ساختار اتمی

[Mohammad Aref 120452]

اولین جرقه ها به دنیای کوچک

از زمان یونانیان باستان در حدود 400 سال قبل از میلاد دانشمندان فکر می کردند که اتمها کوچکترین واحدهای مواد هستند. اما بعد از 2000 سال بعد در اواخر قرن 1800، شماری از آزمایشها دانشمندان را به درک صحیحتری از اتمها راهنمایی نمود. خیلی از این آزمایشها از یک لامپ اشعه کاتدی استفاده می کرد.

اشعه های کاتدی از کاتد ایجاد می شدند که یک ورقه با بار منفی بود. یک اشعه کاتدی جریانی از ذرات است که وقتی یک جریان الکتریکی از داخل لوله خلا بگذرد قابل مشاهده هستند. اشعه کاتدی به سمت یک ورقه با بار مثبت می رود که در انتهای دیگر لوله است.

شکل1-الکترون با استفاده از یک لوله اشعه کاتدی شبیه به شکل ابداع شد. بار منفی در کاتد قرار دارد.

[Mohammad Aref 120452]

آزمایشهای تامسون

در سال 1897 دانشمند انگلیسی به نام جی‏جی تامسون، خواست بداند جریان الکتریکی چطور بر اشعه کاتدی تاثیر می گذارد. او با گذاشتن ورقه های باردار در بالای و پایین لوله اشعه کاتدی، آن را کمی تغییر داد. یک ورقه با بار مثبت و دیگری با بار منفی در شکل مشخص شده است.

شکل2-لوله اشعه کاتدی

جی جی تامسون با استفاده از این دستگاه تجربی فهمید که اشعه های کاتدی به سمت ورقه با بار مثبت در بالای لوله جذب شد.

تامسون فهمید که اشعه کاتدی مسیر مستقیمی در لوله ندارد. در عوض به سمت ورقه مثبت منحرف می شوند. با توجه به این حقیقت که ذرات همنام دافعه دارند و ذرات غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند، تامسون به این نتیجه رسید که ذرات داخل لوله باید بار منفی داشته باشند. او ذرات باردار منفی کشف شده را الکترون نامید.

تامسون می توانست از لوله اشعه کاتدی برای اندازه گیری جرم ذرات باردار استفاده کند. او به این نتیجه جالب رسید که جرم یک الکترون بسیار کمتر از جرم یک اتم است. او به این نتیجه رسید که چنانچه دالتون گفته اتمها قابل تقسیم نیستند. او به این نتیجه رسید که اتمها باید بارهای مثبت داشته باشند تا بارهای منفی الکترونها را خنثی کنند. یافته های او صحیح بود چرا که اتمها خنثی هستند.

شکل3-جی جی تامسون

[Mohammad Aref 120452]

مدل اتمی تامسون

با این اطلاعات جدید تامسون مدل جدیدی برای اتمها پیشنهاد داد. در مدل تامسون، به جای آنکه اتم یک کره خنثی و یکنواخت از ماده باشد، هم بار مثبت هم بار منفی دارد. او فرض کرد یک اتم یک کره با بار مثبت است و الکترون ها به طور یکنواخت در کره پخش شده است طوری که به دانه های کشمش روی کیک می ماند. در شکل یک برش از اتمی که دانه های کروی کوچک درون آن همان الکترونها هستند نشان داده شده است.

 

شکل4-مدل تامسون اتم را به صورت توپی از بارهای مثبت معرفی کرد که الکترونها در آن قرار گرفته اند.

در سال 1906 تامسون بدلیل این پژوهش و کار با الکتریسته روی گازها جایزه ی نوبل فیزیک را از آن خود کرد. تحقیقات اخیر به این نتیجه رسیدند که یک الکترون جرمی معادل kg31-10×9.1 و باری معادل C 19-10×1.6 دارد.

[Mohammad Aref 120452]

رادرفورد و کشف هسته

هنگامی که دانشمندان پی بردند که اتم تنها یک ذره‏ی خاکی نیست و در حقیقت از ذرات زیر اتمی ساخته شده است که در داخل اتم و اطراف هسته هستند، سوالات بسیار زیادی مطرح شد.

کشف الکترونها تعجب دانشمندان را بر انگیخت و آنها را بر آن داشت که از اتم بیشتر بدانند. ارنست رادرفورد یکی از شاگردان جوزف تامسون بود. او علاقه مند شد که از مدل اتمی رادرفورد بیشتر بداند. او در سال 1911 خود صاحب شاگرد و آزمایشگاه مجزایی شد. رادرفورد از شاگردانش خواست الکترون و بارهای مثبتی را که در اتم با هم تلفیق شده بودند بررسی کند. چنانچه در بخش بعدی خواهید خواند چیزی که آنها یافتند نیز بسیار شگفت آور بود.

شکل5- رادرفورد

[Mohammad Aref 120452]

آزمایش ورقه طلا

دو تن از شاگردان رادرفورد یک سری آزمایشها ترتیب دادند که صحت مدل تامسون را بررسی کنند. ذراتی با بار مثبت به نام ذرات آلفا به سمت یک ورقه نازک از جنس طلا شلیک شدند. یک تشخیص دهنده پشت صفحه طلا با نقطه تابش و برخورد ذرات آلفا روشن می شد. رادرفورد فکر می کرد که بار مثبت اتمهای طلا در داخل اتم پخش شده است و در اثر تابش ذرات آلفای پر شتاب بار آنقدر نیست که بتواند آنها را دفع کند. پیش بینی رادرفورد این بود که ذرات آلفا تنها با کمی انحراف از ورقه طلا عبور کنند. این پیش بینی بر اساس مدل تامسون صورت گرفت.

شکل6-خروجی پیش بینی شده رادرفورد این بود که تغییری در مسیر ذرات آلفا ایجاد نمی شود.

[Mohammad Aref 120452]

نتیجه پیش بینی نشده

چیزی که اتفاق افتاد تعجب آور بود. بیشتر ذرات آلفا مسیرشان را مستقیم ادامه دادند و به صفحه تشخیص دهنده برخورد کردند و انحرافی در مسیرشان ایجاد نشد. اما این ذرات به طور محدود به حواشی و حتی به عقب متفرق شده بود. تقریباً حدود یک هشت هزارم ذرات مستقیماً به عقب بر گشته بودند. رادرفورد بعدها در مورد شگفتی اش اینطور گفت: این اتفاق کاملاً غیر منتظره بود درست مثل اینکه که یک راکت 38.1 سانتیمتری را به تکه ای از دستمال کاغذی شلیک کنید و به سمت شما برگردد و به خودتان بخورد. مدل تامسون کارا نبود، اما رادرفورد چطور فهمید؟

شکل7-آزمایش رادرفورد

 

آزمایشات رادرفورد و شاگردانش نشان داد که بیش از 99 درصد از ذرات بمباران شده به راحتی از صفحه‏ی طلا عبور کردند و تعداد کمی (یک هشت هزارم) با زاویه ای تصادفی به عقب برگشتند.

[Mohammad Aref 120452]

تفسیر حقیقت

رادرفورد فهمید که اگر بارهای مثبت به طور یکنواخت در اتم پراکنده شده باشند. باید همه ذرات آلفا از ورقه عبور کنند و انحراف بسیار کم باشد. او تشخیص داد که یک ذره آلفا با بار مثبت می تواند کاملاً به عقب باز گردد. طبق اصول مکانیک این اتفاق تنها زمانی امکان پذیر است که ذرات آلفا به چیزی بسیار سنگین تر از خود برخورد کرده باشند. فرض کنید شما در حال رانندگی با یک سرعت فوق العاده بالا هستید، اگر به یک برگ برخورد کنید اصلاً به آن توجه نمی کنید و به حرکت خود ادامه می دهید. حال اگر به یک کنده درخت برخورد کنید ممکن است از بین بروید. اگر به یک درخت برخورد کنید ممکن است به عقب بازگردید.

شکل8-احتمالاً برخورد با ذراتی به مراتب سنگین بود که باعث می شد ذرات آلفا به عقب برگردند.

 

جدول 1-خلاصه نتایج رادرفورد

[Mohammad Aref 120452]

مدل اتمی رادرفورد

رادرفورد به کمک شاگردش نتایجی گرفت که در جدول فوق آورده شده است. بیشتر ذرات آلفا مستقیماً از ورقه طلا عبور کردند. برای اینکه این اتفاق بیافتد باید بیشتر فضای اتم خالی باشد. چون برخی از ذرات آلفا به شدت از مسیر خود منحرف شده بودند ذرات آلفا باید از کنار بار مثبت زیادی عبور کرده باشند. تعداد بسیار محدودی از ذرات آلفا به عقب برگشته بودند. این ذرات می بایست با ذراتی با یک بار بزرگ مثبت برخوردی شدید داشته باشند.

با ترسیم این نتایج رادرفورد نظریه تامسون را اصلاح نمود. مدل جدید رادرفورد در شکل نشان داده شده است.

بیشتر فضای اتم در این مدل خالی است. در مرکز هسته قرار دارد. الکترونهای یک اتم با سرعت بسیار بالا در فضای خالی اطراف هسته در گردشند.

شکل9-مدل اتمی رادرفورد

 

رادرفورد نتیجه گرفت که بیشتر فضای اتم را فضای خالی تشکیل داده است که الکترون ها در آن در مسیرهای تصادفی پیرامون هسته در حال گردش هستند. او بر این عقیده بود که هسته اتم باید کوچک باشد و بار مثبت داشته باشد.

[Mohammad Aref 120452]

تکمیل مدل رادرفورد

رادرفورد از لوله اشعه کاتدی برای سایر آزمایشهایش استفاده کرد. او به دنبال تحقیق در مورد ذره با بار مثبت در هسته اتم بود. نتیجه تلاش او کشف یک ذره دیگر بود، پروتون. یک پروتون ذره ای اتمی با بار 1+ بود. رادرفورد و شاگردانش جرم تقریبی یک پروتون را می دانستند. آنها توانستند تخمین بزنند که در یک اتم چند پروتون قرار دارد. اما نتوانستند مقدار جرم کل اتم را تخمین بزنند. رادرفورد پیش بینی کرد که اتم باید ذره ناشناخته دیگری نیز داشته باشد. این ذره نوترون بود اما تا سال 1932 حضور نوترون اثبات نشد. این جیمز چادویک انگلیسی بود که وجود نوترون را اثبات کرد. نوترون یک ذره خنثی اتمی بود که در کنار پروتون هسته را پر می کرد. نوترون ها بر خلاف پروتون ها و نوترون ها باری ندارند و همین باعث شده است که شناخت آنها دیرتر صورت بگیرد. پروتون ها و نوترونها در یک میدان مغناطیسی تحت تاثیر قرار می گیرند.

[Mohammad Aref 120452]

ضعف مدل رادرفورد

مدل رادرفورد در نتیجه آزمایشهای متعدد به دست آمد اما با این همه سوالات دیگری هنوز بی پاسخ مانده بود. الکترونها چطور در اتم آرایش پیدا کرده اند؟ چطور می توان تفاوت رفتار شیمیایی عناصر را شرح داد؟ برای مثال چرا اکسیژن با فلزات به راحتی واکنش می دهد؟ چرا آرگون خیلی فعال نیست؟ یک سر نخ از مشاهده رنگ متفاوتی که عناصر روی شعله داشتند به دست آمد. هر عنصر روی شعله رنگ متفاوتی مخصوص خود ایجاد می کند. مدل رادرفورد این پدیده را توجیه نمی کرد.

شکل10-تغییر رنگ های عناصر بر روی شعله

 

دانشمندان به دنبال این بودند که بدانند چرا هر عنصری رنگ مخصوص به خود را ایجاد می کند؟ رنگ باریوم، سدیوم، استرانسیوم و پتاسیوم نشان داده شده است.

[Mohammad Aref 120452]

بور و اتم هیدروژن

در سال 1918 دانشمند نیلز بور به برخی از پرسشهایی که در مورد مدل رادرفورد وجود داشت پاسخ داد. ( بور را از عنصر بور جدا کنید). رادرفورد گفته بود که الکترونها در همه جای اتم پیرامون هسته حرکت میکنند. او گفت الکترونها ممکن است مانند توپی که به یک بند وصل است باشند. اگر به شکل نگاه کنید مشاهده می کنید که توپ در یا شعاع کم در بالای سر این پسر در گردش است. توپ انرژی زیادی ندارد و در یک دایره کوچک حرکت می کند. اگر پسر بند را کمی رها کند، توپ در یک دایره بزرگ حرکت خواهد کرد و انرژی بالاتری را خواهد داشت. بسته به انرژی دست پسر و طول بند توپ می تواند در هر نقطه ای در بالا سر او باشد. بور نشان داد که نظر رادرفورد مبنی بر حرکت الکترون در هر نقطه ای اطراف هسته درست نیست. تجارب او نشان داد که الکترون ها شبیه توپ نمی توانند در هر نقطه ای اطراف هسته حرکت کنند. الکترونها می توانند شبیه به گردش سیارات دور خورشید. تنها در دایره هایی با شعاع مشخص حرکت کنند. مانند سیارات الکترون یک شعاع مشخص پیرامون هسته را طی می کند.

شکل11- تصویر نیلز بور

 

شکل12- حضور توپ در هر نقطه دلخواه با تغییر طول ریسمان و نیروی اعمالی

هر چه شعاع بیشتر شود و سرعت افزایش یابد توپ در دایره بزرگتری می گردد. با کنترل طول ریسمان و نیروی اعمال شده توپ می تواند در هر نقطه ای حضور پیدا کند.

او با مطالعه اتم هیدروژن به این نتیجه رسید. او هیدروژن را انتخاب کرد چون ساده ترین عنصر است و تنها یک الکترون دارد.

بور به نوری که گاز هیدروژن در حالت برانگیخته ایجاد می کرد دقت کرد. اتمها وقتی که از یک شعله یا الکتریسیته انرژی می گیرند برانگیخته می شوند. شکل عنصر نئون در یک نماد تبلیغی را نشان می دهد. رنگ قرمز وقتی تولید می شود که نئون توسط برق برانگیخته می شود.

بور می خواست بداند درون اتم چه اتفاقاتی می افتد که اتم انرژی را به صورت نور آزاد می کند. آیا بین نور و ساختار اتم رابطه ای وجود داشت؟

 

شکل 13-نئون با الکتریسیته برانگیخته شده و نور قرمز می تاباند.

[Mohammad Aref 120452]

طیف هیدروژن

برای درک نوری که از اتمهای برانگیخته ساطع شده به رنگین کمان رنگها وقتی که نور از یک منشور عبور می کند فکر کنید. رنگهای قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش در یک طیف پیوسته رنگها با هم ترکیب می شوند. رنگهایی که در انتهای قرمز هستند طول موج بیشتر و انرژی کمتری دارند و رنگهایی که در سر بنفش هستند صاحب طول موج کمتر و انرژی های بالاتر هستند. نور مریی در محدوده کوچکی از طول موج های ممکن طیف الکترومغناطیسی قرار دارد. اشعه ماوراء بنفش طول موج پایینتر از نور مریی و انرژی بالاتر دارد. اشعه مادون قرمز طول موج بالاتر و انرژی کمتری از نور مریی دارد. شما نمی توانید اشعه ماوراء بنفش یا اشعه مادون قرمز را مشاهده کنید. طیف الکترومغناطیسی شامل محدوده وسیعی از طول موج ها و انرژی ها است.

انرژی الکترونها چطور به طیف الکترومغناطیسی ارتباط می یابد؟ نوری که توسط یک اتم برانگیخته تابیده می شود یک طیف پیوسته را در بر ندارد. بلکه اتم هیدروژن تنها رنگی خاص را می تاباند. باریکه های قرمز، آبی و بنفش که اتم هیدروژن ایجاد می کند طیف هیدروژن نامیده می شوند.

 

 

شکل14- از بالا به پایین؛ طیف مرئی، طیف هیدروژن،طیف نئون

 

نور منتشر شده توسط هیدروژن و نئون مانند طیف نور سفید پیوسته نیست. هر عنصر طیف مربوط به خودش را با انرژی خاص انتشار می دهد.

[Mohammad Aref 120452]

خطوط طیفی و سطوح انرژی

خط طیفی یک تک طول موج نوری است که وقتی نور ساطع شده از عنصر از یک منشور می گذرد قابل رویت است. اگر در شکل طیف اتم هیدروژن را با طیف نور سفید مقایسه نمایید متوجه خواهید شد که هیدروژن یک خط قرمز و بعد یک خط سبز دارد. تمام خطوط طیفی که در نور خورشید وجود دارد بین این دو خط از دست رفته است و دیگر دیده نمی شود.

همین اتفاق بین خطوط سبز و آبی هم اتفاق افتاده است. هر رنگ یک طول موج و انرژی متفاوت دارد. بور می دانست که اگر الکترون یک اتم برانگیخته شده بتواند به هر سطحی از انرژی برسد آنگاه طیف آن مانند نور خورشید پیوسته خواهد بود اما هیدروژن تنها طول موج خاصی از نور را آزاد می کند. این به آن معنا است که هیدروژن برانگیخته شده تنها مقادیر مشخصی انرژی را آزاد می کند. چون الکترونها مقادیر مشخصی انرژی دارند می توانند در اطراف هسته در فواصل مشخصی متناسب با مقدار انرژیشان حرکت کنند. نواحی اطراف هسته که الکترونهای یک اتم می توانند در آن حرکت کنند سطوح انرژی نامیده شد.

شکل15- تشابه سطوح انرژی با پله های نردبان

 

مانند شخصی که از نردبان بالا می رود و پا روی پله ها می گذارد. یک الکترون می تواند با جهش از یک سطح انرژی به سطح بعدی برود.

سطوح انرژی را می توان با یک نردبان مقایسه کرد. شما می توانید تنها پا روی پله های نردبان بگذارید نه در فضای بین پله ها. به طور مشابه الکترونها تنها در سطوح مشخصی حضور دارند نه بین سطوح. اگر یک الکترون از شعله یا از یک جریان الکتریکی انرژی بگیرد، می تواند از یک سطح کم انرژی به یک سطح بالاتر برود. وقتی که الکترون از سطح بالاتر به پایین برگردد انرژی آزاد می کند. در شکل نقاط قرمز نشان می دهند که سطوح انرژی فاصله یکنواختی ندارند.

شکل16- سطوح مختلف انرژی

 

الکترونها جهشی مانند نقاط قرمز دارندو به لایه های بالاتر می روند و وقتی که به لایه های کم انرژی تر بر می گردند انرژی را به صورت نور آزاد می کنند.

 

 

شکل17-هر چه از مرکز اتم دورتر می رویم انرژی کمتر می شود.

منبع: آموزش نانو