من الذرة إلى النواة: ما مدى صغر حجم الأشياء؟

الذرة في معظمها فراغ يحيط بمركز صغير. وللحديث عن ذلك المركز نحتاج إلى وحدة جديدة.

• يبلغ عرض الذرة النموذجية نحو 10⁻¹⁰ m. وهذا يساوي 0.1 نانومتر، أو أنغسترومًا واحدًا.
• يبلغ عرض النواة نحو 10⁻¹⁵ m إلى 10⁻¹⁴ m. والوحدة المستخدمة لهذا المقياس هي الفيمتومتر (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. ويبلغ عرض بروتون واحد أقل قليلًا من 2 fm، بينما يبلغ عرض نواة كبيرة مثل نواة الرصاص نحو 14 fm.

لذلك تكون النواة أصغر من الذرة بعامل يقارب 10⁴ إلى 10⁵. وبعبارة أخرى، تبلغ النسبة بين حجم النواة وحجم الذرة نحو 10⁻⁵. إذا كبّرت نواة إلى حجم حبة بازلاء (نحو 1 cm)، فسيكون عرض ذرتها بين 100 m و1 km. أي ما يتراوح بين ملعب كرة قدم وبلدة صغيرة، مع وجود حبة البازلاء في المنتصف.

تقريبًا كل الكتلة موجودة في النواة. يزن كل من البروتون والنيوترون نحو 1.67 × 10⁻²⁷ kg. أما الإلكترون فأخف بنحو 1,836 مرة. عند جمع كتلة الذرة، تحمل النواة أكثر من 99.9 بالمئة من الكتلة، رغم أنها تشغل نحو 10⁻¹⁵ من الحجم فقط (جزءًا من مليون من مليار).

وهذا يجعل المادة النووية كثيفة للغاية: نحو 2 × 10¹⁷ kg لكل متر مكعب. وسيزن حجم منها يساوي حجم مكعب السكر (1 cm³) قرابة 200 مليون طن. لن تقابل مثل هذا الشيء على الأرض بكميات كبيرة، لكن النواة داخل كل ذرة مصنوعة منه. (النجوم النيوترونية هي النسخة واسعة النطاق من هذه المادة.)

كيف نعرف ذلك؟ في 1909، أطلق هانز غايغر وإرنست مارسدن، اللذان كانا يعملان في مختبر إرنست رذرفورد، جسيمات ألفا (نوى هيليوم سريعة موجبة الشحنة) على صفيحة رقيقة جدًا من رقائق الذهب. كانت الصورة الشائعة في ذلك الوقت، وهي نموذج ج. ج. طومسون المسمّى «حلوى البرقوق»، تفترض أن الشحنة الموجبة موزعة في الذرة كلها، ولذلك كان ينبغي لكل جسيم ألفا أن يمرّ عبرها مع انحراف طفيف جدًا فقط.

لكن ما رأياه كان مختلفًا:

• مرّت تقريبًا جميع جسيمات ألفا في خط مستقيم.
• انحرف كسر صغير جدًا منها بزوايا كبيرة، بل ارتدّ بعضها تقريبًا في الاتجاه المعاكس.

في 1911 توصّل رذرفورد إلى معنى ذلك: لا بد أن تكون معظم الشحنة الموجبة والكتلة موجودتين في نواة صغيرة وكثيفة، بينما تكون بقية الذرة فارغة. ووصف رذرفورد لاحقًا الارتداد الكبير بأنه يكاد يكون مستحيل التصديق، مثل إطلاق قذيفة كبيرة على ورقة نسيج ثم ارتدادها إليك. وسمّى هذه النواة النواة.