اتم چیست؟

                                                      به نام خالق هستی

اتم چیست؟

اتم کوچکترین واحد تشکیل دهنده یک عنصر شیمیایی است که خواص منحصر به فرد آن عنصر را حفظ می‌کند. تعریف دیگری آن را به عنوان کوچکترین واحدی در نظر میگیرد که ماده را میتوان به آن تقسیم کرد بدون اینکه اجزاء بارداری از آن خارج شود.

اتم ابری الکترونی، تشکیل‌شده از الکترون‌ها با بار الکتریکی منفی، که هستهٔ اتم را احاطه کرده‌است. هسته نیز خود از پروتون که دارای بار مثبت است و نوترون که از لحاظ الکتریکی خنثی است تشکیل شده است.

زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد در غیر این صورت آن را یون می‌نامند که می‌تواند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی باشد. اتم‌ها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آنها طبقه‌بندی می‌شوند. تعداد پروتون‌های اتم مشخص کننده نوع عنصر شیمیایی و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کننده ایزوتوپ عنصر است.

نظریه فیزیک کوانتم تصویر پیچیده ای از اتم ارائه میدهد و این پیچیدگی دانشمندان را مجبور میکند که جهت توصیف خواص اتم بجای یک تصویر متوسل به تصاویر شهودی متفاوتی از اتم شوند. بعضی وقت ها مناسب است که به الکترون به عنوان یک ذره متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهی مناسب است به آنها عنوان ذراتی که در امواجی با موقعیت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزیع شده اند نگاه کرد. ساختار مدار ها تا حد بسیار زیادی روی رفتار اتم تأثیر گذارده و خواص شیمیایی یک ماده توسط نحوه دسته بندی این مدار ها معین میشود.

ریشه لغوی

این کلمه ، از کلمه یونانی atomos ، غیر قابل تقسیم ، که از a- ، بمعنی غیر و tomos، بمعنی برش ، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم‌های شیمیایی یعنی اساسی‌ترین اجزاء مولکول‌ها و مواد ساده می‌باشد.

تاریخچه شناسایی اتم اتم - ملکول - ساختار اتم

از مدتها قبل ،انسان می داند که تمام مواد از ذرات بنیادی یا عناصر شیمیایی ساخته شده اند. از میان این مواد،مثلاً می توان از اکسیژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .کوچکترین ذره آهن ،یک اتم آهن و کوچکترین ذره گوگرد ،یک اتم گوگرد نامیده می شود .

آهن خالص فقط دارای اتمهای آهن است و گوگرد خالصل نیز فقط اتمهای گوگرد دارد . اتمها جرمهای گوناگونی دارند .سبکترین آنها اتم هیدوژن است .
اتمهای آهن بسیار سنگینتر از هیدروژن و اتمهای "اورانیم" از اتمهای آهن سنگینترند ،یعنی جرمشان بیشتر ایت .واژه اتم ،از بان یونانی گرفته شده و معنای آن در واقع "ناکسستنی" یا "تقسیم ناپذیر" است .
امروزه ما می دانیم که امها را هم می توان به اجزاء کوچکتر تقسیم کرد.ولی به هر حال ،اگر مثلاً یک اتم آهن را درهم بشکنیم ،اجزاء شکسته شده ،و دیگر آهن نسیتند و خصوصیات آهن را ندارند به این دلیل است که در بسیاری از کتابهای شیمی تعریف زیر در باره واژه "اتم" آورده شده است :

"یک اتم کوچکترین سنگ بنای یک عنصرشیمیایی است که کلیه خصوصیات ویژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسیم آن به اجزاء کوچکتر ،این خصوصیات را از دست خواهد داد ".

اتمها در مقایسه با کلیه چیزهایی که ما در زندگی معمولی خود با آنها برخورد می کنیم ،خیلی خیلی کوچک هستند .قطر یک اتم تقریباً سانتیمتر یا 8 - 10×1 سانتیمتراست . با ذکر یک مثال می توان پی برد که اتمها چقدر کوچک هستند :
برروی کره زمین تقریباً 5 میلیارد نفر زندگی می کنند. اگر هر نفر را یک اتم حساب کنیم و با این اتمها یک زنجیر بسازیم طول این زنجیر به زحمت 50 سانتیمتر خواهد شد .
مولکول چیست؟ اتمها می توانند برای ایجاد ذرات بزرگنر با یکدیگر پیوند پیدا کنند و به اصطلاح "مولکولها " را تشکیل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اکسیژن با یکدیگر تشکیل یک مولکول اکسیژن را می دهند. در طبیعت اغلب اوقات اتفاق می افتد که امهای عناصر مختلف به صورت مولکول با یکدیگر اتحاد می یابند .
یکی از معروفترین این اتحادها مولکول آب است . که ازیک اتم اکسیژن و دو اتم هیدوژن تشکیل شده است . یک مولکول آمونیاک ،یک اتم نیتروژن وسه اتم هیدوژن دارد .
آب و آمونیاک برخلاف اکسیژن و کربن عناصر شیمیایی نیستند بلکه ترکیبات شیمیایی از عناصر متقاوت هستند .کوچکترین ذره چنین ترکیبی مولکول نامیده می شود .چنانچه یک مولکول آب را تجزیه کنیم خصوصیات آب از دست می رود و فقط ذرات تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن باقی می مانند که خصوصیاتی کاملاً متفاوت با آب دراند .
مولکولهانیز مثل اتمها به طرز غیرقابل تصوری کوچک هستند دریک لیوان ـآب معمولی تقریباً 6000000000000000000000000 یا 24 10×6 مولکول آب وجود دارد . اگر این لوان آب را به میزان مساوی بر روی تمام اقیانوسها و دریاهای کره زمین پخش کنیم درهر لیتر از آب دریاها ،چندین هزار مولکول از آب لیوان وجود خواهد داشت .
ساختار اتم چیست ؟ تقریباً 75سال پیش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبی را کشف کرد که فیزیک اتمی جدید را نبیان گذارد . اما اکنون به این مطلب می پردازیم .این فیزیکدان بریتانیایی یک ورق نازک طلایی را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسایی کند .
اگر مواد در یک چنین ورق فلزی بطور متناسب و یکنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسیر پرواز خود به حرکت ادامه می دادند،اگر چه در این حالت کمی از سرعت ذرات آلفا کاسته می شد. تمام "ذرات آلفا" تقریباً به همین شکل رفتار کردند .البته تعداد کمی نیز کاملاً از مسیر خود منحرف شدند درست مثل اینکه به یک گلوله کوچک اما خیلی سنگین برخورد کرده باشند "رادرفورد " از این آزمایش چنین نتیجه گیری کرد که تقریبا تمام جرم اتم طلا در یک هسته بسیار کوچک وناچیز تمرکز یافته است .
هسته اتم کشف شده بود.امروز ه ما دقیقاً می دانیم ساختار اتم چیست ."اتم مانندیک منظومه شمسی کوچک است ". در مرکز اتم یک هسته بسیار کوچک قرار دارد که از نظر الکتریکی دارای با ر مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم را تشکیل می دهد به دور این هسته ذرات کوچک و بسیار سبکی که دارای بار الکتریکی منفی هستند یعنی الکترونها در حرکت هستند.
اتمها ی سنگین تر ین فلزات در وقاع دارای "ساختمانی اسفنجی " هستند و تقریبا فقط از فضای خالی تشکیل شده اند اگر هسته اتم را به برزگی یک گیلاس فرض کنیم ،ساختمان اتم با مدارهای اکترونی خود تقریبا به بزرگی "کلیسای دم " در شهر کلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقریبا برابر سانتیمتر یا 12- 10سانتیمتر می باشد به عبارت دیگر 100میلیارد هسته اتم درکنار هم زنجیری به طول یک میلیمترخواهند ساخت .
ساده ترین اتم هیدروژن است . دراین اتم فقط یک الکترون به دور هسته بسیار کوچکی می گردد . در شرایط عادی این اکترون فقط پنج میلیارددم سانتیمتر یا 9- 10×5 سانتیمتر از هسته فاصله دارد .اما این الکترون می تواند روی مدارهای دور تری نسیت به هسته نیز قرار گیرد و در اینجاست که متاسفانه و جه تشابه بین اتم و منظومه شمسی از بین می رود .
حرکت الکترون فقط روی مدارهای ویژه و معین یا به عبارت دیگر"تراز انرژی " مشخصی امکان پذیر می بادش در حالی که سیاره ها در هر فاصله دلخواهی از خورشید می توانند حرکت کنند مثلا اگریک الکترون از یک مدار داخلی یا به عبارت دیگراز یکتراز پر انرژی تر به یک مدارداخلی یا یک تراز کم انرژی تر منتقل شود مقدار انرژی به شکل یک ذره یا "کوانت نوری " یا "فوتون" رها می وشد چون فقط مدارها یا ترازهای انرژی کاملاً معینی وجود دارد در نتیجه فقط ذره های نوری یا انرژی کاملاً معینی نیز منتشر خواهند شد و به عبارت دیگردرنمودار موجی طول موجهای کاملا معینی پدیدار می شوند که انسان ار روی آنها می تواند درتمام کیهان یک انم هیدروژن را باز شناسایی کند.
این مطلب برای سایر عناصر شیمیایی نیزصادق است زیر بنای علم "طیف نگاری و طیف شناسی " می باشد که به کمک آن مثلا می توان تشخیص داد چه نوع اتمهایی در آتمسفر خورشید وجود دارند .
مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم‌های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی مانند دموکریتوس (Democritus) ، لئوسیپوس (Leucippus) و اپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن ، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جان دالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.
راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:
Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium
چاپ نمود.

براساس نظریه بوسویچ ، اتمها نقاط بی‌اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر ، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می‌کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاش آمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم‌ها و مولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن ، اتم‌ها ، بصورت تجربی مشاهده شدند.

اندازه اتم

اتم‌ها ، از طرق ساده ، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم ، معمولا میان 10pm تا 100pm متفاوت است.

ذرات درونی اتم

در آزمایش‌ها مشخص گردید که اتم‌ها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم‌های با تعداد مساوی الکترون و پروتون ، از نظر الکتریکی خنثی هستند.

طبقه‌بندی اتم‌ها

اتم‌ها عموما برحسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی می‌شوند. برای مثال ، اتم های کربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتم‌های با عدد اتمی مشابه ، دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها در جدول تناوبی لیست شده‌اند.
اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها) ، ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

ساده‌ترین اتم

ساده‌ترین اتم ، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی ، خصوصا در اوایل شکل‌گیری نظریه کوانتوم ، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم‌ها

واکنش شیمیایی اتم‌ها بطور عمده‌ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترون‌های آن می‌باشد. خصوصا الکترون‌هایی که در خارجی‌ترین لایه اتمی قرار دارند، به نام الکترون‌های ظرفیتی ، بیشترین اثر را در واکنش‌های شیمیایی نشان می‌دهند. الکترون‌های مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر می‌باشند، ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی ، نقش ثانوی دارند.

پیوند میان اتم‌ها

اتم‌ها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند. لایه خارجی هیدروژن و هلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل با استفاده مشترک از الکترونهای اتم‌های مجاور و یا با جدا کردن کامل الکترون‌ها از اتمهای دیگر فراهم می‌شود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کووالانسی میان دو اتم تشکیل می‌گردد. پیوندهای کووالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی می‌باشند.

یون

هنگامیکه بوسیله اتم ، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می‌گردد، یون‌ها ایجاد می‌شوند. یون‌ها اتم‌هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو ن‌ها و الکترون‌ها ، دارای بار الکتریکی ویژه می‌شوند. یون‌هایی که الکترون‌ها را برمی‌دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون‌ها را از دست می‌دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد.

پیوند یونی

کاتیون‌ها و آنیون‌ها بعلت نیروی کولمبیک (coulombic) میان بارهای مثبت و منفی ، یکدیگر را جذب می‌نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده می‌شود و از پیوند کووالانسی ضعیفتر است.

مرز مابین انواع پیوندها

همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتی ایجاد میشود که در آن الکترون‌ها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می‌شوند، درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد می‌گردد که الکترون‌ها کاملا در انحصار آنیون قرار می‌گیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر ، هیچکدام از این توصیف‌ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کووالانسی ، الکترون‌ها بطور نامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم‌های با بار الکتریکی منفی‌تر می‌کنند که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواص یونی می‌گردد بطور مشابهی ، در پیوندهای یونی ، الکترون‌ها اغلب در مقاطع کوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت‌تر می‌چرخند که باعث ایجاد بعضی از خواص کووالانسی در پیوند یونی می‌گردد.

اتم اولیه
ریشه لغوی و تاریخچه
کلمه اتم از واژه یونانی Atomos به معنی (تقسیم‌نا‌پذیر) گرفته شده ‌است. اعتبار نخستین نظریه اتمی را بطور معمول از یونانیان باستان می‌دانند اما ممکن است خاستگاه این مفهوم در تمدنهای پیش از یونان باشد. نظریه اتمی (لوسیپوس) و (موکرتیس) که در قرن پنجم قبل از میلاد مسی

ح ‌می‌زیستند مدعی آن است که تقسیم پی‌درپی ماده در نهایت به اتمهایی می‌رسد که امکان تقسیم بیشتر ندارند.
ارسطو در قرن چهارم قبل از میلاد مسیح نظریه اتمی را نپذیرفت. او باور داشت که بطور فرضی ماده بی‌پایان به ذرات کوچک و کوچکتر تقسیم می‌شود. این نظریه دو هزار سال بصورت اندیشه محض باقی ماند. رابرت بویل در سال ۱۶۶۱ و ایزاک نیوتون در سال ۱۶۸۷ وجود اتمها را پذیرفتند.

نظریه اتمی دالتون
جان دالتون نظریه اتمی را بگونه‌ای طرح کرد که شاخص برجسته‌ای در تاریخ شیمی شد. این نظریه در سالهای ۱۸۰۳ تا ۱۸۰۸ نصج گرفت. در آن زمان دانشمندان بسیاری معتقد بودند که ماده از اتم‌ها ترکیب یافته است اما دالتون از این هم پیش رفت. او طرحی برای نظریه اتمی بوجود آورد که می‌توانست قوانین تغییر شیمیایی را توضیح دهد و با نسبت دادن جرمهای نسبی به اتمهای عناصر گوناگون به مفهوم نظریه اتمی صورت کمی داد.
اصول موضوع نظریه دالتون
۱٫ عناصر از ذرات بی‌نهایت کوچکی که اتم نامیده می‌شوند ترکیب یافته‌اند. تمام اتمهای یک عنصر یکسان و اتمهای عناصر گوناگون متفاوت‌اند.
۲٫ در واکنشهای شیمیایی اتمها از هم جدا می‌شوند و به هم می‌پیوندند. در این واکنش هیچ اتمی ایجاد نمی‌شود یا از میان نمی‌رود و هیچ اتمی از یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل نمی‌شود.
۳٫ یک ماده مرکب شیمیایی حاصل ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر است. یک ماده مرکب معین از اتمهایی ترکیب یافته است که همواره نوع و نسبت آنها ثابت است.
تغییرات در نظریه اتمی دالتون
نظریه دالتون به مفهوم کلی آن امروزه نیز معتبر است. لیکن اصل اول آن تغییر یافته است

. دالتون می‌گفت که تمام اتمهای یک عنصر معین ، جرم اتمی یکسان دارند. امروزه ما می‌دانیم که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیایی به هم شبیه و اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. علاوه بر این ما می‌توانیم یک جرم متوسط برای اتمهای هر عنصر در نظر بگیریم. در بسیاری از محاسبات اگر عنصر را از یک نوع اتم با جرم متوسط بدانیم اشتباهی بوجود نمی‌آید.
منشا نظریه اتمی دالتون
دالتون وجوه کمی نظریه خود را از درون دو قانون مربوط به تغییرات شیمیایی بیرون نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.
۲٫ قانون نسبتهای معین می‌گوید که یک ماده مرکب خالص همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب می‌شوند. اصل سوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.
الکترون
در نظریه دالتون و نظریه‌های یونانیان اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند اما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه نتیجه آزمایشهایی بود که با الکتریسیته بعمل آمد. در سال ۱۸۰۷ و ۱۸۰۸ شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته پنج عنصر پتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد. دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند به هم متصل می‌شوند.

در سال ۱۸۳۲ و ۱۸۳۳ مایکل فارادی مجموعه آزمایشهای مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد. در فرایند برقکافت مواد مرکب بوسیله الکتریسیته تجزیه می‌شوند. فارادی رابطه بین مقدار الکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را برسی کرد و فرمول قوانین برقکافت شیمیایی را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی جرج جانسون استونی در سال ۱۸۷۴ به طرح این مطلب پرداخت که واحدهای باردار الکتریکی با اتم‌ها پیوستگی دارند. او در سال ۱۸۹۱ این واحدهای الکتریکی را الکترون نامید.

الکترونها در میدان مغناطیسی و الکتریکی منحرف می‌شوند. بعدها مقدار بار الکترون در سال ۱۹۰۹توسط رابرت . ا . میلیکان محاسبه شد. الکترون یک واحد بار منفی یعنی دارد. جرم الکترون نیز از رابطه q به q/m محاسبه شد و مقدار بدست آمد.
پروتون
هرگاه یک یا چند الکترون از یک اتم یا مولکول خنثی جدا شوند باقیمانده ، بار مثبتی برابر با مجموع بارهای منفی الکترونهای جدا شده دارد. اگر یک الکترون از یک اتم نئون ( نماد ، Ne ) جدا شود نتیجه یک یون و اگر دو الکترون جدا شود یک یون بدست می‌آید و الی آخر. این نوع ذرات مثبت ( یونهای مثبت ) وقتی در لوله تخلیه الکتریکی تولید می‌شوند که پرتوهای کاتدی از اتمها یا مولکولهای موجود در لوله الکترون جدا کنند.

این یونهای مثبت به طرف الکترود منفی حرکت می‌کنند اما الکترونهای پرتوهای کاتدی چون بار منفی دارند در جهت مخالف (بطرف الکترود مثبت) حرکت می‌کنند. این جریان یونهای مثبت که پرتوهای مثبت نامیده می‌شوند، نخستین بار توسط یوجین گلدشتاین در سال ۱۸۸۶ مشاهده شدند. این ذرات مثبت پروتون نامیده می‌شوند و جز تشکیل دهنده تمام اتمها هستند. پرتون یک واحد بار مثبت دارد و علامت آن مثبت است. جرم پروتون نیز از رابطه q بر q/m محاسبه شد.
نوترون

چون اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم باید برابر باشد. برای توجیه جرم کل اتمها ارنست رادرفورد در سال ۱۹۲۰ وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است ولی در سال ۱۹۳۲ جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون نامیده می‌شوند منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده‌های بدست آمده از بعضی واکنشهای هسته‌ای مولود نوترون جرم آن را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمام ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می‌شوند جرم نوترون را که اندکی از جرم پروتون بیشتر است محاسبه کرد. جرم نوترون و جرم پروتون است.
هسته اتم
پرتوزایی طبیعی
بعضی از اتم‌ها مجموعه ناپایداری از ذرات بنیادی هستند. این اتم‌ها خود بخود پرتوهایی گسیل می‌دارند و به اتمهای دیگر با هویت شیمیایی متفاوت تبدیل می‌شوند. این فرایند که پرتوزایی نامیده می‌شود که در سال ۱۸۹۶ بوسیله هانری بکرل کشف شد. در سالهای بعد ارنست رادرفورد ماهیت سه نوع پرتو گسیل یافته از مواد پرتوزای موجود در طبیعت را توضیح داد. این سه نوع پرتو با سه حرف نخستین الفبای یونانی آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ) مشخص می‌شوند.
• تابش آلفا مرکب از ذراتی است که بار +۲ و جرمی تقریبا برابر پروتون دارند. این ذرات آلفا با سرعتی حدود km/s 16000 از ماده پرتوزا بیرون می‌جهند. نخستین بار که ذرات α مورد مطالعه قرار گرفتند نوترون هنوز کشف نشده بود. امروزه ما می‌دانیم که ذره آلفا مرکب از دو پروتون و دو نوترون است.
• تابش بتا مرکب از جریانی از الکترونهاست که تقریبا با سرعت km/s 130000 سیر می‌کنند.
• تابش گاما اصولا صورتی از نور با انرژی بسیار زیاد است. پرتوهای گاما بدون بار و شبیه پرتوهای ایکس‌اند.
مدل اتمی رادرفورد
رادرفورد در سال ۱۹۱۱ نتایجی از آزمایشهای خود را که در آنها از ذرات آلفا برای پژوهش در ساختار اتم استفاده شده بود منتشر کرد. آزمایش از این قرار بود که باریکه‌ای از ذرات α به ورقه بسیار باریکی به ضخامت cm 0.0004 از طلا ، نقره یا مس تابانده شد. اکثر ذرات α بطور مستقیم از ورقه بیرون رفتند ولی بعضی از آنها از مسیر مستقیم منحرف شده و معدودی بطرف منبع خود بازگشتند. رادرفورد نتایج این آزمایشها را با طرح این فرض که هر اتم مرکب از دو بخش است توضیح داد:

• یک هسته در مرکز اتم وجود دارد. بیشترین جرم و تمام بار مثبت اتم در هسته متمرکز

است. اکنون باور ما این است که هسته شامل پروتونها و نوترونهایی است که بر روی هم جرم هسته را در بر دارند و بار هسته ناشی از پروتونهای هسته است.
• الکترونها که بیشترین حجم اتم را اشغال می‌کنند خارج هسته هستند و به سرعت دور هسته حرکت می‌کنند. چون یک اتم از لحاظ الکتریکی خنثی است بار مثبت کل هسته (که ناشی ا

ز پروتونهای آن است) برابر بار منفی همه الکترونهای اتم است. بنابراین عده الکترونها با عده پروتونها برابر است .
مدل بوهر
پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد این سوال برای دانشمندان پیش آمد ، که طیف نشری خطی اتم عناصر ، حاصل از چیست ؟

در این هنگام نیلس بور با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد چنین پیشنهاد داد که الکترون ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی قرار دارند و در این سطوح به دور هسته اتم در حال چرخیدن هستند . انرژی الکترون هایی که در سطوح انرژی پایین تر به هسته نزدیک تر هستند ، نسبت به الکترون هایی که از هسته دورند ، انرژی کمتری دارند . پس برای انتقال الکترون از سطح انرژی پایین به سطح انرژی بالا ، باید انرژی معادل اختلاف انرژی بین آن دو سطح ، را به آن الکترون بدهیم . پس انرژی الکترون ها در یک اتم کوانتیده است .
مدل اتمی بور توانست به ما نشان دهد که طیف نشر خطی که از اتم عناصر گسیل می شود ، بر اثر انتقال الکترون ها ازسطوح انرژی بالا به سطوح انرژی پایین است ، که در این انتقال انرژی الکترون کاهش و به صورت نور و گرما آزاد می شود .
که اگر این نور آزاد شده را از منشور عبور دهیم طیف نشری آن مشخص می شود . بور ، بیشتر مدل اتمی خود را بر اساس آزمایش هایی
که با اتم های هیدروژن و هیلیم انجام داده بود مطرح می ساخت به همین دلیل مدل
اتمی او ( که به مدل منظومه شمسی معروف است ) برای اتم های سنگینی مانند اورانیم ، آهن و … صدق نمی کرد
. در این هنگام مدل اتمی کوانتمی (یا ابر الکترونی ) به همکاری بسیاری از دانشمندان به در عرصه رقابت مطرح شد . از جمله دانشمندانی که در این مدل اتمی سهم چشمگیری داشتند ، هایزنبگ ، پلانک و شرودینگر را می توان نام برد .
البته انیشتین با ارائه فرمول های خود نیز توانست به این مدل اتمی کمک کند .
معادله شرودینگر
نگاه اجمالی
از مکانیک کلاسی می‌دانیم که در بررسی حرکت ذره ابتدا معادله حرکت آن ذره را پیدا می‌کنند و بر اساس آن در مورد چگونگی حرکت بحث می‌کنند. در حالت کلاسیک ، بطور کلی این معادله با استفاده از لاگرانژین مربوط به حرکت ذره حاصل می‌گردد. همچنین می‌دانیم که در مکان

یک کوانتومی ‌، بر اساس نظریه دوبروی در مورد ذرات دو دیدگاه موجی و ذره‌ای در نظر گرفته می‌شود و اصل مکملی نور مانع از این می‌شود که این دو تصویر را به صورت همزمان بکار ببریم. ولی برای توصیف کامل حرکت ، هر دو دیدگاه باید در نظر گرفته شوند. بر این اساس معادله‌ای که به حرکت این ذرات کوانتومی‌ حاکم است، معادله شرودینگر نامیده می‌شود.
حرکت ذره آزاد
معمولا ساده‌ترین حالت در مکانیک کوانتومی‌ حرکت یک ذره آزاد است. لفظ آزاد به این لحاظ

بکار می‌رود که این ذره تحت تاثیر هیچ پتانسیلی قرار ندارد. در این صورت معادله شرودینگر در مورد حرکت ذره مورد نظر ، با این فرض که حرکت در یک بعد صورت می‌گیرد، به صورت زیر خواهد بود:

در رابطه فوق m جرم ذره ، ثابت پلانک ، تابع موجی است که در تشریح دیدگاه موجی ، به ذره مورد نظر نسبت داده می‌شود. همچنین i یک واحد موهومی ‌است که مجذور آن برابر (۱-) می‌باشد (عدد مختلط). در این رابطه نماد بیانگر مشتق نسبی نسبت به زمان و نشانگر مشتق نسبی نسبت به مکان است.

خصوصیات معادله شرودینگر
• معادله شرودینگر نسبت به مشتق زمان از مرتبه اول است. این امر ایجاب می‌کند که وقتی مقدار اولیه تابع موج منتسب به ذره ، به عنوان مثال در لحظه t=0 معلوم باشد، مقدار آن را در هر لحظه دیگر نیز بتوان پیدا کرد. این مطلب از شکل این معادله ، یا از شکل عمومی‌ترین جواب این معادله ، که یک رابطه انتگرالی است، مشهود است.

• نکته دیگر این است که در معادله شرودینگر هیچ عدم قطعیتی وجود ندارد. به بیان دیگر ، همین که حالت اولیه تابع موج مشخص شد، در این صورت در هر زمان دیگری ، آن تابع موج کاملا مشخص می‌گردد. دلیل این مطلب در اینجاست که هیچ محدودیتی بر روی تابع موج حالت اولیه وجود ندارد.

منابع:

http://www.hupaa.com/Data/P00146.php
ویکی پدیا
physicsir.com
daneshnameroshd.ir

راسخون

powergodm.blog.ir