اَتُمی، ساختار (atomic structure)
اَتُمی، ساختار
هسته۱ که بخش مرکزی اتم را تشکیل می دهد، بخشی بسیار چگال و قطر آن فقط در حدود یک ده هزارم قطر اتم است. ساده ترین هسته، هستۀ اتم هیدروژن است که از یک تک ذرۀ پایدار و دارای بار مثبت، با نام پروتون۲، تشکیل می شود. هسته های عناصر دیگر شامل پروتون های بیشتر و ذرات دیگری با نام نوترون۳ اند. جرم نوترون در حدود جرم پروتون است، ولی بار الکتریکی ندارد. هریک از عناصر هستۀ خاص خود را دارد. هستۀ هر عنصر تعداد معینی پروتون دارد که مشخصۀ آن شمرده می شود و عدد اتمی آن عنصر یا هسته است. تعداد نوترون های موجود در هستۀ هر عنصر ممکن است ثابت نباشد. اتم های یک عنصر منفرد را، وقتی که تعداد نوترون های درون هسته اش با هم تفاوت داشته باشد، ایزوتوپ۴ های مختلف آن عنصر می گویند. هرچند که بعضی ایزوتوپ ها ممکن است ناپایدار باشند و خاصیت پرتوزایی۵ از خود نشان دهند، اما خواص شیمیایی همۀ ایزوتوپ های یک عنصر معین هیچ فرقی با هم ندارند.الکترون. هر هسته را تعدادی الکترون متحرک احاطه می کند. الکترون ها بار الکتریکی منفی دارند. مقدار بار منفی هر الکترون با مقدار بار مثبت هر پروتون برابر است، اما جرم هر الکترون فقط در حدود۲۸۳۶/۱ جرم پروتون است. در هر اتم خنثی، تعداد الکترون هایی که در اطراف هسته قرار دارند، دقیقاً برابر تعداد پروتون های موجود در هسته است. بنابر نظریۀ کوانتومی۶، الکترون جای معینی ندارد و ممکن است در هر مکانی یافت شود، اما احتمال وجود آن در بعضی جاها بیشتر از جاهای دیگر است. ناحیه ای از فضا را که احتمال وجود الکترون در آن به حداکثر می رسد، اربیتال۷ می گویند. خواص شیمیایی هر عنصر با میزان سهولت الکترون گیری یا الکترون دهی آن عنصر مشخص می شود.
جاذبه و دافعه. انسجام اتم ها را نیروی جاذبۀ الکتریکی، بین الکترون های اطراف هسته و پروتون های درون هسته، برقرار نگه می دارد. انسجام هسته بر اثر نیروی جاذبه ای حفظ می شود که از نیروی دافعۀ الکتریکی قوی تر است. این نیرو، که نیروی هسته ای قوی۸ نامیده می شود، پروتون ها و نوترون های درون هسته را به هم پیوند می دهد. نیروی قوی فقط در بردهای کوتاه عمل می کند، به طوری که نوترون ها و پروتون ها برای آن که جذب یکدیگر شوند عملاً باید در تماس باشند (← نیروهای_بنیادی). بنابراین، اگر بخشی از هسته، که شامل چند پروتون است، اندکی از گروه اصلی پروتون ها و نوترون های درون هسته فاصله بگیرد، دافعۀ طبیعی بین پروتون ها این بخش را با سرعت زیاد از بقیۀ هسته دور خواهد کرد. این گونه پارش۹ و تقسیم هسته های اتم، منجر به آزادسازی انرژی هسته ای می شود.
دو نظریه از یونان باستان. در میان یونانیان باستان دو نظریه دربارۀ ماهیت ماده رواج داشت. برخی، مثل آناکساگوراس۱۰ و ارسطو، ماده را پیوسته و نامتناهی می دانستند. طبق این نظریه، هر عنصر را به طور نظری می توان بی نهایت بار تقسیم کرد. دیگران، مثل دموکریتوس۱۱ و اپیکوروس۱۲، ماده را «دانه ای» درنظر می گرفتند و آن را متشکل از ذرات بسیار ریز تقسیم ناپذیر می دانستند. هیچ یک از این دو نظر، بر مبانی تجربی چندانی در طبیعت استوار نبود. پایستگی (بقای) ماده۱۳. پیشرفت شیمی تجربی در اواخر قرن ۱۸، منجر به لزوم دقت بیشتر در تعیین کمیت ها شد و شواهد تجربی، که عمدتاً از مطالعات احتراق حاصل می شد، دانشمندان را به اصل پایستگی (بقای) ماده رهنمون شد. این اصل، به ویژه از لحاظ آشکارسازی عناصر جدید، بسیار ارزشمند بوده است.
نظریۀ دالتون. در قرن ۱۹، جان دالتون۱۴ گازها را متشکل از ذرات می دانست. به این ترتیب، لازم بود هر جسم مرکب به صورت ذرات اتمی به اتم های سازنده اش قابل تقسیم باشد. دالتون قانون نسبت های ثابت۱۵ را به این شرح توصیف کرد: هنگامی که از ترکیب دو عنصر جسم مرکبی ساخته می شود، نسبت این دو عنصر همیشه ثابت است و یکی از مشخصه های جسم مرکب به شمار می رود. مثلاً، در ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تشکیل آب، نسبت وزنی عناصر اکسیژن و هیدروژن همیشه مقدار ثابتی است.
تعیین وزن اتمی عناصر. بلافاصله بعد از اعلام نظریۀ اتمی دالتون، ژوزف گی لوساک۱۶ شرایط حجمی گازهای ترکیب شونده را بررسی کرد. نتیجۀ تحقیق گی لوساک، کشف و طرح این قانون بود که در ترکیب گازها، حجم گازهای ترکیب شونده و حجم محصول، اگر به صورت گاز باشد، نسبت های ساده ای با یکدیگر دارند. در ۱۸۱۱، آمادئو آووگادرو فرضیه اش را دربارۀ اجزای مولکولی گازها منتشر کرد. بنابر فرضیۀ آووگادرو، در شرایط یکسان دما و فشار، تعداد مولکول های موجود در حجم های یکسان گازهای متفاوت با هم برابر است و بستگی به این ندارد که مولکول ها از اتم های منفرد یا از اتم های بسیار متعدد ساخته شده باشند. شواهد تجربی هر دو فرضیه را به خوبی تأیید کرد و دانشمندان این دو فرضیه را برای تعیین جرم اتمی نسبی عناصر شیمیایی به کار بردند. بیشتر پیشرفت هایی که در شیمی حاصل شد، بر اساس تجزیۀ کیفی، و استفاده از وزن های اتمی استوار بوده است.
رادرفورد و موزلی. در حدود ۱۹۰۰، مشخص شده بود که اتم ها ساختاری داخلی دارند و تقسیم ناپذیر نیستند. ارنست رادرفورد و دیگران (۱۹۱۱ـ ۱۹۱۳) با استفاده از آزمایش های ذرات آلفا۱۷، نشان دادند که عملاً همۀ جرم هر اتم در هستۀ مرکزی فوق العاده کوچکی متمرکز شده است که بار الکتریکی مثبت دارد. در۱۹۱۳، رادرفورد با همکاری هنری موزلی۱۸ نشان داد که هر هسته شامل تعدادی بار مثبت است و این تعداد بستگی به عنصر مورد نظر دارد. تعداد بار مثبت در هستۀ هر عنصر را عدد اتمی۱۹ آن عنصر می گویند. در اطراف هسته و در فاصلۀ نسبتاً دور از آن، به تعداد پروتون ها الکترون در گردش است. سبک ترین هسته، که هستۀ اتم هیدروژن است، یک بار مثبت منفرد، با نام پروتون، دارد.
بور. در ۱۹۱۳، نیلس بور۲۰ این نظریه را مطرح کرد که الکترون ها، مانند سیاراتی که به دور خورشید در گردش اند، در مدارهایی به دور هسته حرکت می کنند. همچنین، او چگونگی جذب و نشر نور را در اتم ها شرح داد. بور و دیگران این نظریات را با استفاده از نظریۀ کوانتومی گسترش دادند و آن ها را با موفقیت تمام، برای توصیف کامل ساختار اتمی و توضیح خواص توده ای ماده و زیرساختار هسته به کار گرفتند.
چادویک. در ۱۹۳۲، جیمز چادویک۲۱ کشف کرد که درپی بمباران برلیوم با ذرات آلفا، ذرات خنثایی حاصل می شوند که او آن ها را نوترون نامید. باتوجه به وزن اتمی اتمها و وزن شناخته شدۀ پروتون و الکترون، معلوم شده که پروتون ها و نوترون ها اساساً جرم های یکسانی دارند و تعداد نوترون ها و پروتون های موجود در هر هسته، تقریباً با هم مساوی است و بار هسته را پروتون ها تأمین می کنند.
'ذرات زیر'اتمی. در پژوهش های فیزیک انرژی زیاد، به وجود ذرات زیراتمی دیگری جز پروتون، نوترون، و الکترون نیز پی برده اند (← فیزیک_ذرات). تاکنون بیش از ۳۰۰ نوع ذره را شناسایی و آن ها را بر اساس جرم، بار الکتریکی، اسپین، گشتاور مغناطیسی، و برهم کنش هایشان در چند رده دسته بندی کرده اند. ذرات بنیادی۲۲ را، که الکترون یکی از آن هاست، می توان تقسیم ناپذیر و سنگ بنای ماده تلقی کرد. هادرون۲۳ هایی مانند پروتون و نوترون ذرات مرکبی اند که از دو یا سه ذرۀ بنیادی، با نام کوارک۲۴، تشکیل می شوند.
اَتُمی، ساختار
هسته۱ که بخش مرکزی اتم را تشکیل می دهد، بخشی بسیار چگال و قطر آن فقط در حدود یک ده هزارم قطر اتم است. ساده ترین هسته، هستۀ اتم هیدروژن است که از یک تک ذرۀ پایدار و دارای بار مثبت، با نام پروتون۲، تشکیل می شود. هسته های عناصر دیگر شامل پروتون های بیشتر و ذرات دیگری با نام نوترون۳ اند. جرم نوترون در حدود جرم پروتون است، ولی بار الکتریکی ندارد. هریک از عناصر هستۀ خاص خود را دارد. هستۀ هر عنصر تعداد معینی پروتون دارد که مشخصۀ آن شمرده می شود و عدد اتمی آن عنصر یا هسته است. تعداد نوترون های موجود در هستۀ هر عنصر ممکن است ثابت نباشد. اتم های یک عنصر منفرد را، وقتی که تعداد نوترون های درون هسته اش با هم تفاوت داشته باشد، ایزوتوپ۴ های مختلف آن عنصر می گویند. هرچند که بعضی ایزوتوپ ها ممکن است ناپایدار باشند و خاصیت پرتوزایی۵ از خود نشان دهند، اما خواص شیمیایی همۀ ایزوتوپ های یک عنصر معین هیچ فرقی با هم ندارند.الکترون. هر هسته را تعدادی الکترون متحرک احاطه می کند. الکترون ها بار الکتریکی منفی دارند. مقدار بار منفی هر الکترون با مقدار بار مثبت هر پروتون برابر است، اما جرم هر الکترون فقط در حدود۲۸۳۶/۱ جرم پروتون است. در هر اتم خنثی، تعداد الکترون هایی که در اطراف هسته قرار دارند، دقیقاً برابر تعداد پروتون های موجود در هسته است. بنابر نظریۀ کوانتومی۶، الکترون جای معینی ندارد و ممکن است در هر مکانی یافت شود، اما احتمال وجود آن در بعضی جاها بیشتر از جاهای دیگر است. ناحیه ای از فضا را که احتمال وجود الکترون در آن به حداکثر می رسد، اربیتال۷ می گویند. خواص شیمیایی هر عنصر با میزان سهولت الکترون گیری یا الکترون دهی آن عنصر مشخص می شود.
جاذبه و دافعه. انسجام اتم ها را نیروی جاذبۀ الکتریکی، بین الکترون های اطراف هسته و پروتون های درون هسته، برقرار نگه می دارد. انسجام هسته بر اثر نیروی جاذبه ای حفظ می شود که از نیروی دافعۀ الکتریکی قوی تر است. این نیرو، که نیروی هسته ای قوی۸ نامیده می شود، پروتون ها و نوترون های درون هسته را به هم پیوند می دهد. نیروی قوی فقط در بردهای کوتاه عمل می کند، به طوری که نوترون ها و پروتون ها برای آن که جذب یکدیگر شوند عملاً باید در تماس باشند (← نیروهای_بنیادی). بنابراین، اگر بخشی از هسته، که شامل چند پروتون است، اندکی از گروه اصلی پروتون ها و نوترون های درون هسته فاصله بگیرد، دافعۀ طبیعی بین پروتون ها این بخش را با سرعت زیاد از بقیۀ هسته دور خواهد کرد. این گونه پارش۹ و تقسیم هسته های اتم، منجر به آزادسازی انرژی هسته ای می شود.
دو نظریه از یونان باستان. در میان یونانیان باستان دو نظریه دربارۀ ماهیت ماده رواج داشت. برخی، مثل آناکساگوراس۱۰ و ارسطو، ماده را پیوسته و نامتناهی می دانستند. طبق این نظریه، هر عنصر را به طور نظری می توان بی نهایت بار تقسیم کرد. دیگران، مثل دموکریتوس۱۱ و اپیکوروس۱۲، ماده را «دانه ای» درنظر می گرفتند و آن را متشکل از ذرات بسیار ریز تقسیم ناپذیر می دانستند. هیچ یک از این دو نظر، بر مبانی تجربی چندانی در طبیعت استوار نبود. پایستگی (بقای) ماده۱۳. پیشرفت شیمی تجربی در اواخر قرن ۱۸، منجر به لزوم دقت بیشتر در تعیین کمیت ها شد و شواهد تجربی، که عمدتاً از مطالعات احتراق حاصل می شد، دانشمندان را به اصل پایستگی (بقای) ماده رهنمون شد. این اصل، به ویژه از لحاظ آشکارسازی عناصر جدید، بسیار ارزشمند بوده است.
نظریۀ دالتون. در قرن ۱۹، جان دالتون۱۴ گازها را متشکل از ذرات می دانست. به این ترتیب، لازم بود هر جسم مرکب به صورت ذرات اتمی به اتم های سازنده اش قابل تقسیم باشد. دالتون قانون نسبت های ثابت۱۵ را به این شرح توصیف کرد: هنگامی که از ترکیب دو عنصر جسم مرکبی ساخته می شود، نسبت این دو عنصر همیشه ثابت است و یکی از مشخصه های جسم مرکب به شمار می رود. مثلاً، در ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تشکیل آب، نسبت وزنی عناصر اکسیژن و هیدروژن همیشه مقدار ثابتی است.
تعیین وزن اتمی عناصر. بلافاصله بعد از اعلام نظریۀ اتمی دالتون، ژوزف گی لوساک۱۶ شرایط حجمی گازهای ترکیب شونده را بررسی کرد. نتیجۀ تحقیق گی لوساک، کشف و طرح این قانون بود که در ترکیب گازها، حجم گازهای ترکیب شونده و حجم محصول، اگر به صورت گاز باشد، نسبت های ساده ای با یکدیگر دارند. در ۱۸۱۱، آمادئو آووگادرو فرضیه اش را دربارۀ اجزای مولکولی گازها منتشر کرد. بنابر فرضیۀ آووگادرو، در شرایط یکسان دما و فشار، تعداد مولکول های موجود در حجم های یکسان گازهای متفاوت با هم برابر است و بستگی به این ندارد که مولکول ها از اتم های منفرد یا از اتم های بسیار متعدد ساخته شده باشند. شواهد تجربی هر دو فرضیه را به خوبی تأیید کرد و دانشمندان این دو فرضیه را برای تعیین جرم اتمی نسبی عناصر شیمیایی به کار بردند. بیشتر پیشرفت هایی که در شیمی حاصل شد، بر اساس تجزیۀ کیفی، و استفاده از وزن های اتمی استوار بوده است.
رادرفورد و موزلی. در حدود ۱۹۰۰، مشخص شده بود که اتم ها ساختاری داخلی دارند و تقسیم ناپذیر نیستند. ارنست رادرفورد و دیگران (۱۹۱۱ـ ۱۹۱۳) با استفاده از آزمایش های ذرات آلفا۱۷، نشان دادند که عملاً همۀ جرم هر اتم در هستۀ مرکزی فوق العاده کوچکی متمرکز شده است که بار الکتریکی مثبت دارد. در۱۹۱۳، رادرفورد با همکاری هنری موزلی۱۸ نشان داد که هر هسته شامل تعدادی بار مثبت است و این تعداد بستگی به عنصر مورد نظر دارد. تعداد بار مثبت در هستۀ هر عنصر را عدد اتمی۱۹ آن عنصر می گویند. در اطراف هسته و در فاصلۀ نسبتاً دور از آن، به تعداد پروتون ها الکترون در گردش است. سبک ترین هسته، که هستۀ اتم هیدروژن است، یک بار مثبت منفرد، با نام پروتون، دارد.
بور. در ۱۹۱۳، نیلس بور۲۰ این نظریه را مطرح کرد که الکترون ها، مانند سیاراتی که به دور خورشید در گردش اند، در مدارهایی به دور هسته حرکت می کنند. همچنین، او چگونگی جذب و نشر نور را در اتم ها شرح داد. بور و دیگران این نظریات را با استفاده از نظریۀ کوانتومی گسترش دادند و آن ها را با موفقیت تمام، برای توصیف کامل ساختار اتمی و توضیح خواص توده ای ماده و زیرساختار هسته به کار گرفتند.
چادویک. در ۱۹۳۲، جیمز چادویک۲۱ کشف کرد که درپی بمباران برلیوم با ذرات آلفا، ذرات خنثایی حاصل می شوند که او آن ها را نوترون نامید. باتوجه به وزن اتمی اتمها و وزن شناخته شدۀ پروتون و الکترون، معلوم شده که پروتون ها و نوترون ها اساساً جرم های یکسانی دارند و تعداد نوترون ها و پروتون های موجود در هر هسته، تقریباً با هم مساوی است و بار هسته را پروتون ها تأمین می کنند.
'ذرات زیر'اتمی. در پژوهش های فیزیک انرژی زیاد، به وجود ذرات زیراتمی دیگری جز پروتون، نوترون، و الکترون نیز پی برده اند (← فیزیک_ذرات). تاکنون بیش از ۳۰۰ نوع ذره را شناسایی و آن ها را بر اساس جرم، بار الکتریکی، اسپین، گشتاور مغناطیسی، و برهم کنش هایشان در چند رده دسته بندی کرده اند. ذرات بنیادی۲۲ را، که الکترون یکی از آن هاست، می توان تقسیم ناپذیر و سنگ بنای ماده تلقی کرد. هادرون۲۳ هایی مانند پروتون و نوترون ذرات مرکبی اند که از دو یا سه ذرۀ بنیادی، با نام کوارک۲۴، تشکیل می شوند.
wikijoo: اتمی،_ساختار