• جمعه, ۲۴ آبان , ۱۳۹۸

اتم چیست

اتم چیست؟ – با اتم و ساختار داخلی آن آشنا شوید

اتم یکی از واحدهای اساسی ماده بوده و ساختار تعیین کننده ای برای عناصر مختلف دارد. اصطلاح “atom” یک واژه یونانی است که به معنای غیرقابل تقسیم می باشد. زیرا در قدیم تصور می‌شد که اتم به عنوان کوچک‌ترین ماده در جهان بوده و قابل تقسیم نیست.

اکنون با پیشرفت فناوری می دانیم که اتم از سه ذره کوچکتر به نام پروتون، نوترون و الکترون ایجاد می شود که آنها خود از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته شدند. خلق آنها به ۱۳٫۳ میلیارد سال پیش یعنی در دوران انفجار بزرگ برمی گردد. آنها در ابتدا داغ بوده و سپس سرد شدند و شرایط برای ایجاد اتم با کوارک ها و الکترون ها مناسب بود. سپس کوارک ها جهت ایجاد پروتون و نوترون ها گرد هم شکل گرفتند و این ذرات به هسته اصلی اتصال پیدا کردند. به گفته CERN این فرآیند در همان ابتدا خلقت جهان در طول مدت زمان بسیار کوتاهی انجام گرفت.

نگاهی به نظریه بیگ بنگ ( قسمت اول )

در طی ۳۸۰ هزار سال با خنک شدن جهان، الکترون کاهش سرعت پیدا کرده و اولین اتم ایجاد شد. اولین اتم ها در ابتدا به عنوان هیدروژن و هلیوم شناخته می شدند که در حال حاضر نیز از عنصرهای فراوان جهان محسوب می شوند. گرانش های موجود به ابرهای گازدار تبدیل شدند که ستاره ها را تشکیل می دهند. اتم های سنگین درون هر ستاره ای وجود دارد و هنگامی که یک ستاره می میرد، اتم درون آن منفجر شده و به دیگر قسمت ها منتقل می شود.

ذرات اتمی

پروتون ها و نوترون ها سنگین تر از الکترون ها بوده و در هسته ی مرکزی اتم قرار دارند. الکترون ها دارای جرمی بسیار سبک هستند و در مسیرهایی مشخص به دور هسته در حال گردش اند. جالب است بدانید که شعاع ابر الکترون های در حال گردش به دور هسته ، ۱۰ هزار بار بزرگتر از هسته ی اتم است.

ساختار اتم

پروتون ها و نوترون ها تقریبا از جرمی مشابه برخوردار هستند. اما جرم یک پروتون برابر با جرم بیش از ۱۸۰۰ الکترون است. تعداد الکترون ها و پروتون های حاضر در یک اتم برابر بوده و معمولا تعداد پروتون ها و نوترون ها موجود در یک اتم مشابه یکدیگر است. اگر پروتونی به اتم اضافه شود، عنصری جدید ایجاد خواهد شد. اما در صورت افزوده شدن نوترون به یک اتم ، ایزوتوپی جدید تولید می شود. ایزوتوپ ها نسخه ی سنگین تر یک عنصر هستند.

هسته اتم

هسته در سال ۱۹۱۱ میلادی توسط ارنست رادفورد ، فیزیکدان نیوزلندی کشف گردید. دانشمندی که بعدها در سال ۱۹۲۰ میلادی پروتون را به عنوان ذرات مثبت اتم معرفی نمود. هم چنین آقای رادفورد نظریه ی خود در رابطه با وجود ذره ای خنثی در داخل هسته ی اتم را نیز مطرح کرد. که این نظریه توسط آقای جیمز چادویک ، فیزیکدان انگلیسی و دانشجوی رادفورد در سال ۱۹۳۲ میلادی به اثبات رسید.

تقریبا تمامی جرم اتم در داخل هسته ی آن متمرکز شده است. ذرات پروتون و نوترون تا حد زیادی جرمی مشابه با یکدیگر داشته و طبق نتایج بدست آمده از سوی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ، حرکت زاویه ای یکسانی نیز دارند. هسته ی اتم توسط نیرویی قدرتمند (یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت) نگه داشته می شود. این نیرو ما بین پروتون ها و نوترون ها سبب ایجاد پالس های الکتریکی قدرتمند شده و سبب جداسازی پروتون ها از یکدیگر خواهد شد.

هسته ی برخی از اتم ها ناپایدار هستند. زیرا نیروی وارد شده به ذرات آن با توجه به اندازه ی هر ذره متفاوت است. و لذا اتم آنها برای تبدیل شدن به عنصری دیگر فرو می ریزند. همانند تبدیل کربن-۱۴ به نیتروژن-۱۴٫

پروتون ها

پروتون ها ذراتی هستند که در هسته ی مرکزی اتم قرار دارند. این ذرات ما بین سال های ۱۹۱۱ تا ۱۹۱۹ میلادی و توسط آقای ارنست رادفورد کشف گردید. جرم ذرات پیشرو کمی کوچکتر از نوترون ها است. به شکل جزئی تر اگر وزن نوترون ها را برابر با ۱ بدانیم ، وزن هر پروتون ۰٫۹۹۸۶ خواهد بود.

تعداد پروتون ها موجود در یک اتم ، نشان دهنده ی عنصر آن است. به عنوان مثال ، اتم های کربن دارای ۶ پروتون ، اتم های هیدورژن دارای ۱ پروتون و اتم های اکسیژن دارای ۸ پروتون هستند. از طرفی عدد اتمی هر عنصر با توجه به تعداد پروتون های اتم های آن تعیین می شود. به علاوه تعداد پروتون های حاضر در یک اتم ، نوع رفتار شیمیایی آن را نیز مشخص می کند.

پروتون ها توسط ذراتی به نام کوارک تشکیل می شوند. برای تشکیل هر پروتون به ۳ کوارک نیاز است. که از این تعداد ، ۲ کوارک دارای بار مثبت و یک کوارک دارای بار منفی هستند. هم چنین قرارگیری این سه ذره در کنار یکدیگر توسط ذره ای زیر اتمی به نام گلون انجام خواهد شد.

فیزیکدان بریتانیایی جی.جی. تامسون در سال ۱۸۹۷ میلادی موفق به کشف ذرات الکترون گردید. این ذرات دارای بار منفی هستند و از لحاظ الکتریکی جذب بار مثبت پروتون ها می شوند. فیزیکدان اتریشی آروین شرودینگر در دهه ی ۱۹۲۰ میلادی ، اعلام کرد که ذرات الکترون در مسیرهایی مشخص به نام اوربیتال ها به دور هسته ی اتم در حال گردش هستند. امروزه این نظریه به عنوان مدل کوانتومی یا ابر الکترون شناخته می شود.

جالب است بدانید که اوربیتال های نزدیک به هسته ی اتم دارای ظاهری کروی هستند. و هر چه به لایه های بیرونی آن نزدیک شویم، ظاهر آنها پیچیده تر خواهد شد. شیمیدانان می توانند با استفاده از پیکربندی الکترون ها و پیروی از اصول فیزیک ، خواص اتم ها نظیر ثبات ، نقطه جوش و هدایت آنها را تا حد زیادی پیش بینی کنند.

به طور معمول و در حوزه ی علم شیمی ، تنها پوسته ی بیرونی الکترون ها مهم بوده و پوسته ی داخلی آنها با نماد یک گاز نجیب نشان داده می شود. به طور کلی این روش ، توضیحات مربوط به مولکول های بزرگ را تا حد زیادی ساده سازی کرده است. برای مثال ، ۱s22s2 به عنوان پیکربندی الکترون های عنصر بریلیوم (Be) شناخته می شود. اما برای نوشتن آن بدین صورت عمل می کنیم: [He]2s2 ، علامت He نشان دهنده ی تعداد اوربیتال های الکترون حاضر در هسته ی اتم عنصر هلیوم است. هم چنین حروف d ، p ، s و f مشخص کننده ی شکل اوربیتال ها و تعداد الکترون هایی است که در آنها حضور دارند.

۱s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24e145d106p67s25f4 ، اعداد و حروف مذکور پیکربندی الکترون های عنصر اورانیوم را نشان می دهند. و با ساده سازی آن نتیجه ی پیشرو بدست می آید: [RN]7s25f4

نوترون ها

ذره ی نوترون به عنوان یک مرجع و مقایسه کننده برای پیدا کردن جرم نسبی ذرات پروتون و الکترون شناخته شده و جرم فیزیکی آن برابر با ۱٫۶۷۴۹*۱۰-۲۷ کیلوگرم می باشد. وجود ذرات نوترون ابتدا در سال ۱۹۲۰ میلادی و توسط ارنست رادفورد و به شکل تئوری اثبات و سپس در سال ۱۹۳۲ میلادی توسط جیمز چادویک کشف گردید. به شکل جزئی تر ، ذرات نوترون در زمان برداشتن اتم ها از یک لایه ی نازک عنصر بریلیوم یافت شدند. نوترون ها ذراتی زیر اتمی هستند که در زمان آزاد شدن هیچ نوع باری را تولید نمی کنند.

نوترون ها ذراتی خنثی هستند که در هسته ی اتم قرار دارند (به غیر از hydrogen-1). جرم این ذرات کمی بزرگتر از پروتون ها بوده و همانند آنها از قرارگیری ذرات کوارک تشکیل می شوند. به طور کلی برای تشکیل یک نوترون به دو کوارک با بار منفی و یک کوارک با بار مثبت نیاز داریم.

ایزوتوپ ها

تعداد نوترون های یک اتم ، ایزوتوپ عنصر را تعیین می کند. به عنوان مثال ، پروتیوم ، دوتریوم و تریتیوم ایزوتوپ های شناخته شده ی عنصر هیدروژن هستند. پروتیوم با نماد ۱H نشان داده شده و یک هیدروژن معمولی است. اتم های آن نیز دارای یک الکترون و یک پروتون بوده و فاقد ذره ی نوترون می باشد. دوتریوم با نمادهای D یا ۲H نشان داده شده و اتم های آن دارای یک نوترون ، یک الکترون و یک پروتون هستند. و در آخر تریتیوم با نماد T یا ۳H شناخته شده و اتم های آن دارای یک پروتون ، یک الکترون و دو نوترون هستند.

تاریخ اتم

از لحاظ تئوری ، تاریخ درک این ماده به ۴۴۰ سال پیش از میلاد و به دموکریت فیلسوف و دانشمند یونانی باز می گردد. به اعتقاد آقای Andrew G. Van Melsen ، نویسنده ی کتاب ” از اتم به اتم: تاریخ مفهومی اتم ” نظریه ی دموکریت در رابطه با اتم بر پایه ی تلاش دانشمندان قبل از آن شکل گرفته است.

مدل های اتم

به عنوان مثال ، پارمنیدس معلم دموکریت اولین شخصی است که اصول خود را در رابطه با مفهوم وجود و هویت را اعلام نمود. طبق این اصول تمام کارهایی که انجام می دهیم هویت ما را شکل می دهند. اصلی که سبب رشد دیگر دموکریت و در انتها کشف اتم گردید.

توضیح دموکریت در رابطه با اتم از یک سنگ شروع می شود. یک سنگ را در نظر بگیرید و آن را به دو قسمت مساوی تقسیم کنید. سپس آن دو قسمت را مجددا به قسمت هایی کوچکتر تقسیم نمایید. و این کار را تا زمانی ادامه دهید که دیگر نتوانید قسمتی از سنگ را به جزئی کوچکتر تقسیم کنید. توضیح دموکریت در رابطه با این ماده نیز بدین شکل است. او می گوید اتم ذره ای است که دیگر نمی توان آن را به قسمتی کوچکتر تقسیم نمود.

از دیگر ایده های وی در رابطه با این ماده می توان به موارد زیر اشاره نمود:

– برخی از آنها با هویتی جداگانه از هم وجود دارند.

– تعداد آنها در جهان قابل شمارش نیست.

– آنها قادر به حرکت هستند.

– می توانند با یکدیگر ترکیب شده و ماده را شکل دهند.

– برای تولید اتمی جدید قادر به ادغام با یکدیگر نیستند.

– قابل تقسیم شدن نیستند.

با این حال و همانند بسیاری از دانشمندان و فیلسوفان آن زمان مانند ارسطو (اعتقاد داشت که همه چیز از خاک ، هوا ، آتش و آب تشکیل شده است) نظریه ی اتمی دموکریت نیز کنار گذاشته شد. شیمیدان بریتانیایی جان دالتون ، در سال ۱۸۰۳ میلادی نظریه ی اتمی خود را معرفی و در آن از چندین ایده ی دموکریت استفاده نمود. طبق نظریه ی دالتون ، اتم ها غیر قابل تقسیم بوده و فناناپذیر هستند. هم چنین اتم ها می توانند با تولید ماده ای جدید با یکدیگر ترکیب شوند.

نظریه ی اتمی آقای دالتون شامل ایده های جدیدی بود که از مهم ترین آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

– اتم های یک عنصر خاص دارای ویژگی هایی یکسان هستند.

– اتم های یک عنصر در مقایسه با اتم های عنصری دیگر دارای وزن و ویژگی هایی متفاوت هستند.

– ماده توسط ترکیب تعدادی از آنها شکل می گیرد.

– آنها قابل ساخت نبوده و نابود نمی شوند.

منبع: livescience

مهتاب جهاندار

مطالب مرتبط

1 نظر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *