باسمه تعالی

کلاس شیمی ساختار اتم – قسمت دوم

تئوری اتمی رادرفورد :

     اولین تلاش شناخته شده جهت توجیه وجود الکترون در اتم توسط تامسون در سال 1904  انجام گرفت . او فرض کرد که یک اتم از یک کره الکتریکی مثبتی تشکیل یافته که در آن تعدادی الکترون کافی جهت خنثی نمودن بار مثبت ، جای گرفته است . ولی جرم یک الکترون در مقایسه با جرم یک اتم بی نهایت کم است . بدین معنی که تقریبا تمامی جرم یک اتم همراه با بار مثبت می باشد . مدل اتم تامسون که حاوی سه الکترون در کره یکنواخت الکتریسیته مثبت ( مجموع بار آن مساوی و بر خلاف بار سه الکترون ) می باشد ، در شکل نشان داده شده است .

 اینک بر اساس همین مدل یک پیش بینی می کنیم : اگر یک ذره آلفا ( He2+ ) با سرعت زیاد به یک اتم تامسون برخورد کند ، این ذره نبایستی از مسیر اولیه خود منحرف ( پراکنده ) شود ولی باید از درون اتم عبور کند . انحراف ذکر شده نتیجه دفع متقابل بار مثبت ذره آلفا و کره الکتریسیته مثبت است . ولی الکتریسیته مثبت حجم اتم را به صورت یکنواخت اشغال می کند و بدین ترتیب در یک ناحیه متمرکز نشده است . طبق استدلال تامسون ، یک ذره آلفا که وارد چنین اتمی می شود توسط الکتریسیته مثبت احاطه شده و در نتیجه به طور تقریبا یکنواخت از همه طرف دفع می شود . تامسون به این نتیجه رسید که یک اتم نبایستی بطور محسوسی یک ذره آلفا را منحرف کند . از این رو اگر یک پرتو ذرات آلفا به صفحه نازک فلزی برخورد کند ، عملا تمامی این ذرات بایستی از این صفحه نازک بدون منحرف شدن عبور کنند . ممکن است که تعدادی از آنها به مقدار کمی منحرف شوند .

یک چنین آزمایشی توسط ارنست رادرفورد با همکاری هانز گایگیر و ارنست مارسدن در سال 1909  انجام گرفت . همانطور که پیش بینی شده بود ، عملا کلیه ( تقریبا 9/99٪ ) ذرات بدون انحراف از صفحه نازک فلزی عبور کرده یا خیلی کم از مسیر اصلی خود منحرف شدند ولی آنچه باعث شگفتی آنان گردید این بود که تعداد ناچیزی از این ذرات با زوایای بس بزرگی انحراف پیدا کردند . در حقیقت مسیر جز ناچیزی از ذرات تقریبا به طور کامی به عقب برگشت . به گفته خود رادرفورد : عمل مذکور مثل این است که یک گلوله توپ پانزدن اینچی را به قطعه کاغذی شلیک کنیم و همین گلوله برگشته به ما اصابت کند و این امری است باور نکردنی .

برای توضیح نتایج فوق ، در سال 1911  رادرفورد فرض کرد که اتم بایستی تقریبا به طور کامی فضای تهی باشد . این امر عبور بیشترین ذرات در یک خط مستقیم از صفحه نازک فلزی را توجیه می کند . علاوه بر این ، جهت توضیح نیروی دافعه لازم به منظور ایجاد انحراف بزرگ مشاهده شده ، او فرض کرد که الکتریسیته مثبت اتم بایستی در حجم بسیار کوچکی ، موسوم به هسته اتم ، متمرکز باشد . لذا تقریبا تمامی جرم اتم در هسته آن قرار دارد . هر گاه یک ذره آلفا به یک هسته نزدیک شود ، آن ذره دفع می گردد. هر چه این نزدیکی بیشتر باشد ، مقدار انحراف بیشتر خواهد بود . چون اتم از لحاظ الکتریکی خنثی است ، لذا بایستی الکترون به تعداد کافی و مساوی با بار مثبت ، بدور هسته موجود باشد . فضای اشغال شده توسط الکترونها ، حجم موثر اتم را تعیین می کند .  

رادرفورد به این نتیجه رسید که تعداد واحد بار مثبت بر روی یک هسته برابر با عدد اتمی ( عدد ترتیبی در جدول تناوبی عنصرها ) می باشد . او اندازه قطر هسته را نیز محاسبه نمود . ( تقریبا 13-10 سانتیمتر ) .

اجزا تشکیل دهنده هسته :

اتم هیدروژن ( عدد اتمی یک ) شامل یک پروتون با بار 1+  ، به عنوان هسته بوده که توسط یک الکترون با بار 1-  ، احاطه شده است . فرض می شود که پروتونها جز مشترک هسته های اتمی می باشند و تعدادشان کافی است تا به یک هسته بار مشخصه مثبت آن را بدهند . برای مثال هسته هر اتم نئون ( عدد اتمی 10 ) دارای 10  پروتون است .

فقط حدود نیمی از جرم یک اتم نئون را می توان به حساب این پروتونها آورد . باقیمانده جرم مربوط به نوترونهای درون هسته است . نوترون ( عدد جرمی یک ، با جرم 00867/1 ) که از لحاظ الکتریکی ذره ای خنثی است ، در سال 1932 توسط جیمز چادویک کشف شد . عدد جرمی یک اتم عبارت از مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته می باشد :

عدد جرمی = تعداد نوترونها + عدد اتمی ( تعداد پروتونها )

بدین ترتیب سه ایزوتوپ نئون با جرمهای اتمی 99/19 ، 99/20 ، 99/21  دارای عدد اتمی یکسان ( برابر 10 ) ولی عدد جرمی متفاوت می باشند . همه هسته های نئون دارای 10  پروتون بوده ولی هسته ایزوتوپهای مربوط به اعداد جرمی 20 ، 21 ، 22  به ترتیب حاوی 10 ، 11 ، 12  نوترون هستند . هسته های ذکر شده را می توان بدین طریق بوسیله  نشان داد . عدد جرمی نزدیکترین عدد صحصح به جرم اتمی ایزوتوپ می باشد .

 ماهیت نور :

بحث مربوط به ساختمان الکترونی یک اتم تا حدی با درک ماهیت نور به هم آمیخته است که در اینجا مرور مختصری راجع به ماهیت نور آورده می شود . جیمز کلرک ماکسول در سال 1864  پیش بینی کرد که جریان متناوب الکتریسیته در مدار بسته ، انرژی را به صورت امواج الکترومغناطیسی که در خلا با سرعت نور حرکت می کنند ، منتشر می سازد . بر حسب تعریف ، یک موج انرژی را بدون انتقال ماده منتقل می کند . این پیش بینی منجر به توسعه تلگراف و رادیو شد . تعداد چنین موجها که در هر ثانیه از یک نقطه عبور می کنند را فرکانس ( f ) موج می نامند . واحد فرکانس sec-1  است . فاصله بین برجستگیهای دو موج متوالی را طول موج ( ) که در شکل نشان داده شده است می نامند . واحد طول موج متر است . سرعت موج c عبارت است از :

                   C = f

واحد c متر بر ثانیه است . نظر به اینکه سرعت امواج الکترومغناطیس ثابت ( 109×998/2  متر بر ثانیه ) است ، هر چه طول موج کوتاهتر باشد ، فرکانس بیشتر خواهد بود .

نور یک تابش الکترومغناطیسی است که یک اثر مرئی را تولید می کند . امواج نورانی از لحاظ فرکانس با امواج رادیوئی متفاوتند . امواج نوری دارای فرکانس بالاتری هستند . هیچ گونه محدودیتی ( به استثنای صفر ) در مورد طول موج موجود نیست . امواج نور مانند امواج صوت و آب قابل پراشند . این امواج ضمن عبور از یک روزنه پخش می شوند . با وجود موفقیت تئوری موجی الکترومغناطیسی در توجیه یک سلسله مشاهدات وسیع ، بسیاری از پدیده ها را می توان تنها بر اساس خواص ذره ای نور توضیح داد

. برای مثال :

1) در اواخر قرن نوزدهم میلادی بسیاری از دانشمندان توزیع طول موج و انرژی امواج نوری که توسط اجسام گداخته منتشر می گردد را مطالعه نمودند . علم در آن زمان کوانتش ناده و الکتریسیته را پذیرفت ولی باور داشت که انرژی تابشی به صورت پیوسته می باشد .

بدین معنی که تئوری موجی الکترومغناطیسی فرض می کرد که تابش نور تک رنگ می تواند دارای مقداری از بی نهایت کم تا بی نهایت زیاد باشد . ولی همه استدلالهای که بر اساس فرض فوق قرار گرفته بود در توجیه پراکندگی انرژی حاصل از راه تجربی شکست خورد . در سال 1900  ماکس پلانک به منظور توجیه آزمایشها ، لازم دید آنچه که اکنون به تئوری کوانتوم موسوم است را ابداع نماید . این تئوری بیان می دارد که : انرژی تابشی از آحاد مجزائی ( اتمهای نور ) موسوم به فوتون تشکیل شده است . همانند ماده و الکتریسیته نور کوانتیده است . انرژی یک فوتون عبارت است از :

                     E = hf

که در آن f  فرکانس تابش و h  ( 27-10×63/6  ارگ × ثانیه بر ذره ) ثابتی موسوم به ثابت پلانک می باشد . فوتونها فقط به صورت اعداد صحیح بوسیله یک جسم منتشر یا جذب می شوند . همانطور که جرم هر عنصر می تواند فقط به صورت مضرب عدد صحیحی از جرم یک اتم عنصر مربوطه باشد .

بر حسب تئوری کوانتوم ، شدت تابش الکترومغناطیسی توسط تعداد فوتونهای که در هر ثانیه به واحد سطح برخورد می کنند ، تعیین می شود .

2) هر گاه نور به فلزی برخورد کند ، از سطح آن فلز الکترون ( فوتو الکترون ) خارج می شود . چنین نشری را به عنوان اثر فوتو الکتریک می شناسند . آزمایشها نشان مبی دهد که حداکثر انرژی جنبشی الکترون خارج شده ، به فرکانس نور تک رنگ بستگی دارد . هر چه فرکانس بیشتر باشد ، انرژی جنبشی الکترونها زیادتر است . چنانچه شدت نور را افزایش دهند فقط تعداد الکترونها افزایش می یابد ، نه انرژی هر الکترون . این نتایج را می توان تنها بر حسب تئوری کوانتوم ( فوتون ) تابش توضیح داد .

( آلبرت انیشتین ، 1905 : انرژی تمام فوتونها با فرکانس معین یکسان می باشد . مقدار انرژی هر فوتون عبارت است از  hf  . برای هر فوتون جذب شده ، یک الکترون خارج می گردد. لذا ، انرژی لازم برای خارج کردن الکترون از یک سطح ( ثابتی که مشخصه ماهیت این سطح می باشد ) به علاوه انرژی جنبشی الکترون خارج شده بایستی با انرژی فوتو ن مساوی باشد :

            Hf = 1/2 mv2  +  ثابت

 m جرم الکترون و v حداکثر سرعت اندازه گیری شده آن است . این معادله پیش بینی می کند که همراه با افزایش فرکانس نور ، hf نیز افزایش پیدا کرده و انرژی جنبشی فوتو الکترونها بایستی افزایش یابد . البته تئوری مدرن تابش شامل تمام موفقیتهای تئوری موجی الکترومغناطیسی ماکسول شده و خواص ذره ای نور را توضیح می دهد .  

منبع : شیمی عمومی برشا – آرنتس – مایزلیش - تورک