض بزيادة الارتفاع ، وإذا تخلينا وجود اسطوانتين بارتفاع 100 كيلو متر ، إحداهما مملوءة بغاز الأوكسجين والأخرى بغاز النتروجين ، فإن كثافة الغاز ذي الجزيئات الأثقل وهو الأوكسجين تقل بمعدل أكبر عن نظيره في النتروجين بزيادة الارتفاع عن سطح الأرض .

فجزيئات الغاز تمنعها طاقة حركتها من التجمع عند قاع الوعاء الأسطواني ، ولكن كلما كانت كتلتها أكبر كلما زادت قوة جذب الأرض لها لأسفل ، ومن هنا تقل الكثافة في كلا الاسطوانتين بزيادة الارتفاع تبعاً لقانون رياضي يبين أن نقصان الكثافة يعتمد فقط على الوزن الجزيئي molecular weight لكل غاز في الاسطوانتين .

وكانت تلك أفضل طريقة لإنتاج غاز صناعي معلوم كتلة جزيئاته المستقلة إذ قام بيرين Perrin المثابر بتحضير كميات كبيرة من كريات راتنجية متساوية الكتلة وذلك من محلول يحتوي أساساً على جسيمات متباينة الكتلة الى حد بعيد متبعاً في ذلك طريقة بارعة استطاع بها فصل الجسيمات ذات الكتل المناظرة تتراوح أقطارها من 200 الى 300 ملي ميكرون ، وذلك بوضعها في الماء (من المعلوم ان المواد القابلة للذوبان في الماء مثل السكر تسلك مثل الغازات المثالية عند درجة تخفيف كافية) وبذلك لا تحتاج الى أوعية بارتفاع كيلو متر لتحديد معدل نقصان الكثافة بزيادة الارتفاع . وحتى في أوعية صغيرة فإن جزيئات هذا الغاز الاصطناعي تتجمع بكثرة عند القاع مقارنة مع الجزيئات الغازية المعتادة . وبقياس هذا التأثير ومقارنته مع معدل النقصان المعلوم في كثافة الهواء الجوي بازدياد الارتفاع يمكن مقارنة كتلة هذه الجزيئات الاصطناعية الضخمة المحددة مباشرة بكتل جزيئات الهواء الجوي غير المحددة بعد مقاديرها المطلقة ، وبذلك نصل الى طريقة جديدة لتحديد كتل الجزيئات – أو بمعنى آخر عدد لوشميت .

ومن مختلف هذه الطرق (وغيرها مما سنتناوله فيما بعد) تم التوصل الى أن عدد لوشميت هو 6×10 ²³ ، فلو وزعنا ذرات الهيدروجين الموجودة في 100 جرام من الماء على سطح الكرة الأرضية لكان نصيب كل واحد سنتيمتر مربع هو ذرة واحدة.

_______________________