ساختمان و ساختار اتم
ساختمان و ساختار اتم
در رم باستان و همچنين در نظريه دالتون عقيده بر اين بود كه اتم كوچكترين جزء غير قابل تجزيه ماده است و نمي توان آنرا به اجزاي كوچكتري تقسيم كرد.
الكترون:
اين نظريه پا بر جا بود تا زماني كه در اواخر قرن نوزدهم ميلادي با مطالعه دانشمندان بر روي عبور جريان الكتريسيته از خلا الكترون كشف گرديد.
در اين آزمايشها در يك حباب دو الكترود فلزي وارد مي كردند و سپس هواي حباب شيشه اي را تقريبا بطور كامل تخليه مي نمودند، بعد جريان قدرتمند الكتريسيته را به دو سر الكترود وصل مي نمودند. در نتيجه پرتو هايي با بار منفي از فلز كاتد (قطب منفي) به سمت فلز آند (قطب مثبت) روان مي گرديد كه اين پرتو ها در ميدان الكتريكي به سمت قطب مثبت جهت گيري مي كردند. تحقيقات نشان داد كه جنس اين پرتو ها بدون توجه به نوع فلز همواره يكسان است كه اين پرتو ها به نام الكترون نامگذاري گرديد. ………
جوزف تامسون نسبت جرم به بار الكترون را اندازه گيري نمود و ميليكان با آزمايش معروف قطرات روغن بار الكترون را اندازه گيري كرد. در نتيجه تحقيقات اين دو نفر جرم الكترون نيز بدست آمد كه مقدار آن برابر 28-10*9.1096 گرم محاسبه گرديد.
پروتون:
هرگاه يك يا چند الكترون از يك اتم جدا شود باقيمانده بار مثبتي برابر مجموع الكترونهاي جدا شده دارد. مثلا اگر از اتم He يك الكترون جدا شود باقيمانده اتم هليوم با يك بار مثبت و اگر دو الكترون جدا شود باقيمانده اتم هليم با دو بار مثبت (بدون الكترون) خواهد بود كه هسته اتم هليم يا همان ذره آلفا مي باشد.
در حباب خلا هر گاه از يك نوع گاز (با فشار بسيار پائين) استفاده شود. پرتو هاي كاتدي با اتمهاي آن گاز در حباب بر خورد نموده و از آنها الكترون جدا مي كنند و پرتو هاي مثبت ايجاد مي شوند كه به سمت قطب منفي جذب مي شوند. هر گاه قطب منفي (كاتد) را سوراخدار بسازند پرتو هاي مثبت از آن عبور ميكنند و پر توهاي كاتدي كه بار منفي دارند توسط بار منفي آن دفع شده و به سمت قطب مثبت (آند) بازگشت داده مي شوند. در نتيجه ميتوان نسبت جرم به بار و همچنين بار اين پرتو ها كه پروتون ناميده ميشوند را محاسبه نمود و از روي آنها به مقدار جرم پروتون كه 1836 برابر جرم الكترون است رسيد.
اين مقدار برابر است با 24-10*1.6726 گرم.
نوترون
چون بار الكترون و پروتون يكسان است و اتمها نيز از نطر الكتريكي خنثي هستند لذا بايد تعداد آنها در اتم با هم برابر باشند، براي توجيه جرم كل اتمها ارنست رادرفورد در 1920 وجود ذراتي بدون بار در هسته را مطرح نمود كه جرم آنها تنها اندكي از جرم پروتون بيشتر است ( 24-10*1.6750 گرم ) اين ذرات را نوترون مي نامند.
مدل اتمي رادر فورد
قبل از ارنست رادرفورد كه در سال 1911 نتايج تحقيقات خود را منتشر نمود و مدل اتمي تازه اي ارائه كرد، نظر بر اين بود كه اتم از يك هسته بزرگ كه الكترونها بر روي آن چسبيده اند تشكيل شده است (مدل تامسون).
اما رادرفورد با آزمايش خود اين نظريه را مطرح نمود كه اتم از يك هسته كوچك و سنگين تشكيل يافته كه الكترونها در فضاي اطراف آن قرار دارند.
در آزمايش رادرفورد از يك ورقه خيلي نازك طلا استفاده شد كه در اطراف آن براي مشاهده ذرات عبوري يك صفحه فلورو سانس قرار گرفته بود و ورقه طلا توسط ذرات آلفا مورد هدف واقع گرديد. انتظار بر اين بود كه بر طبق نظريه قبل تمام پرتو ها بطور مستقيم از ورقه طلا عبور كنند اما مشاهده شد كه تعدادي از پرتو ها از مسير مستقيم منحرف شدند و تعدادي از آنها بازگشت داده شدند.
بر طبق اين آزمايش رادرفورد مدل اتمي اش را پيشنهاد نمود.
در 1913 نيلز بور مدل ديگري را مطرح كرد كه در آن الكترونها در مدارهايي بدور هسته در حال چرخش بودند.
در 1926 ارنست شرودينگر نظريه ديگري را مطرح ساخت، در اين نظريه كه بر پايه مكانيك كوانتومي بنا نهاده شده الكترونها در فضايي كه به ابر الكتروني مشهور است در اطراف اتم در حال حركت هستند كه به اين مدل مدل ابر الكتروني مي گويند.
امروزه نظر بر اين است كه الكترونها در فضاهايي به نام اوربيتال در حال حركت بدور هسته هستند. اوربيتالها فضاهايي هستند كه احتمال يافتن الكترون در آنها بيش تر از جا هاي ديگر است.
براي اتمها چند نوع اربيتال متصور است:
اربيتال s، اربيتال p، اربيتال d و اربيتال f كه به ترتيب 2 و 6 و 10 و 14 الكترون را در خود جاي ميدهند و بر اساس آنها بلوكهاي جدول تناوبي را نامگذاري مي كنند
تصاوير مربوطه را مي توانيد در سايت
http://www.shimist.com/main/content/view/14/41/
ببينيد.
همچنين به مطلب زير توجه بفرماييد:
از مدتها قبل ،انسان مي داند كه تمام مواد از ذرات بنيادي يا عناصر شيميايي ساخته شده اند. از ميان اين مواد،مثلاً مي توان از اكسيژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .كوچكترين ذره آهن ،يك اتم آهن و كوچكترين ذره گوگرد ،يك اتم گوگرد ناميده مي شود .
آهن خالص فقط داراي اتمهاي آهن است و گوگرد خالصل نيز فقط اتمهاي گوگرد دارد . اتمها جرمهاي گوناگوني دارند .سبكترين آنها اتم هيدوژن است .
اتمهاي آهن بسيار سنگينتر از هيدروژن و اتمهاي “اورانيم” از اتمهاي آهن سنگينترند ،يعني جرمشان بيشتر ايت .واژه اتم ،از بان يوناني گرفته شده و معناي آن در واقع “ناكسستني” يا “تقسيم ناپذير” است .
امروزه ما مي دانيم كه امها را هم مي توان به اجزاء كوچكتر تقسيم كرد.ولي به هر حال ،اگر مثلاً يك اتم آهن را درهم بشكنيم ،اجزاء شكسته شده ،و ديگر آهن نسيتند و خصوصيات آهن را ندارند به اين دليل است كه در بسياري از كتابهاي شيمي تعريف زير در باره واژه “اتم” آورده شده است :
“يك اتم كوچكترين سنگ بناي يك عنصرشيميايي است كه كليه خصوصيات ويژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسيم آن به اجزاء كوچكتر ،اين خصوصيات را از دست خواهد داد “.
اتمها در مقايسه با كليه چيزهايي كه ما در زندگي معمولي خود با آنها برخورد مي كنيم ،خيلي خيلي كوچك هستند .قطر يك اتم تقريباً سانتيمتر يا 8 – 10×1 سانتيمتراست . با ذكر يك مثال مي توان پي برد كه اتمها چقدر كوچك هستند :
برروي كره زمين تقريباً 5 ميليارد نفر زندگي مي كنند. اگر هر نفر را يك اتم حساب كنيم و با اين اتمها يك زنجير بسازيم طول اين زنجير به زحمت 50 سانتيمتر خواهد شد .
مولكول چيست؟ اتمها مي توانند براي ايجاد ذرات بزرگنر با يكديگر پيوند پيدا كنند و به اصطلاح “مولكولها ” را تشكيل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اكسيژن با يكديگر تشكيل يك مولكول اكسيژن را مي دهند. در طبيعت اغلب اوقات اتفاق مي افتد كه امهاي عناصر مختلف به صورت مولكول با يكديگر اتحاد مي يابند .
يكي از معروفترين اين اتحادها مولكول آب است . كه ازيك اتم اكسيژن و دو اتم هيدوژن تشكيل شده است . يك مولكول آمونياك ،يك اتم نيتروژن وسه اتم هيدوژن دارد .
آب و آمونياك برخلاف اكسيژن و كربن عناصر شيميايي نيستند بلكه تركيبات شيميايي از عناصر متقاوت هستند .كوچكترين ذره چنين تركيبي مولكول ناميده مي شود .چنانچه يك مولكول آب را تجزيه كنيم خصوصيات آب از دست مي رود و فقط ذرات تشكيل دهنده آن يعني هيدروژن و اكسيژن باقي مي مانند كه خصوصياتي كاملاً متفاوت با آب دراند .
مولكولهانيز مثل اتمها به طرز غيرقابل تصوري كوچك هستند دريك ليوان ـآب معمولي تقريباً 6000000000000000000000000 يا 24 10×6 مولكول آب وجود دارد . اگر اين لوان آب را به ميزان مساوي بر روي تمام اقيانوسها و درياهاي كره زمين پخش كنيم درهر ليتر از آب درياها ،چندين هزار مولكول از آب ليوان وجود خواهد داشت .
ساختار اتم چيست ؟ تقريباً 75سال پيش “ارنست رادر فورد ” در انگلستان مطلبي را كشف كرد كه فيزيك اتمي جديد را نبيان گذارد . اما اكنون به اين مطلب مي پردازيم .اين فيزيكدان بريتانيايي يك ورق نازك طلايي را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسايي كند .
اگر مواد در يك چنين ورق فلزي بطور متناسب و يكنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسير پرواز خود به حركت ادامه مي دادند،اگر چه در اين حالت كمي از سرعت ذرات آلفا كاسته مي شد. تمام “ذرات آلفا” تقريباً به همين شكل رفتار كردند .البته تعداد كمي نيز كاملاً از مسير خود منحرف شدند درست مثل اينكه به يك گلوله كوچك اما خيلي سنگين برخورد كرده باشند “رادرفورد ” از اين آزمايش چنين نتيجه گيري كرد كه تقريبا تمام جرم اتم طلا در يك هسته بسيار كوچك وناچيز تمركز يافته است .
هسته اتم كشف شده بود.امروز ه ما دقيقاً مي دانيم ساختار اتم چيست .”اتم ماننديك منظومه شمسي كوچك است “. در مركز اتم يك هسته بسيار كوچك قرار دارد كه از نظر الكتريكي داراي با ر مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم را تشكيل مي دهد به دور اين هسته ذرات كوچك و بسيار سبكي كه داراي بار الكتريكي منفي هستند يعني الكترونها در حركت هستند.
اتمها ي سنگين تر ين فلزات در وقاع داراي “ساختماني اسفنجي ” هستند و تقريبا فقط از فضاي خالي تشكيل شده اند اگر هسته اتم را به برزگي يك گيلاس فرض كنيم ،ساختمان اتم با مدارهاي اكتروني خود تقريبا به بزرگي “كليساي دم ” در شهر كلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقريبا برابر سانتيمتر يا 12- 10سانتيمتر مي باشد به عبارت ديگر 100ميليارد هسته اتم دركنار هم زنجيري به طول يك ميليمترخواهند ساخت .
ساده ترين اتم هيدروژن است . دراين اتم فقط يك الكترون به دور هسته بسيار كوچكي مي گردد . در شرايط عادي اين اكترون فقط پنج ميليارددم سانتيمتر يا 9- 10×5 سانتيمتر از هسته فاصله دارد .اما اين الكترون مي تواند روي مدارهاي دور تري نسيت به هسته نيز قرار گيرد و در اينجاست كه متاسفانه و جه تشابه بين اتم و منظومه شمسي از بين مي رود .
حركت الكترون فقط روي مدارهاي ويژه و معين يا به عبارت ديگر”تراز انرژي ” مشخصي امكان پذير مي بادش در حالي كه سياره ها در هر فاصله دلخواهي از خورشيد مي توانند حركت كنند مثلا اگريك الكترون از يك مدار داخلي يا به عبارت ديگراز يكتراز پر انرژي تر به يك مدارداخلي يا يك تراز كم انرژي تر منتقل شود مقدار انرژي به شكل يك ذره يا “كوانت نوري ” يا “فوتون” رها مي وشد چون فقط مدارها يا ترازهاي انرژي كاملاً معيني وجود دارد در نتيجه فقط ذره هاي نوري يا انرژي كاملاً معيني نيز منتشر خواهند شد و به عبارت ديگردرنمودار موجي طول موجهاي كاملا معيني پديدار مي شوند كه انسان ار روي آنها مي تواند درتمام كيهان يك انم هيدروژن را باز شناسايي كند.
اين مطلب براي ساير عناصر شيميايي نيزصادق است زير بناي علم “طيف نگاري و طيف شناسي ” مي باشد كه به كمك آن مثلا مي توان تشخيص داد چه نوع اتمهايي در آتمسفر خورشيد وجود دارند .
