ساختار اتم :

بر اساس نظریة دالتون ، اتم به عنوان واحد اساسی یک عنصر در واکنش شیمیایی شرکت کند تعریف می شود . دالتون شناختی از ساختار اتم نداشت و تنها تصور او این بود که اتم بی اندازه کوچک و تقسیم ناپذیر است . بررسیهای سالهای 1850 که تا قرن بیستم هم ادامه داشت به وضوح نشان داد که اتم دارای ساختار درونی است ، به این معنا که اتمها از ذره های کوچکتری که ذره های زیر اتمی نامیده می شوند تشکیل شده اند . بنابر این ، اتمها قابل تقسیم اند و چنانچه شکافته شوند ، هویت شیمیایی خود را از دست می دهند .

اتمها از سه ذره بنیادی  الکترون ، پروتون و نوترون  تشکیل شده اند .

 

الکترون :

در سال 1807 ، همفری دیوی شیمیدان انگلیسی و در سال 132 ، مایکل فارادی از راه برقکافت شیمیایی مواد مرکب به ماهیت الکتریکی ماده پی برده بودند و جرج جانستون استونی در سال 1874 بر اساس کار فارادی این مطلب را عنوان کرد که واحدهای باردار الکتریکی بااتمها پیوستگی دارند و او این واحدهای الکتریکی را الکترون نامید .

قسمت مهم اطلاعاتی که دربارة الکترون به دست آمده است با استفاده از وسیله ای به نام لولةپرتوکاتدی است .  این وسیله یک لولة شیشه ای است که قسمت عمدة هوای داخل آن تخلیه شده است . وقتی هر صفحة فلزی تعبیه شده در این لوله را به یک منبع ولتاژ زیاد وصل کنیم ، صفحه ای که بار منفی دارد  وکاتد نامیده می شود ، یک پرتو نامرئی نشر میکند . پرتو کاتدی به سمت صفحة باردار مثبت که اند نام دارد کشیده می شود و با عبور از درون یک سوراخ به مسیرخود تا انتهای دیگر لوله ادامه می دهد . وقتی این پرتو به صفحه ای که از روی سولفید ( ZnS ) پوشیده شده برخورد می کند ، نور فلوئورسان تولید می شود .

چنانچه دو صفحة باردار الکتریکی و یک آهنربا  در خارج از لولة پرتو کاتدی قرار داده شود ، با برقرار کردن میدان مغناطیسی و خاموش بودن میدان الکتریکی ، پرتو کاتدی به نقطة A  برخورد    می کند . در صورتی که تنها میدان الکتریکی روشن باشد ، پرتو کاتدی به نقطة  C برخورد می کند ، ولی چنانچه هر دومیدان خاموش باشند یا هنگامی که هر دومیدان الکتریکی و مغناطیسی روشن باشند ، اما به گونه ای تنظیم شوند که اثر یکدیگر را خنثا کنند ، پرتو کاتدی  به نقطة  B برخورد   می کند . براساس نظریة الکترومغناطیسی ، یک جزء باردار متحرک مانند یک آهنربا عمل می کند و می تواند به هنگام عبور از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی با آنها بر هم کنش داشته باشد . از آنجا که پرتو کاتدی به سمت صفحة باردار مثبت جذب و به وسیلة صفحة باردار منفی دفع می شود ، باید از ذره های دارای بار منفی تشکیل شده باشد . این ذره های باردار را به عنوان الکترونها می شناسیم . در سال 1897 ، جوزف . ج . تامسون  فیزیکدان انگلیسی نسبت بار به جرم ( q/m ) الکترون رااز راه بررسی انحراف پرتو کاتدی در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی معین کرد . این نسبت برابر با      C/g 10² × 76/1- است . C  نشانة  کولن   ( واحد با رالکتریکــــی ) است . در اوایل سالــهای 1900 نیز روبرت میلیکان فیزیکدان آمریکایی موفق شد تا بار الکترون را تعیین کند . مقـــدار این بار  ^19-10× 60/1-  است . از این رو ، جرم الکترون برابر با g ^28-10 × 09/9  است .

 

پرتوزایی

در سال 1896 ، هانری بکرل فیزیکدان فرانسوی به طور اتفاقی دریافت که یک صفحة عکاسی پوشیده شده به وسیلة یک لفاف ضخیم در معرض ترکیب خاصی از اورانیم سیاه شده است . او بابررسیهای که انجام داد به این نتیجه رسید که این ترکیب اورانیم به طور طبیعی پرتوهای نامرئی نشر می دهد که مانند نور مرئی بر صفحة عکاسی اثر میگذارد . از این رو ، این پدیده پرتوزائی طبیعی نام گرفت و اجسامی مانند اورانیم که این پرتوها را نشر می دهند ، اجسام پرتو زا نامیده می شوند . در نتیجة واپاشی یک جسم پرتوزا سه نوع پرتو ( ذره ) تولید می شود که عبارت اند از پرتو آلفا (α ) که متشکل از ذره های باردار مثبت است و در یک میدان التکتریکی به وسیله صفحه ای که بار مثبت دارد ، منحرف می شود ؛ پرتو بتا ( β ) که همان الکترون است و در یک میدان الکتریکی به وسیلة صفحه ای که با منفی دارد ، منحرف می شود و سومین نوع از این پرتو ها ، پرتو گاما ( γ ) است که بسیار پر انرژی است و بار الکتریکی ندارد و میدان الکتریکی خارجی بر آن بی اثر است .

 

پروتون و هسته

تااوایل سال 1900 معلوم شده بود که اتمها دارای الکترون اند و از نظرالکتریکی نیز خنثا هستند . برای اینکه یک اتم از نظر الکتریکی خنثاباشد ، باید به تعداد برابر بارهاهای منفی و مثبت داشته باشد . از این رو ، تامسون در سال 1909 اتم را به شکل کرهای تصور کرد که در آن بار مثبت به طور یکنواخت گسترده شده است و الکترونها مانند تخمه های هندوانه در این کره پخش اند .

درسال 1910 ، ارنست رادرفورد فیزیکدان انگلیسی همراه با هانس گایگر فیزیکدان آلمانی و ارنست مارسدن فیزیکدان انگلیسی که در آن زمان دانشجوی دورة کارشناسی بود با آزمایشهای که انجام دادند ، نادرست بودن مدل اتمی تامسون را ثابت کردند . در این آزمایشها  باریکه ای از پرتو آلفای حاصل از یک منبع پتوزا روی یک ورقة بسیار نازک فلزی ( مانند طلا ، پلاتین ، مس ) تابانده می شود آنها مشاهده کردند که بیشتر ذره های آلفا بدون انحراف از درون ورقة فلزی عبور می کنند ، تعدادی از آنها به مقدار زیاد منحرف می شوند و شمار معدودی نیز به موازات مسیر اصلی این ذره ها به سمت عقب بر می گردند .

نتایج این آزمایشها با مدل اتمی تامسون قابل توجیه نبود ، زیرا اگر جرم و با مثبت در سراسر اتم به طور یکنواخت گسترده شده باشد ، ذره های آلفا نباید منحرف شوند ، زیرا بر اساس این مدل ، مرکز بار مثبت برای دفع ذره های مثبت آلفا در اتم وجود ندارد . برای توجیه نتایج این آزمایش ، رادرفورد مدل جدیدی را برای اتم پیشنهاد کرد . براساس این مدل ، بیشتر فضای اتم خالی است . در نتیجه بیشتر ذره های آلفا ( ⁺² He ) بدون انحراف از درون ورقة طلا عبور می کنند . طبق پیشنهاد رادرفورد ، بار مثبت اتم در هسته متمرکز است . هرگاه ذرة آلفا به هستة اتم نزدیک شود توسط بار مثبت هسته دفع و انحراف بزرگی در مسیر عبور ذره از درون ورقة طلا مشاهده می شود . افزون بر این ، اگر ذرة آلفا به طور مستقیم با هستة اتم که چگال و مثبت است ، برخورد کند به سمت عقب رانده می شود .

ذره های با بار مثبت در هسته را پروتون می نامند . بار پروتون برابر با بار الکترون و جرم آن     برابر  g ^24- 10 × 67252/1  است که در حدود 1840 مرتبه بیشتر از جرم الکترون می باشد . قطر اتم در حدود m ^10- 10 و قطر هسته اتم در حدود m ^15- 10 است .

بوهر دانشمند دانمارکی در سال 1913 با پذیرفتن وجود هستة اتم که توسط رادرفورد کشف شده بود ، مدل جدیدی دربارة چگونگی توزیع الکترونها در اطراف هستة اتم ارائه داد . طبق نظریة بوهر ، تنها در اطراف هستة هر اتم چندین مسیر دایره ای یا مدار در فاصله های معین وجود دارند و الکترونها تنها مجازند در این مدارها به دور هسته بچرخند . مثلاً ، در اتم هیدروژن که تنها یک پروتون در هسته و یک الکترون در فضای خارج از هسته دارد ، این الکترون در نخستین مدار مفروض که نزدیکترین فاصله را تا هستة اتم دارد ، می چرخد یا در اتم هلیم که بعد از هیدروژن است و دو پروتون در هسته دارد ، دو الکترون موجود در این اتم در همان مدار به دور هسته در حال چرخش اند .

شواهد تجربی نشان می دهند که حداکثر تعداد الکترونها در هر مدار ثابت است . تعداد الکترونها در نخستین مدار که با حرف K  مشخص می شود ، حداکثر دو است و در مدارهای دوم ، سوم و چهارم به ترتیب با حروف L ، M ، N  مشخص می شوند ، حداکثر تعداد الکترونها متوالیاً به 8 ، 18 و 32 می رسد .

بنابر این ، در اتم لیتیم که سه پروتون در هسته دارد ، دو الکترون در مدار K  قرار دارند و الکترون سوم مدار  L  را اشغال می کند که در فاصلة دورتری از هسته است . در اتمهای عنصرهای بریلیم ، بور ، کربن ،نیتروژن ، اکسیژن ، فلوئور و نئون که بعد از لیتیم قرار دارند و بارهسته در اتمهای آنها متوالیاً رو به افزایش است ، الکترونهای اضافه شده همان مدار L را اشغال می کنند و این مدار سوم یا مدار  M که فاصلة آن تا هستة اتم بیشتر از مدار  L است ، قرار می گیرد .

نوترون

در مدل اتمی رادر فورد هنوز یک مسئله حل نشده باقی متنده بود . در آن زمان معلوم شده بود که هیدروژن فقط یک پروتون و اتم هلیم نیز دو پروتون دارد . بنابر این ، نسبت جرم یک اتم هلیم به یک اتم هیدروژن باید 2 به 1 باشد ( سهم الکترون نادیده گرفته شده است ، زیرا الکترون خیلی سبکتر از پروتون است ) ، اما در واقعیت این نسبت 4 به 1 است رادرفورد و دانشمندان دیگر پذیرفته بودند که ذرة زیر اتمی دیگری باید در هستة اتم موجود باشد . اثبات وجود این ذره توسط یک فیزیکدان انگلیسی به نام چادویک در سال 1932 انجام گرفت . او ورقة نازکی از بریلیم را با ذره های آلفا بمباران کرد و مشاهده نمود که یک تابش پر انژی مشابه پرتوی گاما توسط فلز نشر می شود . این پرتو در واقع متشکل از یک ذرة زیر اتمی است که توترون نامیده می شود . این ذره از نظر الکتریکی خنثا و جرم آن اندکی بیش از جرم پروتون است . به این ترتیب مشکل نسبت جرمهای اتمی که در بالا اشاره شد ، با در نظر گرفتن دو پروتون و دو نوترون در هستة هلیم و تنها یک پروتون در هستة هیدروژن حل می شود .

***

عدد اتمی ، عدد جرمی و ایزوتوپها :

تمام اتمها با توجه به تعداد پروتونها و نوترونهایی که دارند ، شناسایی می شوند . عدد اتمی ( Z ) تعداد پروتونها در هستة هر اتم از یک عنصر است . در یک اتم خنثا تعداد پروتونها برابر با تعداد الکترونهاست ؛ از این رو  عدد اتمی تعداد الکترونهای موجود در اتم را نیز مشخص می کند . ماهیت شیمیایی یک اتم تنها توسط عدد اتمی آن تعیین می شود . مثلاً ، وقتی می گوییم عدد اتمی اکسیژن 8 است ، به این معناست که هر اتم اکسیژن خنثا هشت پروتون و هشت الکترون دارد یا به عبارت دیگر ، دراین جهان هستی هر اتمی که هشت پروتون داشته باشد ، اکسیژن نام دارد .

عدد جرمی (A ) برابر با مجموع تعداد نوترونها و پروتونهای موجود در هستة یک اتم از یک عنصر است . بجز اتم هیدروژن که تنها یک پروتون دارد ، تمام هسته های اتمی هم پروتون و هم نوترون دارند . تعداد نوترونها در یک اتم برابر با تفاوت بین عدد جرمی و عدد اتمی ( Z -  A) است . مثلاً ، فلوئور که عدد جرمی 19 و عدد اتمی 9 دارد ، دارای 10 = (9 – 19 ) نوترون در هسته است .

جرم تمام اتمهای یک عنصر معین یکسان نیست . بیشتر عنصرها دو یا چند ایزوتوپ ( همجا ) دارند . ایزوتوپهای یک عنصر عدد اتمی یکسان ، اما عدد جرمی متفاوت دارند . مثلاً ، از هیدروژن سه ایزوتوپ شناخته شده است . یک ایزوتوپ آن که به نام هیدروژن است تنها یک پروتون دارد ، ایزوتوپ دو تریم یک پروتون و یک نوترون و ایزوتوپ تریتیم یک پروتون و دو نوترون دارد . برای نشان دادن عدد اتمی و عدد جرمی یک اتم از عنصر X به صورت زیر عمل می کنیم :

 

 

 

 

بنابراین ، ایزوتوپهای هیدروژن را به صورت زیر نشان می دهیم :

 

                                               تریتیم                    دوتریم                هیدروژن

بجز هیدروژن که ایزوتوپهای آن نامهای متفاوت دارند ، ایزوتوپهای سایر عنصرها توسط عدد جرمی آنها شناسایی می شوند . مثلاً ، نئون – 20 ( Ne ²⁰ ) ، نئون – 21 (Ne ²¹ ) و نئون – 22 (Ne ²² ) .

خواص شیمیائی یک عنصر به طور عمده به وسیلة پروتونها و الکترونهای اتم آن عنصر تعیین می شود و نوترونها در تغییرات شیمیایی شرکت ندارند . بنابراین ، شیمی ایزوتوپهای یک عنصر یکسان است . ایزوتوپهای یک عنصر ترکیبهای یکسانی تشکیل می دهند و واکنش پذیری مشابهی دارند .

 

ادامه مطلب

نوشته شده در 1388/11/6 | ساعت 11:30 قبل از ظهر | توسط حمید اشرفی |نظرات