اتم :
وجود ابهامات فراوان در مورد اتم و ساختار آن تعرفيشان را به هر
شكلى در ابتداى اين بخش عذاب آور كرده اصولا تعريف جامع و كلى در
مورد اتم قادر نيست كه ذهن را به سمتى راهنمايى كند كه در نظر ما
است بلكه بايد دركى كلى از آن به دست آورد نه صرفا با به خاطر
سپردن تعريفى از آن حتى در مورد مفاهيم به ظاهر ساده آن نظير
اندازه (شعاع اتمى ) و شكل نمى توان اظهار نظر كرد . ولى مدلهاى
متفاوتى براى آن در طول زمان ارائه شده كه هر كدام به نحوى با
واقعيات سازگارتر بوده اند و در بعضى از موارد براى توجيه برخى
شواهد ناچار به بكارگيرى يكى و در توجيه مشاهده ديگرى بايد ديگرى
را به كار ببنديم برخى از اين مدلها را در شمى دبيرستان مطالعه مى
كنيم و برخى از آنها كه قديميترند اصلا به كار گرفته نمى شوند و
صرفا جنبه تاريخى از آنها به جاى مانده كه از توضيح آنها صرف نظر
مى كنيم ولى دو مدلى را كه توضيح خواهيم داد مدلهاى اتمى رادرفورد
و مدل اوربيتال الكترونى براى اتم است كه بخث فراوانى را طلب مى
كند. مختصرا به شرح مدل اتمى رادرفورد مى پردازيم .
مدل اتمى رادفورد:
در اين مدل اتمى هسته همراه با پروتونها با بار+
در مركز اتم جاى نسبتا كوچكى را اشغال كرده و الكترون ها در پوسته
هايى كه بى شباهت به پوسته هاى پياز حول مركز آن نيستند به گرد
هسته در چرخش هستند در مراجعى لفظ مدارهاى دايره وار آورده شده كه
در اين صورت الكترون به جاى پوسته حول دايره اى مى چرخد. اين
دايره تمام نقاط فضا كه حول مركز اتم
در
يك فاصله قرار گرفته اند همان پوسته كروى را نتيجه مى دهد حركت
الكترونها به دور مركز و هسته اتم مى تواند يادآور حركت سياره ها
به دور خورشيد باشد با اين اختلاف كه مدار حركت سياره به شكل دايره
است و نه يك پوسته كروى كه سياره در هر گردش بدور دايره اى جداگانه
در اين پوسته بگردد . سوالات فراوانى در اينجا پيش مى آيد . تعداد
الكترونها در اتما چگونه تعيين مى شود ؟ آيا تمام الكترونها قادر
به تغيير فاصله خود از مركز اتم هستند ؟ و نهايتا" اگر در موضوع
توجه كنيم اين سوال مهم مطرح مى شود كه آيا الكترون ها حول هسته در
فواصل مختلف انرژيهايى مختلف را مى توانند دارا باشند ؟ اين سوال
آخر شايد براى تعداى از خوانندگان كه هنوز دروس دبيرستان را
نگذرانده باشند مبهم به نظر برسد در اينجا مطالعه مراجعى در حد
كتابهاى دبيرستانى كه در آنها صحبت از انرژى پتانسيل و مخصوصا
انرژى پتانسيل الكتريكى به ميان آمده توصيه مى شود. همچنين مطالعه
در مورد ماهيت بار الكتريكى ، انواع آن و قاعده كولمب كه شايد در
مراجعه به نام كولن نام برده باشند . در يك عبارت كلى (ناچارا")
بايد بگوييم كه الكترونها و پروتونها داراى بار از نوع الكتريكى
هستند كه اندازه بار هر الكترون و پروتون باهم برابر است ولى جنس
آن متفاوت مى باشد يعنى الكترون داراى بارالكتريكى
y
و پروتون داراى بارالكتريكي+
است كه اندازه بار مى تواند به اندازه معيارى براى سنجش بار
الكتريكى به كار رود و بر اساس آن اندازه بار الكتريكى الكترون (1-
) و پروتون (1+) خواهد بود همانطور كه از قبل به خاطر داريم بار
مثبت بار منفى را جذب مى كند. در نتيجه اثر متقابلى كه بين الكترون
و پروتون در اين جذب بوجود مى آيد اين دو تا زمانى كه فاصله آنها
از هم تغيير نكرده است داراى انرژى پتانسيل قابل محاسبه اى هستند
كه با تغيير نيروى متقابل اين دو اين انرژى پتانسيل تغيير خواهد
كرد . نكته مهم در نسبى بودن انرژى پتانسيل نهفته است . پس بايد
معيارى را براى سنجش انرژى پتانسيل الكترون نسبت به بار مثبت داخل
هسته در نظر بگيريم اين كار عملا مطابق با قرار دادن سطح درياها به
عنوان مبدأ ارتفاع صفر و محاسبه انرژى پتانسيل گرانى زمين نسبت به
اين مبدأ است با مطالعه قانون كولمب متوجه خواهيم شد كه نيروى
الكتريكى با نسبت عكس محذور فاصله تغيير مى كند. اين نيرو در
هر فاصله خيلى زياد به سمت صفر مى رود ولى هيچگاه صفر نخواهد شد
ولى مى توانيم الكترون در حالتى ايده آل و كاملا جدا از هسته و بار
مثبت درون آن در نظر گرفته كه در اين حالت نيروى متقابل بين آن و
هسته صفر است و انرژى پتانسيل نيز در اين حالت صفر خواهد بود . در
دنباله محاسبات ساده اى براى انرژى پتانسيل الكترون در فواصل مختلف
از هسته را يادآورمى شويم و نشان مى دهيم كه چگونه تغيير سطح انرژى
پتانسيل الكترون در درون اتم موجب بوجود آمدن اين شاخه مورد نظر ما
از علم يعنى طيف نگارى شده ضمنا به مفهوم عنصر از ديدگاه
اتمى مى پردازيم
پتانسيل كولمب:
در اينجا بحث انرژي پتانسيل الكتريكي را كه
پتانسيل كولمب نيز ناميده مي شود را كمي بازتر
توضيح مي دهيم. اين انرژي كه معمولا با
n
نشان داده مي شود و با بارهاي دو ذره (q1q2 ) نسبت مستقيم و با فاصله آنها (r ) نسبت معكوس دارد ، يعني دو ذره باردار با بارهاي
q1
و
q2 هر چه از هم دورتر باشند انرژي پتانسيل يكي نسبت به ديگري كاهش مي
يابد و در فاصله خيلي خيلي زياد به سمت صفر ميل مي كند.
در
درون اتم دو ذره باردار كه تاكنون شناختيم يعني پروتون و الكترون
داراي بارهاي الكتريكي ناهمنام هستند و انرژي پتانسيل آنها در صورت
اعمال اين علامتها منفي خواهد بود.
هرچه
الكترون به هسته نزديكتر
باشد داراي انرژي پتانسيل منفي تري خواهد
بود.همانطور كه در نمودار انرژي پتانسيل(شكل1) مشاهده مي شود رابطه
(1) را مي توان با اعمال يك ثابت به تساوي تبديل كرد. مقدار محاسبه
شده بار الكترون در يك اتم عددي ثابت و برابر است.
بار پروتون نيز دقيقا به همان اندازه است تنها تفاوت در ماهيت
علامت اين دوبار است.كه صورت كسر بالا با اين تفسير خواهد
شد كه عدد بسيار كوچكي است. ولي با توجه به اندازه هاي بسيار كوچكي
كه اين دو ذره در يك اتم دارند مخرج كسر نيز عدد بسيار كوچكي خواهد
بود ولي در كل عدد بدست آمده براي اختلاف پتانسيل بر حسب ولت عدد
زياد جالبي براي محاسبات سريع نيست. معمولا برحسب واحد قدر مطلق
بار الكترون، كار مي كنند و آن را واحد تصور مي كنند و تغييرات
انرژي پتانسيل يك الكترون با بار كولمب
در ميان صفحات خازني به اختلاف پتانسيل 1 ولت را برابر يك
الكترون ولت (ev 1) در نظر مي گيرند. كه داراي بعد انرژي
است. و انرژي الكترون در داخل اتم را معمولا با اين واحد بيان مي
كنند. همانطور كه مي دانيم يك الكترون در داخل اتم داراي فواصل
مشخص و معيني از هسته است و در نتيجه فقط مقادير مشخصي از انرژي را
مي تواند دارا باشد.اين مطلب اولين بار از روي طيف گسسته نشري
عناصر نتيجه گيري شد.كه خود همين مطلب موضوع بحث ما است و در
انتهاي بحث به آن اشاره خواهد شد.
در ضمن انرژيهايي كه الكترونها در داخل هر عنصر مي توانند دارا
باشند در هر اتم با اتم عنصر ديگرمتفاوت است. در قبل اشاره كرديم كه الكترونها در مدل اتمي رادرفورد
بر روي لايه هايي قراردارند. در اين بحث نتيجه گرفتيم كه انرژي
آنها بستگي به فاصله اين لايه از هسته اتم دارد. و در هر عنصر اين
لايه ها در فواصل مختلفي قرار دارند و نتيجه گيري ما از اين مطالب
اين مي تواند باشدكه اختلاف انرژي بين سطوح مجاز براي الكترونها در
هر عنصر متفاوت است. الكترون با كسب انرژي ازمحيط و يا به هر طريقي
كه انرژي
كسب كند مي تواتند استقلال بيشتري از هسته پيدا كند. در نتيجه سطح
انرژي آن بالا رفته و در فاصله بيشتري از هسته قرار مي گيرد. ولي
الكترون به ناچاروقتي از هسته دور مي شود فقط مي تواند فواصل مجاز
در آن اتم را از هسته داشته باشد. يعني به لايه هاي مشخص بالاتر
برودكه اين فواصل مشخص و ثابت است. از اين طريق مقدار انرژي لازم
براي اين جابجايي نيز ثابت و مشخص و برابر اختلاف انرژي پتانسيل
الكترون
در اين دو لايه است.
معمولا نزديكترين لايه به هسته را لايه اول مي نامند.و لايه هاي بعدي
را تا بالا شماره گذاري مي كنند و آن را با
n
نشان مي دهند. مثلا لايه سوم با
n=3 نمايش داده ميشود.انرژي الكترون در هر لايه باEn نمايش مي دهند. مثلا انرژي الكتروني در لايه سوم را باE3
نمايش مي دهند.اگر
n¢<n
باشد لايه
n¢ به هسته نزديكتر است
و انرژي لازم براي فرستادن الكترون از لايهn¢
بهn
از رابطه 2 محاسبه مي شود
(2)
E=En-En¢
وقتي كه الكترون انرژي بيشتري دارا باشد به علت كسب انرژي اضافي و
بالا رفته سطح انرژي پتانسيل آن ناپايدارخواهد بود و اصطلاحا" اتمي
را كه داراي چنين الكتروني باشد اتم بر انگيخته مي نامند. در صورتي
كه انرژي از محيط گرفته شود و منبع انرژي لازم براي بر انگيخته شدن
الكترونها از ميان رود الكترونها با از دست دادن انرژي به مدارهاي
پايين سقوط مي كنند و همان ميزان انرژي را كه دريافت كرده اند آزاد
خواهند كرد تا به سطح پايدار قبلي خودشان برسند
اگر معادله شماره 2 را معكوس كنيم ميزان انرژي را كه آزاد مي شود را
مي توانيم محاسبه كنيم.
E=En¢-En آزاد شده
كه با توجه به علامت منفي كه درون
E نهفته است و همچنين بزرگتر بودن
En از En¢
با توجه به علامت E آزاد شده
داراي علامت منفي خواهد بودكه اين علامت نشان دهنده آزادشدن انرژي
است.و در نتيجه علامت مثبت در رابطه(2) نشان دهنده گرفته شدن انرژي
توسط الكترون از محيط است. همچنين ميزان انرژي لازم براي جدا كردن
يك الكترون مشخص در يك اتم نيز قابل محاسبه است. و دقيقا" اين
انرژي برابر(-En)
آن الكترون خواهد بود. مثلا اگر
الكتروني داراي انرژي13.6ev - در درون
اتم باشد مقدار
13.6ev)=+13.6ev -(-
انرژي براي جدا كردن كامل آن
از قيد هسته نياز داريم. محاسبات دقيقتر براي اين موضوع را
به شماره بعدي موكول مي كنيم
