اتم - ملكول - ساختار اتم
از مدتها قبل ،انسان می داند كه تمام مواد از ذرات بنیادی یا عناصر شیمیایی ساخته شده اند. از میان این مواد،مثلاً می توان از اكسیژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .
از مدتها قبل ،انسان می داند كه تمام مواد از ذرات بنیادی یا عناصر شیمیایی ساخته شده اند. از میان این مواد،مثلاً می توان از اكسیژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .كوچكترین ذره آهن ،یك اتم آهن و كوچكترین ذره گوگرد ،یك اتم گوگرد نامیده می شود .
آهن خالص فقط دارای اتمهای آهن است و گوگرد خالصل نیز فقط اتمهای گوگرد دارد . اتمها جرمهای گوناگونی دارند .سبكترین آنها اتم هیدوژن است .
اتمهای آهن بسیار سنگینتر از هیدروژن و اتمهای "اورانیم" از اتمهای آهن سنگینترند ،یعنی جرمشان بیشتر ایت .واژه اتم ،از بان یونانی گرفته شده و معنای آن در واقع "ناكسستنی" یا "تقسیم ناپذیر" است .
امروزه ما می دانیم كه امها را هم می توان به اجزاء كوچكتر تقسیم كرد.ولی به هر حال ،اگر مثلاً یك اتم آهن را درهم بشكنیم ،اجزاء شكسته شده ،و دیگر آهن نسیتند و خصوصیات آهن را ندارند به این دلیل است كه در بسیاری از كتابهای شیمی تعریف زیر در باره واژه "اتم" آورده شده است :
"یك اتم كوچكترین سنگ بنای یك عنصرشیمیایی است كه كلیه خصوصیات ویژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسیم آن به اجزاء كوچكتر ،این خصوصیات را از دست خواهد داد ".
اتمها در مقایسه با كلیه چیزهایی كه ما در زندگی معمولی خود با آنها برخورد می كنیم ،خیلی خیلی كوچك هستند .قطر یك اتم تقریباً سانتیمتر یا ۸ - ۱۰×۱ سانتیمتراست . با ذكر یك مثال می توان پی برد كه اتمها چقدر كوچك هستند :
برروی كره زمین تقریباً ۵ میلیارد نفر زندگی می كنند. اگر هر نفر را یك اتم حساب كنیم و با این اتمها یك زنجیر بسازیم طول این زنجیر به زحمت ۵۰ سانتیمتر خواهد شد .
مولكول چیست؟ اتمها می توانند برای ایجاد ذرات بزرگنر با یكدیگر پیوند پیدا كنند و به اصطلاح "مولكولها " را تشكیل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اكسیژن با یكدیگر تشكیل یك مولكول اكسیژن را می دهند. در طبیعت اغلب اوقات اتفاق می افتد كه امهای عناصر مختلف به صورت مولكول با یكدیگر اتحاد می یابند .
یكی از معروفترین این اتحادها مولكول آب است . كه ازیك اتم اكسیژن و دو اتم هیدوژن تشكیل شده است . یك مولكول آمونیاك ،یك اتم نیتروژن وسه اتم هیدوژن دارد .
آب و آمونیاك برخلاف اكسیژن و كربن عناصر شیمیایی نیستند بلكه تركیبات شیمیایی از عناصر متقاوت هستند .كوچكترین ذره چنین تركیبی مولكول نامیده می شود .چنانچه یك مولكول آب را تجزیه كنیم خصوصیات آب از دست می رود و فقط ذرات تشكیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اكسیژن باقی می مانند كه خصوصیاتی كاملاً متفاوت با آب دراند .
مولكولهانیز مثل اتمها به طرز غیرقابل تصوری كوچك هستند دریك لیوان ـآب معمولی تقریباً ۶۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ یا ۲۴ ۱۰×۶ مولكول آب وجود دارد . اگر این لوان آب را به میزان مساوی بر روی تمام اقیانوسها و دریاهای كره زمین پخش كنیم درهر لیتر از آب دریاها ،چندین هزار مولكول از آب لیوان وجود خواهد داشت .
ساختار اتم چیست ؟ تقریباً ۷۵سال پیش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبی را كشف كرد كه فیزیك اتمی جدید را نبیان گذارد . اما اكنون به این مطلب می پردازیم .این فیزیكدان بریتانیایی یك ورق نازك طلایی را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسایی كند .
اگر مواد در یك چنین ورق فلزی بطور متناسب و یكنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسیر پرواز خود به حركت ادامه می دادند،اگر چه در این حالت كمی از سرعت ذرات آلفا كاسته می شد. تمام "ذرات آلفا" تقریباً به همین شكل رفتار كردند .البته تعداد كمی نیز كاملاً از مسیر خود منحرف شدند درست مثل اینكه به یك گلوله كوچك اما خیلی سنگین برخورد كرده باشند "رادرفورد " از این آزمایش چنین نتیجه گیری كرد كه تقریبا تمام جرم اتم طلا در یك هسته بسیار كوچك وناچیز تمركز یافته است .
هسته اتم كشف شده بود.امروز ه ما دقیقاً می دانیم ساختار اتم چیست ."اتم مانندیك منظومه شمسی كوچك است ". در مركز اتم یك هسته بسیار كوچك قرار دارد كه از نظر الكتریكی دارای با ر مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم را تشكیل می دهد به دور این هسته ذرات كوچك و بسیار سبكی كه دارای بار الكتریكی منفی هستند یعنی الكترونها در حركت هستند.
اتمها ی سنگین تر ین فلزات در وقاع دارای "ساختمانی اسفنجی " هستند و تقریبا فقط از فضای خالی تشكیل شده اند اگر هسته اتم را به برزگی یك گیلاس فرض كنیم ،ساختمان اتم با مدارهای اكترونی خود تقریبا به بزرگی "كلیسای دم " در شهر كلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقریبا برابر سانتیمتر یا ۱۲- ۱۰سانتیمتر می باشد به عبارت دیگر ۱۰۰میلیارد هسته اتم دركنار هم زنجیری به طول یك میلیمترخواهند ساخت .
ساده ترین اتم هیدروژن است . دراین اتم فقط یك الكترون به دور هسته بسیار كوچكی می گردد . در شرایط عادی این اكترون فقط پنج میلیارددم سانتیمتر یا ۹- ۱۰×۵ سانتیمتر از هسته فاصله دارد .اما این الكترون می تواند روی مدارهای دور تری نسیت به هسته نیز قرار گیرد و در اینجاست كه متاسفانه و جه تشابه بین اتم و منظومه شمسی از بین می رود .
حركت الكترون فقط روی مدارهای ویژه و معین یا به عبارت دیگر"تراز انرژی " مشخصی امكان پذیر می بادش در حالی كه سیاره ها در هر فاصله دلخواهی از خورشید می توانند حركت كنند مثلا اگریك الكترون از یك مدار داخلی یا به عبارت دیگراز یكتراز پر انرژی تر به یك مدارداخلی یا یك تراز كم انرژی تر منتقل شود مقدار انرژی به شكل یك ذره یا "كوانت نوری " یا "فوتون" رها می وشد چون فقط مدارها یا ترازهای انرژی كاملاً معینی وجود دارد در نتیجه فقط ذره های نوری یا انرژی كاملاً معینی نیز منتشر خواهند شد و به عبارت دیگردرنمودار موجی طول موجهای كاملا معینی پدیدار می شوند كه انسان ار روی آنها می تواند درتمام كیهان یك انم هیدروژن را باز شناسایی كند.
این مطلب برای سایر عناصر شیمیایی نیزصادق است زیر بنای علم "طیف نگاری و طیف شناسی " می باشد كه به كمك آن مثلا می توان تشخیص داد چه نوع اتمهایی در آتمسفر خورشید وجود دارند .
اتم ATOM
به کوچکترین ذره‌ای از ماده که ممکن است وجود داشته باشد اتم می‌گویند و فیلسوفان یونان باستان به کوچکترین ماده، غیرقابل تقسیم حتی ذهنی، اتم می‌گفتند. اما امروزه چندان در راه شناخت اتم پیش رفتند و در نتیجه دریافتند که اگر قطره آبی را آنقدر بزرگ کنیم که به بزرگی کره‌زمین برسد اتمهای آن تنها به بزرگی یک توپ بسکتبال خواد شد، یا مثلاً در مرکب نقطه‌ای که به یک جمله ختم میشود (سه میلیون میلیون ۳،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰) اتم کربن وجود دارد.
موادی نظیر کربن، اکسیژن، و هیدروژن و در حدود یک صد عنصر دیگر که کشف شده، عناصر شیمیائی می‌گویند، کلیه اشیائی که در پیرامون خود می‌بینیم از قبیل: چوب، سنگ، شیر، لاستیک و صدها و هزاران نوع دیگر، همه از ترکیب این یکصد و چند عنصر به‌وجود آمده‌اند این‌گونه اجسام مرکب را ترکیبات شیمیائی گویند.
اغلب از این صد و چند عنصر شیمیائی نادر و کمیاب بوده و در اجسام معمولی که در اطرافمان قرار دارند یافت نمی‌شوند و واقعاً هم مواد معمولی زمین، دریا، و هوا عمدتاً از سی عنصر و ترکیبات آنها ساخته شده است.
برخی از عناصر شیمیائی که نسبتاً فراوان‌تر هستند: آلومینیوم، آهن، ازت، اکسیژن، باریوم، بروم، پوتاسیم، تیتانیم، جیوه، روی، سودیوم، سرب، سیلسیوم، طلا، فسفر، فلوئور، قلع، کبالت، کربن، کلر، کلسیم، گوگرد، لیتیم، مس، منگنر، منیزیوم، نقره، نیکل، هیدروژن، و ید.
اوزان اتمی شیمیدانان بر اثر آزمایش‌های خود تعداد زیادی ترکیبات شیمیائی به‌عمل آوردند فهرستی از ارقامی که معرف اوزان اتمی عناصر است تهیه کردند مثلاً وزن اتمی اکسیژن ۱۶ و وزن اتمی منیزیم ۳۲/۲۴ و وزن اتمی هیدروژن ۰۰۸/۱ محاسبه گردید. البته باید دانست که این اعداد معنای حقیقی ندارد. زیرا نباید پنداشت که وزن یک اتم هیدروژن ده‌ها یا صدها گرم می‌باشد. حقیقت این است که در نیم کیلو هیدروژن متجاوز از ۲۵۰ میلیون میلیارد میلیارد اتم وجود دارد.
با اینکه عناصر شیمیائی بیش از صد می‌باشد که هر یک مغایر انواع دیگر است. اما معلوم شد که تنها سه نوع ذره وجود دارد.
۱. پروتون
۲. نوترون
۳. الکترون و اتم کلیه عناصر از این سه ذره ساخته شده است.
منظور از شکستن اتم چیست
کلمه «شکستن اتم» به تجزیه طبیعی یا مصنوعی هسته اتم به اجزای کوچکتر معنی میدهد ، که به تولید اتم جدید ، و آزاد شدن انرژی منجر میگردد د وقتی رادیوآکتیویته کشف شد ، معلوم گردید ، که اتمهای عناصر رادیو آکتیو خود به خود می شکنند ، و هرگز ممکن نیست شکستن این اتمها متوقف نمود ، یا سرعت شکست آنها را کم و زیاد کرد .
نخستین بار «رادر فورد» به سال ۱۹۱۹ موفق به شکستن هسته اتم ازت شد د او این کار را به کمک بمباران ازت با ذرات «آلفا» انجام داد ، و هسته های اکسیژن و ئیدروژن را بدست آورد د به این ترتیب انسان موفق شد ، عنصری را به عناصر دیگر تبدیل کرد .
اتم شکنی های اولیه با مشکلات زیادی توام بود ، زیرا در بمباران با ذرات آلفا ذره باید از چند اتم بگذرد ، تا به طور تصادفی با یک هسته برخورد کند د مسلما" ضمن عبور از اتمها نیز سرعت ذره کمتر می شود ، به دلیل اینکه ذرات آلفا و هسته ها هر دو دارای بار مثبت هستند ، و در حالت کلی همدیگر را دفع میکنند ، مگر اینکه به ذره آلفا سرعت کافی داده شود ، تا بر نیروی دفع غلبه کند . بنابراین در بمباران با ذرات آلفا حتما" باید به آنها شتاب داده شود .
وقتی در سال ۱۹۳۲ نوترون کشف شد ، بدلیل خنثی بودنش وسیله مناسبی برای شکستن اتم به حساب می آمد ، زیرا نوترون هنگام عبور از ماده با نیروهای دافع رو به رو نمیشد .در اینجا نیز مقدار انرژی حاصل از یک شکافت کم است ، و برای ایجاد انرژی بیشتر باید وسیله ای برانگیخته شود ، که شکافت هسته ها بعد از شروع مرتبا" ادامه یابد ، همچنانکه در سوختهای معمولی احتراق بعد از شروع مرتبا" ادامه می بابد . خوشبختانه رها شدن نوترونها بعد از شکافت این مشکل را برطرف میکند ، و فعل و انفعال زنجیره ای را ممکن می سازد ، که به نوبه خود هسته اتمهای دیگر را می شکافد ، و به تدریج عده نوترونها زیاد میشود و در مدتی کمتر از یک میلیونیم ثانیه ده میلیون کیلووات ساعت انرژی به وجود میاید .