اتم - کهکشان شگفتیها

تمام مواد و اجسام اطراف ما از ذرات بسیار ریزی به نام اتم تشکیل شده اند . تئوری اتمی بیش از ۲۵۰۰ سال دستخوش تغییر و تحول بوده است . نظریه اتمی برای نخستین بار توسط دموکریتوس مطرح شد . وی معتقد بود که مواد از ذرات بسیار ریز و تقسیم ناپذیر تشکیل شده است و به همین دلیل این ذرات را اتم نامید . وی می پنداشت که اتم های مایع ، نرم ولطیف اند اما اتم های جامد ، سخت هستند . نقطه مقابل نظریه دموکریتوس ، نظریه ارسطو بود ، وی معتقد بود که مواد یکپارچه و پیوسته هستند که او این پکپارچگی را هالی نامید . مطابق این نظریه ، هالی آن قدر تقسیم پذیر است که در تجزیه آن دیگر چیزی بنام اتم باقی نمی ماند .
نظریه ارسطو تا به قرن های شانزدهم طرفدار داشت . در این بازه زمانی ، نظریه اتمی طرفدارانی نیز داشت .
بویل با تکیه بر اندیشه ذرات گاز و رفتار آن ها و همچنین در صحنه شیمی ، آنتوان لاو وازیه با انجام آزمایش هایی ، نظریه اتمی را تقویت کردند .
در این هنگام جان دالتون ، با استناد به آزمایش های خود ، نظریه اتمی خود را مطرح ساخت . به موجب این نظریه :
۱) تمام مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم تشکیل شده اند .
۲ ) اتم های یک عنصر از نظر جرم و نوع یکسان هستند اما اتم های عناصر مختلف از نظر جرم و نوع کاملاً متفاوت هستند .
۳ ) اتم تقسیم ناپذیر است .
این نظریه توانست به بسیاری از شیمی دانان در انجام آزمایش های خود کمک کند . با استناد به این نظریه ، شیمی دان ها توانستند ترکیبات مولکولی مواد را کشف کنند و همچنین قانون پایستگی جرم را در واکنش های شیمیایی بکار ببرند .
در اواسط قرن نوزدهم ، عده از دانشمندان با انجام آزمایش هایی ، تقسیم ناپذیر بودن اتم را رد کردند و پی بردند که اتم از ذرات بسیار ریزی تشکیل شده است . که به ذرات سازنده اتم ، زیر اتمی می گویند .
برای نخستین بار جان تامسون ، با استفاده از لامپ پرتو کاتدی ، به ماهیت زیر اتمی ها پی برد . وی به دو سر الکترود مثبت و منفی لامپ ، اختلاف پتانسیل الکتریکی وصل کرد ، و مشاهده کرد که پرتو کاتدی از الکترود منفی ( کاتد ) به الکترود مثبت ( آند ) می رود . سپس در مسیر پرتو کاتدی میدان مغناطیسی قرار داد و مشاهده کرد که پرتو کاتدی به سمت قطب مثبت منحرف می شود . و همچنین در این مسیر ، توربین پرّه دار قرار داد و بر اثر برخورد پرتو به توربین ، توربین شروع به حرکت می کرد .
وی با تکیه بر آزمایش های خود به این نتیجه رسید که ذرات سازنده پرتو کاتدی دارای بارالکتریکی منفی هستند و همچنین علاوه بر ماهیت موجی که پرتو دارد ، ماهیت ذره ای نیز از حود نشان می دهد . تامسون این ذرات منفی را ، الکترون نامید .
و بعد ها وی دریافت که ذرات سازنده پرتو کاتدی در تمام مواد وجود دارند . وی با استناد بر استنتاج های خود نظریه اتمی خود را مطرح ساخت . مطابق این مدل ، اتم از بار الکتریکی منفی ( الکترون ) و بار الکتریکی مثبت تشکیل شده است که به صورت یکنواخت در سراسر اتم پخش شده است .
اما دو سه سال بعد از آن رادرفورد با انجام آزمایشی ، مدل اتمی تامسون را رد کرد . او در آزمایش خود ، پرتو آلفا را ، که دارای بار الکتریکی منفی است ، به ورقه نازک طلا گسیل داد ، بر اثر این برخورد ، بخش عظیمی از پرتو از ورقه عبور کرد ، اما قسمت ناچیزی از آن ، بر اثر بر خورد ، منعکس و یا منحرف شد . وی با تکیه بر این استنتاج ، مدل اتمی خود را در صحنه رقابت مطرح ساخت . بخش عظیمی از فضا اتم خالی است و به همین دلیل بخش عظیمی از پرتو آلفا بدون انحراف از اتم عبور می کند ، اما قسمت ناچیزی از اتم توپر و متراکم است که دارای بار الکتریکی مثبت است و هنگامی که پرتو آلفا به آن برخورد می کند منعکس می شود و یا هنگامی که از نزدیکی آن عبور می کند منحرف می شود . در اطراف این منطقه توپر (هسته اتم ) الکترون ها پراکنده شده اند . و علت آنکه چرا هنگامی که پرتو آلفا از فضای اطراف هسته عبور می کند و از کنار الکترون ها بدون هیچ انحرافی به مسیر خود ادامه می دهد آن است ، که در یک اتم اندازه بارالکتریکی مثبت هسته با مجموع اندازه بار الکتریکی منفی الکترون های اطراف آن برابر است . پس مطابق مدل اتمی رادرفورد ، اتم از هسته که دارای بار الکتریکی مثبت است و در مرکز اتم قرار دارد و همچنین الکترون که در اطراف هسته قرار دارد ، تشکیل شده است .
با 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 از سطوح 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 .
طبق این مدل اتمی اتم از هسته و الکترون تشکیل شده است ، که هسته در مرکز اتم قرار دارد و الکترون ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی حرکت می کنند ( در اینجا باید توجه داشت که همه الکترون ها به دور هسته نمی چرخند بلکه در اطراف آن در حال حرکت هستند ) ، اما تعیین دقیق مکان (موضع ) و سرعت ( نوع حرکت ) الکترون ها به طور هم زمان و در یک لحظه امکان پذیر نیست . الکترون ها در اطراف هسته اتم در فضای مشخصی حرکت می کنند ، که به این فضای اطراف اتم که بیشترین احتمال وجود اتم را دارد ، اوربیتال می گویند . اوربیتال ها در واقع تراز انرژی الکترون ها را مشخص می کنند . هر کدام از این اوربیتال ها به چند زیر لایه تقسیم می شوند که الکترون های زیر لایه های یک اوربیتال ، دارای انرژی یکسانی هستند .
در مدل اتمی کوانتمی ، تجسم اتم بسیار مشکل است . به همین دلیل بعضی از افراد برای مطالعه دگرگونی های اتم در یک واکنش از مدل اتمی بور استفاده می کنند .
البته مدل کوانتمی را در صفحه های سه بعدی (رایانه ) نشان می دهند .
ورنر هایزنبرگ ، دانشمند آلمانی ، خاطر نشان ساخت که تعیین دقیق الکترون ( موضع ومکان آن ) و همچنین اندازه سرعت آن (نوع حرکت ) در یک لحظه امکان پذیر نیست
برای دیدن جسمی وهمچنین تشخیص محل آن کافیست یک فوتون را به سطح آن گسیل کنیم و با انعکاس آن فوتون از سطح و بازگشتش به حسگر های مجازی یا حقیقی ( چشم یا هر نوع حسگر مجازی که رادار ها را دریافت می کند ) ، موقعیت آن جسم را بازگو می کند . طبق قوانین پلانک در مورد امواج ، فوتون دارای طول موج و همچنین انرژی می باشد ، به همین دلیل هنگامی که به سطح جسم برخورد می کند ، مقداری از انرژی خود را به سطح جسم مقابل منتقل می کند . اما ممکن است تاثیری بر آن نداشته باشد . ( مانند برخورد نور به سطح آینه وانعکاس آن ) اما اگر بخواهیم موقعیت یا جایگاه احتمالی الکترون ها را در اطراف هسته اتم بیابیم و یک فوتون به الکترون بتابانیم ، الکترون با دریافت مقداری انرژی از فوتون ، سرعتش افزایش می یابد ، و در نتیجه می توانیم از جایگاه و محل حرکت الکترون مطلع شویم ، اما نمی توانیم از حرکت و سرعت آن سخنی بگوییم و اگر با انجام آزمایش هایی (از جمله استفاده از میدان مغناطیسی ) بتوانیم سرعت الکترون را ثبت کنیم ، در اینجا نمی توانیم به طور دقیق محل حرکت الکترون را مشخص کنیم . این بیان به عنوان عدم قطعیت هایزنبرگ شناخته شده است . پس ما در واقع اشکال اوربیتال ها را بر اساس امواجی که از الکترون ها ساطع می شود ، مجسم می کنیم .

منابع : فیزیک پایه جلد چهارم نوشته فرانک بلت .شیمی عمومی نوشته مورتیمر

منبع : سازمان آموزش و پرورش استان خراسان