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 مسیح 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 1661 و ایزاک
نیوتون در سال 1687 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 1803 تا
1808 مطرح شد. 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
-
عناصر از ذرات بینهایت کوچکی که اتم نامیده میشوند ترکیب
یافتهاند. تمام اتمهای یک عنصر یکسان و اتمهای عناصر
گوناگون متفاوتاند.
-
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.
-
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 کشید:
-
قانون
پایستاری جرم میگوید که در جریان یک واکنش شیمیایی جرم
تغییر محسوسی نمیکند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را
توضیح میدهد.
-
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
1807 و 1808 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 1832 و 1833 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
بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت شیمیایی را بدست آورد. بر
مبنای کار فارادی جرج جانسون استونی در سال 1874 به طرح این
مطلب پرداخت که واحدهای باردار الکتریکی با اتمها پیوستگی
دارند. او در سال 1891 این واحدهای الکتریکی را الکترون
نامید.
الکترونها در میدان مغناطیسی و الکتریکی منحرف میشوند.
بعدها مقدار بار الکترون در سال 1909توسط 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 سال1886
مشاهده شدند. این ذرات مثبت پروتون نامیده میشوند و
جز تشکیل دهنده تمام اتمها هستند. پروتون 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 1920 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 1932 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 1896 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 +2 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
