همه مواد از اتم ساخته شده اند . این جزو موضوعاتی است که همگی می دانیم و جزو اولین مطالبی است که شما در کلاس های دبیرستان شیمی می آموزید. با این وجود ، اکنون نیز این مطلب که اتم چیست موضوع شگفت آوری است. همانند صد سال پیش که دانشمندان بر سر اینکه اتم دقیقا شبیه به چیست به بحث می پرداختند. در این گرافیک نگاهی به مدل های اتمی کلیدی و چگونگی تغییر آنها طی زمان انداخته ایم.
اگر چه این گرافیک از سال ۱۸۰۰ میلادی شروع به بررسی مدل ها کرده است اما ایده اتم ها به مدت ها قبل از این تاریخ بازمی گردد. در حقیقت ، برای یافتن پیدایش نظریه ها باید به دوران یونان باستان بازگردیم. کلمه “اتم” از یونان باستان آمده است که تقریبا به معنای تقسیم ناپذیر است. نظریه یونان باستان توسط چندین دانشمند مختلف بیان شده است ولی اغلب آن را به دموکریت و مربی او لوسپپوس نسبت می دهند . گر چه ایده ی آنها در مورد اتم ها ابتدایی بوده است اما با مدل های امروزی مقایسه می شوند ، آنها این ایده را مطرح کردند که هر چیزی از اتم ها ساخته شده است که کره های غیر قابل تشخیص و تقسیم ناپذیر با انواع و تعداد بی نهایت هستند.
این دانشمندان تصور می کردند که اتم ها دارای شکل های متفاوتی هستند که به نوع اتم بستگی دارد. آنها تصور می کردند که اتم های آهن دارای قلاب اند که در یکدیگر قفل می شوند که دلیلی است برای اینکه چرا آهن در دمای اتاق جامد است . اتم های آب صاف و لغزنده اند که دلیلی برای این است که چرا در دمای اتاق مایع است و می تواند خالص باشد. اگر چه ما اکنون می دانیم که این مدل درست نیست ، ایده ی آنها پایه ی مدل های اتمی آینده را گذاشته است.
در سال ۱۸۰۳ میلادی جان دالتون شیمیست انگلیسی شروع به توسعه تعریف های علمی بیشتری از اتم کرد. او با الهام از ایده ی یونانیان باستان اتم را اینگونه تعریف کرد : کوچک ، گوی های سخت تقسیم ناپذیر و این نکته که اتم هایی که عنصر را می سازند یکسان اند. نکته ی آخر تقریبا هنوز هم درست است با یک استثنا قابل توجه که وجود ایزوتوپ های عناصر مختلف است که در تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند . در هر صورت از آنجا که نوترون تا سال ۱۹۳۲ کشف نشده بود شاید بتوانیم این اشتباه دالتون را فراموش کنیم او همچنین تئوری هایی در مورد اینکه چگونه اتم ها ترکیب می شوند و ترکیبات را می سازند بیان کرد . همچنین او اولین نماد های شیمیایی برای عناصر شناخته شده را به کار برد.
تئوری اتمی دالتون یک شروع بود اما این تئوری بازهم اطلاعات زیادی در مورد طبیعت اتم ها به ما نمی دهد. تلاش های دیگری برای تعیین اینکه اتم شبیه چیست صورت گرفت مثل پیشنهادی که لرد کلوین ارائه کرد که شاید اتم ها ساختاری شبیه گرداب دارند اما این تلاش ها به نتیجه دلخواه نرسید . کمی پس از شروع قرن ۲۰ ام پیشرفت در توضیح ساختار اتمی به طور جدی شروع به رشد یافتن کرد.
اولین دستاورد در اواخر سال ۱۸۰۰ میلادی بدست آمد هنگامی که فیزیکدان انگلیسی جوزپ جان (جی جی) تامسون کشف کرد که اتم آنطور که قبلا ادعا شده بود تجزیه ناپذیر نیست. او آزمایشاتی انجام داد که در آن از اشعه های کاتدی استفاده می شد که در یک لوله خلا تولید می شد و یافت که این اشعه ها به وسیله ی بار مثبت روی صفحات فلزی جذب می شود اما به وسیله ی بار های منفی دفع می شوند. در نتیجه او متوجه شد که این اشعه ها باید بار منفی داشته باشند.
به وسیله ی اندازه گیری بار ذرات در اشعه ها ، او توانست متوجه شود که این ذرات هزار مرتبه سبک تر از هیدروژن اند . و مشاهده کرد که با تغییر فلزی که اشعه های کاتدی در آن ساخته می شوند این اشعه ها باز هم به وجود می آیند. بنابرین توانست ادعا کند که این ذرات در بسیاری از انواع اتم ها وجود دارند . او الکترون را کشف کرده بود ( اگر چه او آن را corpuscle معرفی کرد) و نشان داد که اتم ها تجزیه ناپذیر نیستند بلکه از بخش های کوچکتری تشکیل شده اند. این کشف او را به جایزه ی نوبل سال ۱۹۰۶ رساند.
در سال ۱۹۰۴ ، او مدل اتمی خود را بر اساس یافته هایش ارائه کرد که مدل کیک کشمشی نام دارد ( اگرچه خود تامسون این نام را نگذاشته بود) ، این مدل پیش بینی می کند که اتم از یک کره با بار مثبت تشکیل شده است که الکترون ها به صورت نقطه ای در سراسر این کره پراکنده شده اند مثل ذرات کشمش در کیک کشمشی . دانشمندان شروع به بررسی دقیق درون اتم کردند ، اما مدل تامسون برای مدت طولانی باقی نماند. شاگرد او شواهدی ارائه کرد که مدل تامسون را به تاریخ ملحق می کرد.
ارنست رادرفورد یک فیزیکدان اهل نیوزلند بود که او در دانشگاه کمربیج و زیر نظر تامسون درس می خواند . کار بعدی او در دانشگاه منچستر بود که شرایط نگاه بیشتر به داخل یک اتم را فراهم می کرد. این کار بعد از آن صورت گرفت که او قبلا در سال ۱۹۰۸ جایزه ی نوبل را برای تحقیقات خود در مورد شیمی مواد رادیواکتیو دریافت کرده بود .
رادرفورد یک آزمایش برا کنکاش ساختار اتم طراحی کرد که بمباران ورقه ی نازکی از طلا به وسیله ی ذرات با بار مثبت آلفا بود . ذرات آلفا بسیار کوچک بودند از این رو می توانستند از ورقه ی طلا عبور کنند و با توجه به مدل تامسون که می گوید بار مثبت در کل فضای اتم پخش شده است ، باید حداقل انحراف و یا عدم انحراف را مشاهده شود. با انجام این آزمایش او امیدوار بود که بتواند مدل تامسون را تایید کند اما هنگامی که آزمایش پایان یافت او دقیقا خلاف این کار را انجام داد یعنی عدم تایید مدل تامسون.
در طی آزمایش اکثر ذرات آلفا با اندکی انحراف یا عدم انحراف عبور کردند. با این حال تعداد بسیاری کمی از ذرات آلفا با زاویه ی بسیار بزرگی از مسیر اصلی منحرف شدند. این کاملا غیر منتظره بود .تنها توجیه ممکن این بود که بار مثبت بر خلاف آنچه که مدل تامسون بیان می کند در کل اتم پخش نشده است بلکه در یک مکان کوچک ، چگال در مرکز اتم جمع شده اند که هسته اتم نام دارد و بیشتر جرم اتم مربوط به هسته می باشد . بیشتر فضای اتم را فضای خالی در برگرفته است.
کشف هسته توسط رادرفورد به معنای این بود که مدل اتمی نیاز به یک بازنگری اساسی دارد . او مدلی ارائه کرد که شامل الکترون های در حال چرخش و هسته ای با بار مثبت بود . در حالی که این یک پیشرفت اساسی نسبت به مدل تامسون بود اما این موضوع را توضیح نمی داد که چطور الکترون ها چرخش می کنند به جای اینکه به روی هسته سقوط کنند .
نیلز بور وارد می شود . بور یک فیزیکدان دانمارکی بود که سعی در برطرف نمودن مشکلات مدل اتمی رادرفورد داشت. او متوجه شد که فیزیک کلاسیک نمی تواند رفتار ها را در سطح اتمی توجیه کند. به جای فیزیک کلاسیک او از تئوری کوانتومی برای توضیح طریقه ی قرار گیری الکترون ها استفاده کرد. مدل او وجود سطح های انرژی یا مدار های الکترونی را فرض می کند . الکترون ها تنها می توانند این سطوح خاص انرژی را اختیار کنند به عبارت دیگر انرژی الکترون ها کوانتیده است و نمی تواند هر مقداری را اختیار کند . الکترون ها می توانند بین این سطوح انرژی جابه جا شوند ( توسط بور حالت ابتدایی حالت ایستا نامیده شد) اما برای این جابه جایی مجبور به جذب یا نشر انرژی می باشند.
پیشنهاد بور یعنی سطوح انرژی پایدار برای حل مشکل سقوط الکترون ها به هسته برای محدوده ی خاص و نه به طور کامل کارامد است . دلیل دقیق کمی پیچیده تر از آن است که بخواهیم اینجا به بررسی آن بپردازیم زیرا باید به جهان پیچیده ی مکانیک کوانتومی وارد شویم که خود بور در ارتباط با آن می گوید : ” اگر مکانیک کوانتومی شما را عمیقا شوکه نکرد قطعا آن را درک نکرده اید ” به عبارت دیگر به نوعی عجیب و غریب است.
مدل بور تمامی مشکلات مدل های اتمی را حل نکرد . این مدل برای اتم های هیدروژن کار می کند اما مشاهدات اتم های سنگین تر را توجیه نمی کند . همچنین این مدل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ، یکی از قوانین ارزشمند مکانیک کوانتومی ، را نیز نقض می کند که اظهار می کند ما نمی توانیم مکان و تکانه یک الکترون را با هم بدانیم . این اصل تا سال ها پس از ارائه نظریه بور پیش بینی نشده بود.
با این وجود احتمالا هنوز هم با مدل اتمی بور بیشتر آشنا هستید از آنجا که معمولا یک از اولین چیز های معرفی شده طی دوران دبیرستان در کلاس های شیمی می باشد. هنوز هم این مدل استفاده های زیادی دارد : این مدل کاملا برای توضیح پیوند های شیمیایی و واکنش پذیری برخی گروه های عناصر شیمیایی کار آمد است.
در هر صورت این مدل هنوز هم نیاز به اصلاح دارد . با توجه به این نکته دانشمندان زیادی برای گسترش مدل کوانتومی اتم به تحقیق و تلاش پرداختند . در راس این ها فیزیکدان استرالیایی ، اروین شرودینگر بود. در سال ۱۹۲۶ شرودینگر پیشنهاد کرد که به جای حرکت در الکترون ها در مدار ها و پوسته هایی ثابت ، آنها مانند موج رفتار می کنند . این کمی عجیب به نظر می رسد اما شاید شما از قبل به یاد داشته باشید که نور می تواند هم خاصیت موجی داشته باشد و هم ذره ای و معلوم می شود که الکترون نیز می تواند چنین باشد.
شرودینگر یک سری معادلات ریاضی برای رسیدن به مدلی برای توزیع الکترون ها در یک اتم حل کرد . مدل او نشان می دهد که هسته اتم توسط ابر های چگال الکترون احاطه شده است. این ابر ها ، ابر های احتمالی اند ; گرچه ما نمی دانیم که الکترون ها دقیقا کجا هستند اما می دانیم که احتمالا در منطقه هایی از فضا یافت می شوند . این مناطق از فضا با نام اوربیتال های الکترونی شناخته می شوند.
شرودینگر به طور کامل آخرین کلام را در مورد اتم نزد ، در سال ۱۹۳۲ فیزیکدان انگلیسی جیمز چادویک ( یک دانشجوی ارنست رادرفورد) وجود نوترون را کشف کرد . تصویر ما از ذرات زیر اتمی که اتم را می سازند کامل شد . داستان اینجا پایان نمی یابد ، فیزیکدان ها همچنین کشف کرده اند که پروتون ها و نوترون ها که هسته را تشکیل می دهند خود قابل تقسیم به ذراتی که کوارک نامیده می شوند هستند. اما کوارک ها فراتر از حوزه بررسی این مطلب می باشد. در هر صورت اتم نمونه ی خوبی از این است که مدل های علمی چگونه می تواند در طی زمان تغییر کند و نشان می دهد که چگونه شواهد جدید می تواند مدل های جدید را به وجود بیاورد.
۱۴ دیدگاه
ممنونم خیلی کمکم کرد
واقعا فوق العاده دمتون گرم خدا خیرتان بدهد
سلام ممنون
بسیار کامل بود
فقط منابع چه بودند؟
میشه تفاوت یک مدل اتمی نسبت به مدل قبلی را هم بزارید؟
این مطلب هم عالی بود ، ممنون
عالیییییییییییی
عالی بود .فقط شرودینگر اتریشی بوده است
نه دانمارکیه
واااییی ممنون😍😍
ممنونم ازتون 🙂
عالیه فقط منبعش چیه؟
ممنون از زحماتتون
خوب بود
دمتون گرم عالی بود ❤️
توضیحات خلاصە و مفیدی بود.
فقط یک نکتە اینکە در ترجمە متن، شرودینگر رو بجای اتریشی، استرالیایی ترجمە کردید کە البتە زیاد مهم نیست.
سپاس