تحقیقی در مورد اتم و سیر تاریخی ان

همه چیز در مورد اتم و سیر تاریخی ان

مقدمه :
جان دالتون یک شیمیدان و فیزیکدان بریتانیایی بود. معروفیت او بیشتر بخاطر هواداری اش از نظریه اتمی است.
جان دالتون ۱۰ سال پیش از ثبت و اعلان استقلال آمریکا در سال ۱۷۶۶، در انگلستان زاده شد. خانواده او در یک کلبه کوچک گالی در روستایی زندگی می‎کردند. در کودکی، جان به همراه برادرش در یک مزرعه کار می‎کرد و در مغازه پدر در بافتن لباس او را یاری می‎دادند. با وجود فراهم بودن اندکی از لوازم اولیه زندگی آنها خانواده فقیری بودند، بسیاری از پسران فقیر در آن زمان از داشتن تحصیلات محروم بودند، اما جان توانست با خوش‎شانسی در مدرسه‎ای در همان نزدیک زادگاهش مشغول تحصیل شود. got یادگیری علاقه زیادی نشان می‎داد. آموزگاران نیز او را به یادگیری تشویق می‎کردند. در ۱۲ سالگی، او اولین مدرسه خود را در شهری نزدیک محل اقامتش باز کرد اما به خاطر کمبود پول مجبور به بستن آنجا و کارکردن در مزرعه عمه‎اش شد.
۳ سال بعد، به همراه برادر بزرگ تر و یکی از دوستانش مدرسه‎ای را در 0کندال) Kendall انگلیس باز کرد. به تدرس انگلیسی. لانتین، یونانی، فرانسوی و 21 موضوع علمی و ریاضی پرداخت. جان به یادگیری طبیعت و هوای اطراف خود می‎پرداخت. او پروانه‎ها، حلزون‎، و … را جمع‎آوری می‎کرد.جان دالتون پی برد که دچار کوررنگی ست و به یادگیری آن روی آورد. در ۱۷۹۳، جان به عنوان معلم خصوصی به منچستر رفت و در کالج جدید مشغول به تدریس شد. و در آنجا به مشاهده رفتار گازها پرداخت.
او به عناصر و اجزاء مختلف و چگونگی درست شدن آنها اندیشید. جان نظریه‎ای داشت که بر طبق آن، هر عنصری از اتم‎های مجزا تشکیل شده و تمام عناصر با یکدیگر متفاوت هستند زیرا اتم‎های سازنده هر کدام از آنها، با دیگری متفاوت است.
او فکر می‎کرد که هر عنصری وزن مخصوص می‎دارد، زیرا از اتم‎های متفاوتی تشکیل شده.در سال ۱۸۰۸، جان دالتون کتابی با مضمون، "نظامی نوین در فلسه شیمی" منتشر کرد که در آن وزن بسیاری از اتم‎های شناخته شده را جمع‎آوری و لیست کرده بود. مقدار عددی وزن‎هایی که او محاسبه کرده کاملاً دقیق نبودند، اما مبنایی بودند برای "جدول دوره‎ای پیشرفته"، اگرچه بسیاری نظریه دالتون در مورد ساختار اتم را نپذیرفتند، اما وی بر تحقیقات خود برای دفاع از نظریه‎اش ادامه می‎داد.
جان دالتون در سال ۱۸۴۴ درگذشت، او با افتخار در انگلستان به خاک سپرده شد. بیش از ۴۰۰۰۰۰ نفر بدن بی‎جان او را هنگام قرار گرفتن در تابوت مشاهده کردند. به عنوان آخرین تجربه و آزمایش، او از کالبد شکافی استفاده کرد تا دلیل کوررنگی خود را پیدا کند. او ثابت کرد که چشمان او دلیل این او نمی‎باشند، بلکه اشکال از قوه درک و احساس بینایی او در قسمتی از مغز او بود که از کار افتاده بود. حتی تا لحظات آخر زندگی. او به گسترش علم و دانش کمک کرد.
امروز، دانشمندان در هر جا، نظریه دالتون درباره ساختار اتم را مورد قبول می‎دانند. یک پسر ساده روستایی روش جدیدی برای اندیشیدن و نگاه کردن به عالم هستی و چگونگی کارکرد آن را به مردم و اهل دانش نشان داد.
نظریه ی اتمی دالتون:
دالتون نظریه اتمی خود را با اجرای آزمایش در هفت بند بیان کرد.
1- ماده از ذره های تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده است.
2- همه ی اتم ها یک عنصر , مشابه یکدیگرند.
3- اتم ها نه به وجود می آیند و نه از بین می روند.
4- همه ی اتم های یک عنصر جرم یکسان و خواص شیمیایی یکسان دارند.
5- اتم های عنصرهای مختلف به هم متصل می شوند و مولکول ها را به وجود می آورند.
6- در هر مولکول از یک ترکیب معین , همواره نوع و تعداد نسبی اتم های سازنده ی آن یکسان است.
7- واکنش های شیمیایی شامل جابه جایی اتم ها و یا تغییر در شیوه ی اتصال آن ها است.
نظریه های دالتون نارسایی ها و ایرادهایی دارد و اما آغازی مهم بود.
مواردی که نظریه ی دالتون نمی توانست توجیه کند:
1- پدیده ی برقکافت (الکترولیز) و نتایج مربوط به آن
2- پیوند یونی ـ فرق یون با اتم خنثی
3- پرتو کاتدی
4- پرتوزایی و واکنش های هسته ای
5- مفهوم ظرفیت در عناصر گوناگون
6- پدیده ی ایزوتوپی
قسمت اول نظریه ی دالتون تایید فیلسوف یونانی (دموکریت) بود. نظریه ی دالتون از سه قسمت اصلی (قانون بقای جرم ـ قانون نسبت ها معین ـ قانون نسبت های چندگانه) می باشد.
مطالعه ی اتم ها و ذرات ریزتر فقط به صورت غیرمستقیم و از روی رفتار (خواص) امکان پذیر است.
اولین ذره ی زیراتمی شناخته شده الکترون است. ذرات زیر اتمی شامل:
1ـ الکترون 2ـ پروتون 3ـ نوترون
مواردی که به کشف و شناخت الکترون منجر شد:
1- الکتریسیته ی ساکن یا مالشی
2- پدیده ی الکترولیز (برقکافت)
3- پرتو کاتدی
4- پدیده ی پرتوزایی

ساختار اتم
می توان هسته اتم را به عنوان جرم نقطه ای و بار آن را به صورت بار نقطه ای در نظر گرفت. هسته شامل ، تمامی بارمثبت و تقریباً تمامی جرم اتم است، در نتیجه مرکزی تشکیل می دهد که حرکت الکترونی حول آن رخ می دهد. هر چند هسته عمدتاً از طریق نیروی جاذبه کلنی خود با الکترونها ساختار اتمی را تحت تاثیر قرار می دهد اما بعضی آثار نسبتاً دقیق را در طیف های اتمی می توان به آن نسبت داد.
اجزای اصلی هسته
ذراتی که تمامی هسته ها از آنها ترکیب یافته اند پروتونها و نوترونها هستند. در حالت کلی به این ذرات نوکلئون می گویند. خواص نوکلئونها
بار پرتون
هسته اتم H (ایزوتوپ سبک اتم هیدروژن) است. پرتون دارای یک بارمثبت است که از نظر بزرگی با بار الکترون برابر است. نوترون دارای بار e 10-13 (10-18 برابر بار الکترون است) ولی چون خیلی کوچک است آن را خنثی می گیریم و لذا در برهمکنشی با الکترون نیروی ضعیفی از خود نشان می دهد.
جرم
پروتون و نوترون دارای جرم تقریباً یکسان هستند، جرم نوترون از جرم پروتون اندکی (کوچکتراز 0.1 درصد) بیشتراست. این ذرات هر دو دارای انرژی سکون حدود یک گیگا الکترون ولت هستند. تالس آب را عنصر اصلی سازنده ی جهان هستی می دانست.
ارسطو پس از تالس , سه عنصر هوا و خاک و آتش را به آب اضافه کرد. در آن زمان چهار عنصر، عناصر کاینات تصور می شد.
بویل مفهوم تازه ای از عنصر را ارائه داد (تعریف دو دانشمند یعنی تالس و ارسطو از عنصر درست نبود) به این معنی که ماده ای که نمی توان آن را به مواد ساده تری تبدیل کرد و شیمی را علمی تجربی و عملی دانست (سه ابزار یونانیان یعنی مشاهده و اندیشیدن و نتیجه گیری را کافی ندانست.)
کلیه ی مواد از اتم ساخته شده و اتم ها نیز از ۳ ذره ی اصلی به نام های :پروتون الکترون و نوترون تشکیل شده اند .الکترون ها به دور هسته که مجموعه ی پروتون ها و نوترون هاست ، روی مدارهایی می چرخند .الکترونها دارای بار منفی و پروتونها دارای بار مثبت و نیز نوترونها خنثی اند .در طبیعت اتم های مختلفی وجود دارند به طوری که هرنوع عنصر دارای اتم خاص خودش است .
هر اتم از تعداد مشخصی الکترون ، پروتون و نوترون تشکیل شده ؛ اما تتعداد ذرات یک اتم اهمیتی ندارد .
از مدتها قبل ،انسان می داند که تمام مواد از ذرات بنیادی یا عناصر شیمیایی ساخته شده اند. از میان این مواد،مثلاً می توان از اکسیژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .کوچکترین ذره آهن ،یک اتم آهن و کوچکترین ذره گوگرد ،یک اتم گوگرد نامیده می شود .
آهن خالص فقط دارای اتمهای آهن است و گوگرد خالصل نیز فقط اتمهای گوگرد دارد . اتمها جرمهای گوناگونی دارند .سبکترین 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 "ناکسستنی" یا "تقسیم ناپذیر" است .
امروزه ما می دانیم که امها را هم می توان به اجزاء کوچکتر تقسیم کرد.ولی به هر حال ،اگر مثلاً یک اتم آهن را درهم بشکنیم ،اجزاء شکسته شده ،و دیگر آهن نسیتند و خصوصیات آهن را ندارند به این دلیل است که در بسیاری از کتابهای شیمی تعریف زیر در باره واژه "اتم" آورده شده است :
"یک اتم کوچکترین سنگ بنای یک عنصرشیمیایی است که کلیه خصوصیات ویژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسیم آن به اجزاء کوچکتر ،این خصوصیات را از دست خواهد داد ".
اتمها در مقایسه با کلیه چیزهایی که ما در زندگی معمولی خود با آنها برخورد می کنیم ،خیلی خیلی کوچک هستند .قطر یک اتم تقریباً سانتیمتر یا 8 – 10×1 سانتیمتراست . با ذکر یک مثال می توان پی برد که اتمها چقدر کوچک هستند :
برروی کره زمین تقریباً 5 میلیارد نفر زندگی می کنند. اگر هر نفر را یک اتم حساب کنیم و با این اتمها یک زنجیر بسازیم طول این زنجیر به زحمت 50 سانتیمتر خواهد شد .
مولکول چیست؟ اتمها می توانند برای ایجاد ذرات بزرگنر با یکدیگر پیوند پیدا کنند و به اصطلاح "مولکولها " را تشکیل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اکسیژن با یکدیگر تشکیل یک مولکول اکسیژن را می دهند. در طبیعت اغلب اوقات اتفاق می افتد که امهای عناصر مختلف به صورت مولکول با یکدیگر اتحاد می یابند .
یکی از معروفترین این اتحادها مولکول آب است . که ازیک اتم اکسیژن و دو اتم هیدوژن تشکیل شده است . یک مولکول آمونیاک ،یک اتم نیتروژن وسه اتم هیدوژن دارد .
آب و آمونیاک برخلاف اکسیژن و کربن عناصر شیمیایی نیستند بلکه ترکیبات شیمیایی از عناصر متقاوت هستند .کوچکترین ذره چنین ترکیبی مولکول نامیده می شود .چنانچه یک مولکول آب را تجزیه کنیم خصوصیات آب از دست می رود و فقط ذرات تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن باقی می مانند که خصوصیاتی کاملاً متفاوت با آب دراند .
مولکولهانیز مثل اتمها به طرز غیرقابل تصوری کوچک هستند دریک لیوان ـآب معمولی تقریباً 6000000000000000000000000 یا 24 10×6 مولکول آب وجود دارد . اگر این لوان آب را به میزان مساوی بر روی تمام اقیانوسها و دریاهای کره زمین پخش کنیم درهر لیتر از آب دریاها ،چندین هزار مولکول از آب لیوان وجود خواهد داشت .
ساختار اتم چیست ؟ تقریباً 75سال پیش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبی را کشف کرد که فیزیک اتمی جدید را نبیان گذارد . اما اکنون به این مطلب می پردازیم .این فیزیکدان بریتانیایی یک ورق نازک طلایی را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسایی کند .
اگر مواد در یک چنین ورق فلزی بطور متناسب و یکنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسیر پرواز خود به حرکت ادامه می دادند،اگر چه در این حالت کمی از سرعت ذرات آلفا کاسته می شد. تمام "ذرات آلفا" تقریباً به همین شکل رفتار کردند .البته تعداد کمی نیز کاملاً از مسیر خود منحرف شدند درست مثل اینکه به یک گلوله کوچک اما خیلی سنگین برخورد کرده باشند "رادرفورد " از این آزمایش چنین نتیجه گیری کرد که تقریبا تمام جرم اتم طلا در یک هسته بسیار کوچک وناچیز تمرکز یافته است .
هسته اتم کشف شده بود.امروز ه ما دقیقاً می دانیم ساختار اتم چیست ."اتم مانندیک منظومه شمسی کوچک است ". در مرکز اتم یک هسته بسیار کوچک قرار دارد که از نظر الکتریکی دارای با ر مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم را تشکیل می دهد به دور این هسته ذرات کوچک و بسیار سبکی که دارای بار الکتریکی منفی هستند یعنی الکترونها در حرکت هستند. اتمها ی سنگین تر ین فلزات در وقاع دارای "ساختمانی اسفنجی " هستند و تقریبا فقط از فضای خالی تشکیل شده اند اگر هسته اتم را به برزگی یک گیلاس فرض کنیم ،ساختمان اتم با مدارهای اکترونی خود تقریبا به بزرگی "کلیسای دم " در شهر کلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقریبا برابر سانتیمتر یا 12- 10سانتیمتر می باشد به عبارت دیگر 100میلیارد هسته اتم درکنار هم زنجیری به طول یک میلیمترخواهند ساخت .
ساده ترین اتم هیدروژن است . دراین اتم فقط یک الکترون به دور هسته بسیار کوچکی
می گردد . در شرایط عادی این اکترون فقط پنج میلیارددم سانتیمتر یا 9- 10×5 سانتیمتر از هسته فاصله دارد .اما این الکترون می تواند روی مدارهای دور تری نسیت به هسته نیز قرار گیرد و در اینجاست که متاسفانه و جه تشابه بین اتم و منظومه شمسی از بین می رود .
حرکت الکترون فقط روی مدارهای ویژه و معین یا به عبارت دیگر"تراز انرژی " مشخصی امکان پذیر می بادش در حالی که سیاره ها در هر فاصله دلخواهی از خورشید می توانند حرکت کنند مثلا اگریک الکترون از یک مدار داخلی یا به عبارت دیگراز یکتراز پر انرژی تر به یک مدارداخلی یا یک تراز کم انرژی تر منتقل شود مقدار انرژی به شکل یک ذره یا "کوانت نوری " یا "فوتون" رها می وشد چون فقط مدارها یا ترازهای انرژی کاملاً معینی وجود دارد در نتیجه فقط ذره های نوری یا انرژی کاملاً معینی نیز منتشر خواهند شد و به عبارت دیگردرنمودار موجی طول موجهای کاملا معینی پدیدار می شوند که انسان ار روی آنها می تواند درتمام کیهان یک انم هیدروژن را باز شناسایی کند.
این مطلب برای سایر عناصر شیمیایی نیزصادق است زیر بنای علم "طیف نگاری و طیف شناسی " می باشد که به کمک آن مثلا می توان تشخیص داد چه نوع اتمهایی در آتمسفر خورشید وجود دارند .

الکترون نخستین ذره زیر اتمی
اجرای آزمایشهای بسیاری با الکتریسته ، مقدمه ای برای شناخت ساختار درونی اتم بوده است. کشف الکتریسته ساکن، وقوع واکنش شیمیایی به هنگام عبور جریان برق از میان محلول یک ترکیب شیمیایی فلزدار (الکتریسته یا برقکانت) ، و آزمایشهای بسیار روی لوله ی پرتو کاتدی منجر به شناخت الکترون شد. لوله پرتو کاتدی لوله ای شیشه ای است که بیشتر هوای آن خارج شده است.در دو انتهای این لوله دو الکترود فلزی نصب شده است . هنگامی که یک ولتاژ قوی بین این دو الکترود اعمال شود ، پرتوهایی از الکترود منفی (کاتد) به سمت الکترود مثبت (آند) جریان می یابد که به آن پرتوهای کاتدی می گوین. این پرتوها بر اثر برخورد با یک ماده ی فلوئور سنت نور سبز رنگی ایجاد می کنند. تامسون موفق شد نسبت بار به جرم الکترون را به کمک این آزمایشها اندازه گیری کند.

پس از آن رابرت میلیکان توانست مقدار بار الکتریکی الکترون را اندازه بگیرد. به این ترتیب جرم الکترون نیز با کمک نسبت بدست آمده تامسون محاسبه شد. بار الکترون 1/602 * 10-19 و جرم الکترون 9/109* 10-28 است.

پرتو زایی
در حالی که تامسون روی پرتوهای کاتدی آزمایش کرد، هم زمان بکرل فیزیک دانی که روی خاصیت فسفر سانس مواد شیمیایی کار می کرد با پدیده ی جالبی روبرو شد. این پدیده پرتوزایی و مواد دارای این خاصیت پرتوزا نامیده شد.

بعد از آن رادرفورد به این موضوع علاقه مند شد و پس از سالها تلاش فهمید، این تابش خود ترکیبی از سه نوع تابش مختلف آلفا ، بتا، و لاندا می باشد.

تامسون پس از کشف الکترون ساختاری برای اتم پیشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفی در فضای ابر گونه با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها می دانست ، حال آنکه فضای ابرگونه مثبت را بدو ن جرم می دانست.

رادرفورد نتوانست تشکیل تابشهای حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمی تامسون توجیه کند. و پس از آزمایشهای بسیار ، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد. او در آزمایش خود ورقه نازکی از طلا را با ذرههای آلفا بمباران کرد، به امید آنکه همه ی ذره های پرانرژی و سنگین آلفا که دارای بار مثبت نیز هستند با کمترین انحراف از این ورقه نازک طلا عبور کنند. اما مشاهده کرد که تعداد کمی از ذرات منصرف شده خارج می شوند و تعداد بسیار کمی از آن به طور کامل منحرف شده و به عقب برمی گردند.

پس نتیجه گرفت که حتماً یک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهای مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم نیز در درون این هسته است که توانایی به عقب راندن ذره های سنگین و پرانرژی آلفا را دارد.
رادرفورد با استفاده از نتایج این آزمایش مدل "اتم هسته دار" را پیشنهاد کرد.

دیگر ذره های سازنده اتم
پروتون ذره ای با بار نسبی +۱ و جرمی ۱۸۳۷ با رسنگین تر از جرم الکترون ، دومین ذره ی سازنده اتم است.
نوترون ذره ای است که بار الکتریکی ندارد و جرم آن برابر جرم پروتون است ، سومین ذره ی سازنده اتم است.
عدد اتمی ، عددی است که تعداد پرتون ها را در اتم مشخص می کند و با Z نشان داده می شود.
از آنجا که اتم ذره ای خنثی است، بنابر این تعداد الکترونها و پروتونهای آن باید برابر باشد، پس عدد اتمی تعداد الکترونها در یک اتم را نیز مشخص می کند.

عدد جرمی و ایزوتوپها
به مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای یک اتم عدد جرمی می گویند. عدد جرمی با A نشان داده می شود. A = Z+ N
اندازه گیری جرم اتمها با کمک دستگاه طیف سنج نشان می دهد که همه اتمهای یک عنصر جرم یکسانی ندارند. از آنجا که عدد اتمی در واقع تعداد پروتونها در همه اتمهای یک عنصر یکسان است، پس تفاوت جرم باید مربوط به تعداد نوترونهای موجود در هسته ی اتم باشد. این مطالعات به معرفی مفهوم ایزوتوپ انجامید. ایزوتوپها اتمهای یک عنصر هستند که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند. برای مثال آزمایشها وجود دو ایزوتوپ کلر – ۳۵ (CL۳۵۱۷) و کلر – ۳۷ (CL۳۷۱۷) را به اثبات رسانده است.

شیمی دانها اطلاعات هر اتم را بصورت زیر می نویسند:

جرم یک اتم
شیم دانها برای بیان جرم عنصرها بدین صورت عمل کردند که فراوان ترین ایزوتوپ کربن یعنی کربن ۱۲ (126C) را بعنوان استاندارد انتخاب کردند و جرم عنصرهای دیگر را با استفاده از نسبتهایی که در محاسبات آزمایشگاهی بدست آمده بود، بیان کردند.

به عنوان مثال جرم اتم اکسیژن ۱/۳۳ برابر جرم اتم کربن است. با توجه به اینکه جرم اتم کربن ۱۲ می باشد جرم اتم اکسیژن را محاسبه کرد. در این مقیاس جرم اتم اکسیژن برابر ۱۶/۰۰۰ خواهد شد.
واحد جرم اتمی amu است که کوتاه شده ی عبارت atomic mass unitاست. در این مقیاس جرم پروتون و نوترون lamu است.
با توجه به وجود ایزوتوپها و تفاوت در فراوانی آنها، برای گزارش جرم نمونه های طبیعی از اتم عنصرهای مختلف جرم اتمی میانگین بکار می رود.

طیف نشری خطی
رابرت بونزن شیمیدان آلمانی دستگاه طیف بین را طراحی کرد. هنگامی که او مقداری از یک ترکیب مس دار مانند کات کبود را در شعله ی مشعل دستگاه قرار داد، مشاهده کرد که شعله از آبی و سبز تغییر رنگ داد. او این نور سبز رنگ را از یک منشور عبور داد و الگویی مانند شکل ۴ بدست آورد. او این الگو را طیف نشری خطی نامید. هر فلز طیف نشری خطی خاص خود را داراست و مانند اثر انگشت می توان از این طیف برای شناسایی فلز مورد نظر بهره گرفت.

مدل اتمی بور
در سال ۱۹۱۳ نیلز بور دانشمند دانمارکی مدل تازه ای را برای اتم هیدروژن با فرضهای زیر ارائه کرد:
1- الکترو در اتم هیدروژن در مسیری دایره ای شکل به دور هسته گردش می کند.
2- انرژی الکترون با فاصله ی آن از هسته رابطه مستقیم دارد.
3- این الکترون فقط می تواند در فاصله های معین و ثابتی پیرامون هسته گردش کند. در واقع الکترون تنها مجاز است که مقادیر معینی انرژی را بپذیرد. به هریک از این مسیرهای دایره ای، تراز انرژی می گویند.
4- این الکترون معمولاً در پائین ترین تراز انرژی ممکن قرار دارد. به این تراز انرژی حالت پایه می گویند.
5- با دادن مقدار معینی انرژی به این الکترون می توان آن را از حالت پایه (ترازی با انرژی کمتر) به حالت برانگیخته (ترازی با انرژی بالاتر) انتقال داد
6- الکترون در حالت برانگیخته ناپایدار است ، از این رو همان مقدار انرژی را که پیش از این گرفته بود از دست می دهد و به حالت پایه برمی گردد.
به این گونه انرژی که بصورت یک بسته ی انرژی مبادله می شود، انرژی کوانتومی یا پیمانه ای می گویند. بور با کوانتیده در نظر گرفتن ترازهای انرژی توانست طیف نشری خطی هیدروژن را توجیه کند.

هندسه دوجینی و ساختار اتم
ابتدا باید بدانیم که مفهوم عبارات ( اصطلاحات ) زیر در فیزیک چیست ؟

1- طیف اتمی :
همانطور که می دانیم نیوتن با گذراندن نور خورشید از منشور ، طیف نور سفید را تجزیه کرد . نیوتن نشان داد که نور سفید آمیزه ای از رنگهای مختلف است . گستره ی طول موج این رنگها از 0.4 میکرون ( بنفش مریی ) تا 0.7 میکرون ( قرمز مریی ) میباشد . طیف نور سفید یک طیف پیوسته است . به همین ترتیب می توان طیف هر نوری را توسط پاشندگی در منشور شناسایی کرد . طیف نور گسیل شده از بخار هر عنصری را طیف اتمی آن عنصر می نامند . طیف اتمی عناصر مختلف با هم تفاوت دارد . اما علت اینکه در طیف اتمی خطوط مختلفی دیده می شود چیست ؟

2- خوط طیفی :
طیف اتمی ، مستقیما به ترازهای انرژی اتم نسبت داده می شود . هر خط طیفی متناظر یک گذار خاص بین دو تراز انرژی یک اتم است . پس آنچه در طیف نمایی دارای اهمیت است ، تعیین ترازهای انرژی یک اتم به کمک اندازه گیری طول موج های طیف خطی گسیل شده از اتم ها است . پایین ترین تراز انرژی ، حالت پایه است و همه ترازهای بالاتر ، حالت های برانگیخته نامیده می شوند . طبق تعاریف فعلی موقعی که یک اتم از حالت برانگیخته بالاتر به یک حالت برانگیخته پایین تر گذر کند ، موج الکترومغناطیس ( یک طیف نور حامل انرژی ) متناظر به یک خط طیفی گسیل می شود . البته بعدا توضیح خواهیم داد که برعکس این قضیه نیز صادق است یعنی با جذب انرژی توسط ترازهای انرژی ، اتم به یک حالت برانگیخته ی بالاتر صعود و با دفع انرژی به یک حالت پایین تر انرژی نزول ( گذر ) می کند .

تصویر فوق طیف نشری خطی عنصر آهن را نشان می دهد

– 3طیف نشری
اگر جسمی نور تولید کند و نور تولید شده را از منشوری عبور دهیم ، طیفی به دست می آید که طیف نشری نامیده می شود . اگر رنگ های طیف حاصل به هم متصل باشند ، طیف نشری اتصالی و اگر بین آنها فاصله ای باشد ، طیف نشری را انفصالی یا خطی می نامند . به عنوان مثال لامپ حاوی بخار یا گاز بسیار رقیق را در نظر بگیرید . این لامپ به صورت لوله باریک شیشه ای است که درون آن یک گاز رقیق در فشار کم وجود دارد . دو الکترود به نام های کاتد و آند در دو انتهای لوله قرار دارند . اگر بین این دو الکترود ، ولتاژ بالایی برقرار شود ، اتم های گاز درون لامپ شروع به گسیل نور می کنند . اگر این گاز مربوط به هلیم باشد ، به رنگ زرد مایل به سبز روشن است که اگر آن را از منشور بگذرانیم ، می بینیم که این طیف پیوسته نیست . بلکه تنها از چند خط رنگی جدا از هم با طول موج های معین تشکیل شده است . یعنی تصویر زیر :

– 4طیف جذبی
در سال 1814 فرانهوفر کشف کرد که اگر به دقت طیف خورشید را برسی کنیم ، خط های تاریکی در طیف پیوسته ی آن مشاهده خواهیم کرد . این مطلب نشان می دهد که بعضی از طول موج ها در نوری که از خورشید به زمین می رسد ، وجود ندارد و به جای آنها ، در طیف پیوسته نور خورشید خط های تاریک ( سیاه ) دیده می شود . اکنون می دانیم که گازهای عناصر موجود در جو خورشید ، بعضی از طول موج های گسیل شده از خورشید را جذب می کنند و نبود آنها در طیف پیوسته ی خورشید به صورت خط های تاریک ظاهر می شود . در اواسط قرن نوزدهم معلوم شد که اگر نور سفید از داخل بخار عنصری عبور کند و سپس طیف آن تشکیل شود ، در طیف حاصل خطوط تاریکی ظاهر می شود . این خطوط توسط اتم های بخار جذب شده اند .

در واقع هم در طیف گسیلی و هم در طیف جذبی هر عنصر ، طول موج های معینی وجود دارد که از ویژگی های مشخصه آن عنصر است . طیف های گسیلی و جذبی هیچ دو عنصری مثل هم نیست . اتم هر عنصر دقیقا همان طول موج هایی را جذب می کند که اگر دمای آن به اندازه کافی بالا رود و یا به هر صورت دیگر برانگیخته شود ، آنها را تابش می کند .
این طیفهای جذبی و نشری همگی مربوط به ترازهای انرژی و یا بهتر است بگوییم به لایه ها و زیر لایه های اتم عناصر مربوط میشود زیرا در هندسه فضایی همانگونه که برای مشخص کردن مکان یک شی در فضای سه بعدی به سه پارامتر طول ، عرض و ارتفاع ( x y z ) نیاز داریم ، برای مشخص کردن هریک از اوربیتالهای یک اتم نیز به این چنین پارامترهایی نیاز داریم . به این منظور از سه عدد m1 , l , n استفاده شده است که اینها به اعداد کوانتومی مشهورند .
n عدد کوانتومی اصلی نامیده میشود ، در مدل کوانتومی به جای ترازهای انرژی از واژه ی لایه های الکترونی استفاده میشود و n سطح انرژی آنها را معین می کند . n=1 پایدارترین لایه ی الکترونی را نشان میدهد و هر چه مقدار n بالاتر رود سطح انرژی لایه ی الکترونی افزایش می یابد ( یعنی برای بالا بردن الکترونها در لایه ها ، مرحله به مرحله به انرژی بیشتری نیاز داریم ) . اطراف هسته ی اتم حداکثر هفت لایه الکترونی شناخته و شناسایی شده است که همگی منطبق با تناسبات موجود در مدارها و میان مدارهای رسم شده در شکل توسعه یافته ستاره داوود می باشند .

نظریات جامع بور
در سال 1913 درست دو سال بعد از اینکه رادرفورد موضوع هسته اتم را مطرح کرد ، سلیس بور فیزیکدان بزرگ دانمارکی مدلی برای اتم هیدروژن پیشنهاد کرد که نه تنها حضور خطوط طبف را توضیح می داد بلکه بی هم پارامتر قابل تنظیمی – طول موجهای این خطوط را هم با دقتی در حدود 02/0 درصد پیشگویی می کرد ، نظریه بور اگرچه در مورد اتم هیدروژن و سایر اتمهای تک الکترونی مثل He+ به نحو قابل تحسین موفق بود اما برای اتمهای پیچیده تر چندان مفید از آب در نیامد . امروزه نظریه بور به عنوان اولین فکر استادانه و خلاقی در بحث نظریه کوانتوم جامعتری که به دنبال آن ساخته و پرداخته می شود . طول موجهای خطوط طیف هیدروژن اتمی را می شود با دقت خیلی زیاد از یک فرمول تجربی بدست آورد این فرمول را اولین بار یوهانس بلمر ارائه کرد . صورت تعمیم یافته این فرمول ، که ریدبرگ آن را تدوین کرد ، این است
ثابت ریدبرگ نامیده می شود و مقدار .(اندازه گیری شده) آن برابر است با کمیتهایی در فرمول بالا اعداد صحیح مثبت اند . اگر را برابر با 2 بگیریم وبرای مقادیر 5و4و3و… را اختیار کنیم طول موجهای خطوطی از طیف هیدروژن که به سری بالمر معروف است در شکل زیر بدست می آید .
به ازای مقادیر دیگر طول موجهای مربوط به سری های دیگری از خطوط این طیف حاصل می شوند که وقتی بود نظریه اش را تدوین می کرد هنوز شناخته نشده بودند . مساله ای که بورمی بایست درباره آن تلاشی می کرداین بود : پیداکردن یک مبنای نظری بررسی رابطه بالا یعنی برای فرمول موفق ولی تجربی بالمر ریدبرگ .
بورکه می دید فیریک کلاسیک در حل مساله اتم هیدروژن به بن بست رسیده است، دو اصل موضوع متهورانه را مطرح کرد هر دو این اصول ماندگار از آب درآمدند تا آنجا که در دیدگاه امروزی هم نقش مهمی دارند . بعلاوه معلوم شد که کاملاٌ عمومیت دارند و نه تنها در مورد اتم هیدروژن بلکه در مورد همه نوع سیستمهای اتمی ف مولکولی ، هسته ای صدف می کند . حالا این دو اصل موضوع را شرح می دهیم .
1- اصل موضوع حالتهای مانا : بور فرض کرد که اتم هیدروژن می تواند بی آنکه تابش کند در تعدادی حالتهای مانا که هر یک انرژی کاملاٌ مشخص دارند قرار گیرد . این فرض اصلاٌ با فیزیک کلاسیک جور در نمی آید اما بور می گفت : " در هر حال فرض می کنیم تا ببینیم چه می شود " . توجه کنید که در این فرض هیچ چیزی درباره اوضاع این حالتها گفته نمی شود : مثلاٌ هیچ حرفی از مدارها به میان نمی آید .
2- اصل موضوع بسامد : بور کرد اتم هیدروژن فقط وقتی می تواند به گسیل یا جذب تابش بپردازد که اتم از یکی از حالتهای مانای خود به حالت مانای دیگر برود . انرژی فوقانی که گسیل ( یا جذب ) می شود برابر با اختلاف انرژی این دو حالت است . بس اگر اتم از حالت اولیه ای با انرژی En به حالتی نهایی با انرژی ( کفر ) Em منتقل شود ، انرژی فوقانی که گسیل می شود از رابطه زیر به دست می آید :

اصل موضوع بور در مورد بسامد
این اصل موضوع دو اندیشه جدید ( فرضیه فوتون و کوانتیدگی انرژی ) را به یک مفهوم قدیمی ( پایستگی انرژی ) پیوند می دهد . و حالا بور می بایست فرمول تجربی بالمر – ریدبرگ را برحسب این اصولی که وضع کرده بود تفسیر می کرد برای شروع مطلب فرمول بالا – رید برگ را به شکلی مناسب با چارچوب کلی اصل موضوع بسامد ( سی دله بالا ) در می آوریم . اگر طرفین معادله بالمر رید برگ را در hc ضرب کنیم و به جای معادلش را قرار دهیم می توانیم بنویسیم .
اگر این معادله را به جمله به جمله با معادله اصل موضوع بور در بسامد مقایسه کنیم نتیجه
می گیریم :

که انرژی های حالتهای مانای اتم هیدروژن را به دست می دهد . منفی بودن انرژی گویای آن است که الکترون به اتم مقید است ، یعنی گسستن آن مستلزم انجام کار توسط عامل خارجی است . سیستم زمین – خورشید هم درست به همین ترتیب در حالت مقید است باید یک عامل خارجی کار انجام بدهد تا بتواند به نیروی گرانشی که این ستم را پیوسته نگه داشته است غلبه کند و آن را از هم بگسلد . شکل پائین نمودار تراز انرژی برای اتم هیدروژن است ، که در آن انرژی ترازها از فرمول En محاسبه شده است . هر ترازی با عدد کوانتومی ( n ) مربوط به خودش مشخص شده است . پیکانهای رو به پایین که دوتراز را به هم وصل می کنند ، بنا به اصل موضوع بسامد نماینده گسیل فوتون اند طول موجهای بعضی از خطوطی که در این شکل نشان داده شده در جدول زیر آمده است .
معادله En هنوز انتهای راهی نیست که ورطی کرد . در این مرحله ثایت ریدبرگ ( در فرمول انرژی ) را بیان کردن این ثابت برحسب ثابتهای فیزیکی دیگری است که معلوم باشند . و این همانطور که خواهیم دید ، دقیقاٌ همان کاری است که بور در مرحله بعدی انجام داد .
تلاش بعدی بور این بود که ثابت ریدبرگ ( R ) را بر حسب کیتهای معلوم بیان کند . او برای انجام این کار به اصل تطابق متوسل شد . این اصل می گوید که : نظریه کوانتومی باید در حد – حدی که در ان نتایج نظریه کلاسیکی ، با نتایج تجربی سازگار است – با نظریه کلاسیکی همسان باشد .

مدل کلاسیکی اتم
را در نظر می گیریم و فرض می کنیم بار هسته ( برای عمومیت داده به مسئله ) برابر باZe با اتم هلیم یکبار یونیده و به ازای Z=3 با اتم هلیم دوبار یونیده متناظر است . با استفاده از مکانیک نیوتونی می شود تعدادی از مشخصات سیستم را بر حسب شعاع مدار ( r ) بیان کرد . فعلاٌ دو تا از این مشخصات به کار مربوط می شوند که یکی بسامد گردش ( V ) الکترون در مدار ، و دیگری انرژی کل ( E ) است . عبارتها از این قرارند :
در این روابط کلاسیکی ، البته هیچ نشانی از کوانتیدگی نیست . این عبارتها صرفاٌ حاکی از آن اند که با معلوم بودن ضعاع مدار می توانیم بسامد زاویه ای الکترون و انرژی کل سیستم را به راحتی محاسبه کنیم . اگرr را بین دو عبارت بالا حذف کنیم ، رابطه ای میان فرکانس زاویه ای و انرژی حاصل می شود که به صورت زیر است .
شاخص " کلا " را نیز r نوشته ایم تا یا دمان باشد که این رابطه را بر مبنای مکانیک کلاسیک بدست آورده ایم ازمقدار E را در رابطه بالا قرار بدهیم ، عبارت کلاسیی نهایتی برای بسامد زاویه ای را به صورت زیر بدست می آید .
در فیزیک کلاسیک ، این بسامد زاویه ای گردش الکترون بسامد تابشی که گسیل می شود هم است . حالا موضوع رااز دیدگاه کوانتمی بررسی می کنیم در توصیف کوانتمی ، بسامد متناظر بابسا مد کلاسیکی کوا V است . که مربوط می شود به گذار از حالتی با عدد کوانتمی n به حالت پایین تر بعدی با عدد کوانتمی n-1 از رابطه به ازای m=n-1 نتیجه می شود که :
این عبارت در حد اعداد کوانتمی بزرگ باید با رابطه کلاسیکی موافق باشد به ازای
نتیجه می شود :
که همان رابطه ای است که می خواهیم .
حالا به جایی رسیده ایم که می توانیم اصل تطابق را اعمال کنیم . این اصل می گوید که در حد اعداد کوانتمی بزرگ ، بسامد کوا v که از رابطه ( کوانتمی ) محاسبه شده است باید با بسامد کلاv که از رابطه ( کلاسیکی ) بدست آمده است معادل باشد . عملکرد این اصل را در جدول می بینیم.
از مساوی قرار دادن دو رابطه و ثابت ریدبرگ به صورت زیر بدست می آید :
این همان چیزی است که می خواستیم پیدا کنیم .
رابطه یک مقدار نظری برای ثابت ریدبرگ برحسب ثابتهای بنیادی دیگر – بار e و جرم me الکترون ، سرعت نور c و ثابت پلالک h- بدست می دهد . بور با استفاده از داده هایی که در زمان خودش برای این ثابتها میسر بود سازگاری خوبی بیان این پیشگویی نظری R و مقدار تعیین شده تجربی آن پیدا کرد ، امروز اختلاف بین توافق فقط در محدوده فوق العاده کوچک خطای آزمایشی است .
حالا می توانیم ثابت رسیدبرگ را از لحاظ نظری تعیین شده بدانیم . اگر مقدار R را از رابطه قرار بدهیم نتیجه می شود .
که یک عبارت کاملاٌ کوانتمی برای امرژی حالتهای مانای اتم هیدروژن است ، و در واقع پیروی نهایی را بدست می دهد به همان صورت به مکانیک کوانتمی جدید کشاند شده اند .
مثال :
مدار بور – چند نتیجه کلاسیکی . می خواهیم قانون دوم نیوتون ( F=mea ) را به حرکت الکترون در مدار کلاسیکی شکل اعمال کنیم . نتایج حاصل با آنکه مبتنی بر نظریه کلاسیکی اند اما در حداعداد کوانتمی بزرگ معتبر خواهند بود ، برای عمومیت دادن به مسئله بار هسته را به جای e برابر باze می گیریم ، z عدد اتمی است و z=1 هیدروژن را مشخص می کند . همچنین فرض می کنیم که جرم هسته خیلی بزرگتر از جرم الکترون است .
از تلفیق قانون نیروی کولن با قانون دوم نیوتون نتیجه می شود که :
V سرعت الکترون در مدار است که از معادله بالا به صورت زیر بدست می آید .
که اگر شعاع مدار معلوم باشد . می توانیم مقدار ان را محاسبه کنیم .
با استفاده از نتیجه بالا می شود عبارتی برای بسامد گردش الکترون در مدار بدست آورد :
برای انرژی جنبشی نتیجه می شود :

و انرژی پتانسیل از رابطه زیر بدست می آید .
بنابراین ، انرژی مکانیکی کل برابر است با :
علاوه بر اینها می توانیم ( با استفاده از عبارتی که برای v بدست آمد ) نشان بدهیم که تکانه زاویه ای به صورت زیر بیان می شود .
پس اگر شعاع مدار معلوم باشد ، می توانیم بصورت سرعت خطر مداری ، بسامد گردش ، انرژی جنبشی ، انرژی پتانسیل ، انرژی مکانیکی کل ، و تکانه زاویه ای را پیدا کنیم . از وابستگی های میان این کمیتها می بینیم که اگر معلوم شود یکی از آنها کوانتیده است ، بقیه هم کوانتیده خواهند بود ، اما در این محاسبات که صرفاٌ کلاسکی اند ، هیچ ذکری از کوانتیدگی چیزی در میان است .
نام آزمایش : سری بالمر هیدروژن و اندازه گری ثابت ریدبرگ
هدف آزمایش : تعیین طول موجهای سری بالمر اتم هیدروژن .
2- اندازه گیری ثابت ریدبرگ
وسایل آزمایش : 1- لامپ بالمر و منبع تغذیه 2- شبکه رولاندی 0-57 خطوط سانتی متر . 3- عدمی محدب با فاصله کانونی mm 50 و mm 100 . 4- شکاف قابل تنظیم 5- پرده نمایش نیمه شفاف 6- پایه اپتیکی 7- متر نواری

تئوری آزمایش :
نام آزمایش : میلیکان
هدف آزمایش : اندازه گیری مقدار بار الکتریکی پایه ( e )
وسایل آزمایش : دستگاه میلیکان و منبع تغذیه
1-ساعت الکتریکی 2- عدد – سیمهای رابط
این آزمایش توسط رابرت اندروس در سال1910 میلادی بر روی یک ذره روغن که باردار شده بود و در یک میدان الکتریکی یکنواخت حرکت می کرد انجام شد .
یک قطره روغن کره ای روغن را بار الکتریکی Q که در نبود میدان الکتریکی خارجی حاصل از خازن مسطحی حرکت می کند را در نظر می گیریم که سر نیرو و به قرار زیر بر این قطره وارد می شود .
1- نیروی وزن قطره روغن ms 12- نیروی رانشی که از طرف سیال به قطره روغن دارد می شود (Me جرم سیال جابجا شده توسط قطره روغن ) 3- نیروی مقاومت استوکس :
نیروی برایندی که بر ذره که با سرعت U سقوط می کند به شکل زیر .

اگر ذره در غیاب میدان الکتریکی با سرعت U1 سقوط کند .
حالا اگر ولتاژ U را به صفحات خازن داده که ذره تحت اثر میدان الکتریکی با سرعت نا نسبت U2 به طرف بالا حرکت نمایه :
اگر ولتاژ که به صفحات داریم به گونه ای باشد که ذره به حالت شناور بماند ، و نیروی مقاوم استوکوهم هیچ اثری نداشته باشد :
V ولتاژ است که قطره روغنی تحت اثر آن متوقف می شود .
با این دستگاه مقدار بار الکتریکی ( e ) را به 2 روش می توانیم بیایم :
روش 1 – تعادلی :
روش الف : با اندازه گیری ولتاژ توقف که به ازاء آن قطره روغن در اتاقک به حالت سکون ( شناور ) در آمده و همچنین با اندازه گیری سرعت سقوط قطره روغن در غیاب میدان الکتریکی می توان بار الکتریکی قطره روغن را از روابط ( 1 ) و ( 3 ) بدست آورد .
اگر در رابطه ( 3 ) به جای r مقدار ی از رابطه ( 1 ) قرار دهیم ،نتیجه می شود :
رابطه زیر به دست می آید که بیانگر بار الکتریکی قطره روغن است .
روش ب : با اندازه گیری سرعت سقوط قطره روغن در غیاب میدان الکتریکی و اندازه گیری سرعت صعود قطره روغن در حضور میدان الکتریکی مناسب می توان مقدار بار الکتریکی قطره روغن را با استفاده از روابط ( 1 ) و ( 2 ) به دست آورده اگر ده رابطه ( 2 ) به جای r مقدارش را از رابطه ( 1 ) قرار دهیم نتیجه می شود .
با قرار دادن مقادیر معلوم در رابطه فوق رابطه مذهه زیر را به دست می آوریم که بیانگر بار الکتریکی قطره روغن است .

وسایل آزمایش : دستگاه میلیکان و منبع تغذیه مربوطه 2 ساعت الکتریکی 2 عدد
هدف ازمایش : 2- سیمهای هوا
اندازه گیری مقدار بار الکتریکی پایه ( e )

دستگاه میلیکان و منبع تغذیه :
دستگاه میلیکان مورد استفاده در این آزمایش 559411 ساخت شرکت Leybold می باشد . دستگاه میلیکان دارای یک اتاقک دایر ای به قطر 8 سانتی متر به نام اتاقک میلیکان است که شامل دو صفحه فلزی به فاصله 6/0 سانتی متر از یکدیگر می باشد . این صفحات خازن مسطحی را جهت تولید میدان الکتریکی ثابت تشکیل می دهند . همچنین مجهز به یک میکروسکوپ با چشمی میکروومتری ، با بزرگنمایی شیی 875/1 و بزرگنمایی چشمی 10 و مجهز به یک منبع نوری 58/2 و 127 برای روشن نمودن اتاقک میلیکان است ( شکل الف )
منبع تغذیه مدل 55941 ساخت شرکت Leybold که ولتاژ متغییر 600-0 ولت را برای صفحات خازن و همچنین ولتاژ 12 ولت را برای منبع نوری تامین می کند ( شکل 2 ب )

روش آزمایش :
حباب لاستیکی که عطر پاش را فشار می دهیم ، روغن به صورت ذرات بسیار ریز بارداری از دو روزنه کوچکی که در کناره سرپوشی شیشه ای اتاقک میلیکان قرار دارد وارد فضای داخل اتاقک می شود . بعد از ورودشان می بینیم که به صورت نقطه های درخشانی به طرف بالا صعود می کنند ( در میکروسکوپ ) ( ولی در اصل به سمت پائین حرکت می کنند ) .
اکنون میدان الکتریکی را اعمال می کنیم ( ولتاژ ی حدود 550-0 ) کلید ولتاژ را روی on قرار می دهیم . ولی کلید ساعت ها را تغییر نمی دهیم . ولوم تنظیم ولتاژ 600-0 را تا آخر آزمایش تغییر نمی دهیم . ( میدان الکتریکی ثابت )
در لحظه اعمال میدان الکتریکی با میکروسکوپ مشاهده می شود که ذرات به آرامی به طرف پائین حرکت می نمایند . ( حرکت واقعی به سمت بالا است ) .
یکی ازآن ذراتی را که پمپاژ کردن را به عنوان نقطه مورد نظر در نظر می گیریم . برای آنکه زمانی را مشخص می نمائیم (زمان زمان بالا رفتن ذره به اندازه )دکمه را بالا می زنیم . بعد از عبور به اندازه 2 ولتاژ را عمل می نمائیم (دکمه مربوط به ولتاژ را روی قرار می دهیم . ) به محض اعماق ولتاژ ذره سقوط می کند . مدت سقوط ذره همان زمان است زمان را می خوانیم (وقتی به اندازه ذره پائین آمددودکمه ولتاژ وزمان را پائین
می آوریم ) .
باداشتن زمان های سقوط وهمچنین مسافت طی شده برای هر ذره می توان سرعت سقوط و سرعت را به دست آورد و سپس از رابطه مربوطه در تئوری بار الکتریکی قطره روغن رابدست می آوریم .
مقدار بار محاسبه شده بایه مضرب صحیحی ا زبار پایه مقدار بار به دست آمده را طبق این رابطه تقسیم بر بار پایه می کنیم تا ضریب مشخص شود اگر ضریب به صورت صحیح نبود آن را گرد کرده تا عدد صحیحی به دست آید سپس دوباره بار محاسبه شده را بر تصیح شده تقسیم می کنیم تا مقدار پایه به دست آوردیم .

تایید مستقیم اینکه حالتهای انرژی داخلی یک اتم کوانتیده اند ، از آزمایش ساده ایی نتیجه شد که در1914 توسط فرانک و تهرنر انجام شد . نوع دستگاه مورد استفاده این محققین درشکل 13.4 نشان داده شده است . الکترونها با انرژی کم از کاتود گرم شده در اثر گرما گسیل می یابند ، و از طریق پتانسیل که بین دو الکترود اعمال میشود به روی آنود شتاب می گیرند . بعضی از الکترونها از سوراخهای می گذرند و به صفحه می رسند ، به شرط آنکه انرژی جنبشی آنها به هنگام ترک برا ی غلبه بر پتانسیل کند کننده بین کافی باشد . تمامی لامپ از گازیا بخار اتمهای که د ر فشار کم باید مورد بررسی قرار گیرند پر شده است ، آزمایش جریان الکترونی را که به نظر می رسد به صورت تابعی از پتانسیل شتابنده اندازه می گیرد.
اولین آزمایش با لامپی انجام شد که حاوی بخار بود . ماهیت نتایج در شکل 4-14 نشان داده شده است. وقتی ولتاژ شتابدهنده کم است ، مشاهده می شود که جریان با فزایش ولتاژ افزایش می یابد . وقتی به 9/4 ولت می رسد جریان یکباره افت می کند این موضوع به عنوان نشانه ای براین امر تعبیر شدکه ، وقتی الکترونها انرژی جنبشی برابر با 9/4 بدست می آوردند ، ناگهان نوعی برهم کنش بین الکترونها و اتمهای شروع می شود ظاهراً کسر قابل ملاحظه ای از الکترونهای دارای این انرژی ، اتمهای را بر می انگیزند ودر جریان انجام این کار تمامی انرژی جنبشی خود را از دست می دهند . اگر تنها اندکی بیش از 9/4 ولت باشد ، فرایند برانگیختگی باید درست در جلوی آنود روی دهد، وپس از این فرایند ، الکترونها نمی توانند در جریان سقوط به سمت انرژی کافی برای غلبه بر پتانسیل کند کننده بدست آورند وبه صفحه برسند ، در های کمی بیشتر الکترونها می توانند پس از فرایند برانگیختگی به قدر کافی انرژی جنبشی بدست آورده وبر غلبه کنند و به برسند، تیزی شکستگی در منحنی دال بر آن است که الکترونهایی با انرژی کمتر از 9/4 الکترون ولت نمی توانند انرژی خود را به اتمهای انتقال دهند . وجود حالتهای انرژی گسسته در اتم با این تعبیر سازگار است با فرض آنکه اولین حالت برانگیخته به اندازه 9/4 ازحالت پایه بالاتر باشد ، اتم نمی تواند از الکترونهای بمباران کننده انرژی در یافت کند ، مگر آنکه الکترونها دست کم 9/4 انرژی داشته باشند حال اگرفاصله بین حالت پایه واولین حالت برانگیخته واقعاً 9/4 باشد ، در طیف گسیلی باید خطی وجود داشته باشد که به از دست دادن 9/4 توسط اتم و گذار از حالت برانگیخته اول به حالت پایدار مربوط می شود فرانک و هرتز دریافتند که وقتی انرژی الکترونهای بمباران کننده از 9/4 کمتر ایت هیچ خط طیفی توسط بخار جیوه در لامپ گسیل نمی یابد ، ووقتی انرژی آنها چند الکترون ولتی بیش از این مقدار است تنها یک خط درطیف دیده میشود . این مقدار است تنها یک خط در طیف دیده می شود . این خط دارای طو ل موج 2536 است ، که دقیقاً به انرژی فوتون 9/4 ی مربوط می شود . آزمایش فرانک – هرتر گوا موثری برای کوانتش انرژی اتمها فراهم آورد ، وهم چنین روشی برای اندازه گیری مستقیم اختلاف انرژی بین حالتهای کوانتو می اتم در اختیار اتم قرار دارد بدین معنی که نتایج مستقیماً برروی صفحه ولت متر منعکس می شدند .
وقتی منحنی بر حسب تا ولتاژهای بالاتر ادامه می یابد شکستگی ها بیشتری در آن یافت می شود برخی از این شکستگیها ناشی از الکترونهایی است که د رطول سفرشان ا ز تا
درچندین نوبت جداگانه اولین حالت برانگیخته اتمهاب را بر می انگیزند. ولی برخی دیگر از حالتهای برانگیخته بالاتر ناشی می شوند . به کمک مکان این شکستگیها می توان اختلاف انرژی بین حالتهای برانگیخته بالاتر و حالت پایدار مستقیماً اندازه گیری کرد .

نام آزمایش : فرانک هراتز
هدف آزمایش :
1- بررسی و نمایش انتقال گسسته انرژی توسط الکترونهای آزاد به اتمهای جیوه .
ترمیم منحنی فرانک – هرتز برای جیوه
وسائل آزمایش:
1- لامپ فرانک – هرتز جیوه وسوکت مخصوص آن
2- کوره الکتریکی 2207
3- دستگاه تقویت کننده فرانک هرتز
4- …………….. دماسنج
5- اسیلوسکوپ دو کاناله سال 303
6- کابل وسیمهای مربوطه

تئوری فرانک
اگر یک الکترون بمباران کننده به یک الکترون مداری برخورد کند ، به طوری که انرژی الکترون بمباران کننده اتم ، کمتر از مقدا رلازم جهت بردن الکترون مداری به مدار بالاتر باشد ، الکترون مداری هیچ گونه انرژی قبول ودریافت نخواهد کد و در نتیجه برانگیخته نخواهد شد ، این بر خورد یک برخورد کاملاً کشاف است .
هنگامی که انرژی الکترون بمباران کننده بیشتر از انرژی لازم جهت بالا بردن الکترون مداری به مدار بالاتر باشد ، نیز الکترون مداری انرژی دریافت کرده و به مدار بالاتر می رود و الکترون بمباران کننده بعد از این برخورد دارای انرژی کمتر خواهد بود ، این برخورد نیز یک برخورد غیر کشان است . البته الکترون تحریک شده به هنگام برگشت به مداری اولیه خود ، انرژی دریافت شده را به صورت فوتون آزادخواهد کرده کاتد توسط فیلیمانی که پشت آن قرار دراد ، به طور غیر مستقیم گرم شده و در اثر گرما الکترونها گسیل می شوند ، این الکترونها در اختلاف پتانسیل (ولتاژ کنترل) که بین کاتد و شبکه اعمال می شوند جذب می گردند.
سپس در اختلاف پتانسیل بین شبکه و شبکه شتاب می گیرند . بعضی از الکترونها از سوراخهای شبکه گذر کرد ویک پتانسیل منفی آندی را تجربه می کنند به شرط آنکه انرژی جنبشی الکترونها به هنگام ترک شبکه از پتانسیل کند کننده بین شبکه و کلکتور بیشتر باشد . خود را به صحفه کلکتور مانده و باعث ایجاد جریان در مدار کلکتور می شوند . مقدار این جریان ا زروی گالوانو متر اندازه گیری می شود .
در اتم جیوه بایستی یک مدار تحریک شده با اختلاف انرژی 9/4 الکترون – ولت نسبت به مدار زیرین خود وجود داشته باشد . چون وقتی که ولتاژ شتاب دهنده کم است ، انرژی الکترونها نیز کم بوده و برخورد بین برخورد کشسانی می باشد ووقتی ولتاژ شتاب دهنده به حدود 9/4 ولت می رسد الکترونها هنگام رسیدن به شبکه ، به اتمهای جیوه برخورد کرده و انرژی خود را به الکترونهای مداری اتم جیوه می دهند و چون انرژی خود را از دست داده اند قادر به رسیدن به کلکتور نخواهد بود . لذا کم شدن جریان کلکتور مشاهده خواهد شد ، الکترونهای مداری تحریک شده اتم جیوه هنگام برگشت به مدار پائین تر فوتونی با انرژی 9/4 الکترون – ولت آزاد می نمایند.
وقتی ولتاژ شتاب دهنده زیاد شود الکترون در نیمه راه بین آندوکاتو انرژی 9/4 الکترون – ولت پیدا کرده و یک برخورد غیر کشسان با الکترون مداری اتم جیوه خواهد داشت وتمام انرژی خود را از دست خواهنددا د ولی در نیمه راه باقی مانده و دوباره انرژی کافی پیدا کرده و برای دومین بار د رنزدیکی آندبا اتم جیوه یک برخورد غیر کشسان انجام می دهد وچون انرژی لازم برای رسیدن به کلکتور را ندارد لذا دومین افت جریان بوجود می آید با افزایش بیشتر ولتاژ شتاب دهنده ، شاهد کاهش های جریان دیگری خواهیم بود .
شرح فرانک
شرح آزمایش
اول باید مطمئن شویم که منبع تغذیه فرانک – هرتز خاموش است . به وسیله فیش های سه رشته ای کوره الکتریکی را به سوکت مربوطه آن که در پشت منبع تغذیه است متصل می نماییم فیش سیم مس رنگ ریسمانی متعلق به استوانه مسی را به فیش سبز – زرد ایمنی کوره متصل مینماییم .( تا لامپ فرانک، ازاثرات میدانهای تواخلی محافظت گردد).
سنسور دماسنج را در کوره الکتریکی قرار می دهیم و فیش آن را به سوکت منبع تغذیه وصل می نمائیم لامپ فرانک را پس از قرار دادن در استوانه مسی درون کوره قرار می دهیم . سوکت لامپ فرانک را به سوکت منبع وصل می کنیم
بعد و دوم حالت عملکردی منبع تغذیه را روی قرار می دهیم و منبع تغذیه را روشن میکنیم لامپ فرانک باید در روی گرم شود ، ولو عمگر ضامنی را در حالت قرار می دهید و دما را چک می نماییم صبر می کنیم تا دمای کار کوره به مقدار لازم برسد .
مقدمه : انتگرال تابندگی طیفی روی تمام بسامدها عبارت است از انرژی گسیل یافته کل در واحد زمان ، از واحد سطح یک جسم سیاه در دمای این انتگرال به تابندگی موسوم است ، یعنی
همانطور که در بحث قبلی پیرامون شکل 101 دیده ایم ، با زیاد شدن دما بسرعت افزایش می یابد . درواقع ، این نتیجه به قانون استفان موسوم است واولین با ردر 1879(1258 ه ش) به صورت معادله آروینی زیر بیان شد.
ثابت استفان – بولتزمن نامیده می شود . شکل 101 همچنین نشان می دهد که با افزایش ، طیف به سمت بسامدهای بالاتر تغییر مکان می یابد . این نتیجه به قانون جابجایی وین موسوم است .
که در آن بسامدی است که به ازای دردمای معین مقدر بیشینه خود را دارد . با افزایش به سوی بسامدهای بالاتر جابجا می شود . همه انی نتایج با تجربیات آشنایی که قبلاً بحث شدند مطابقت دارند ، به این معنی که مقدرا تابش گرمایی گسیل یافته بسرعت زیاد می شود ( در دماهای بالاتر ، سیخ انرژی گرمایی به مراتب بیشتری تابش می کند )، بسامد اصلی تابش با افزایش دما بیشتر می شود ( با ازدیاد دماسنج از سرخ تیره به آبی – سفید تغییر رنگ می دهد ).
مثال دیگری از جسم سیاه ، که اهمیت ویژه آن بعداً معلوم خواهد شد، جسمی است حاوی یک کاواک که مطابق شکل توسط سوراخ کوچکی به بیرون مربوط است .
تابشی که از بیرون بسر کاواک فرود می آید از طریق سوراخ کاواک وارد آن می شود و توسط دیواره های کاواک کراراً باز تاب می یابد ، تا اینکه سرانجام ، جذب کاواک شود . اگر مساحت سوراخ در مقایسه با مساحت داخلی کاواک بسیار کووچک باشد ، مقدار ناچیزی از تابش فرودی از راه سوراخ کاواک به بیرون باز تاب خواهد یافت . اساساً تمامی تابش فرود آمده بر سوراخ جذب می شود : بنابراین ، سوراخ باید خواص سطح جسم سیاه را داشته باشد . بیشتر اجسام سیاهی که در تجربیات آزمایشگاهی به کار می روند به این طریق ساخته می شوند

نام آزمایش : اندازه گیری شدت تشعشع یک ((جسم تیره )) به صورت تابعی از دوا
اهداف :
1- انجام اندازه گیریهای نسبی شدت تشعشع یک کوره الکتریکی که دارای جزئی به صورت جسم تیره در گستره 750 -300 با استفاده از یک ترموپیل مول
2- بدست آوردن نمودار رابطه بین شدت تشعشع ودمای مطلق برای تایید قانون استفان – بوسترمن
وسایل آزمایش:
1- کوره الکتریکی 2307
2- جزء عمل کننده به عنوان جسم تیره
3- پایه نگهارنده کوره الکتریکی
4- دماسنج با یک ورودی
5- حسگر دما
6- ترموبیل مول
7- میکرو ولتمر
تئوری :جسم سیلی :
در یک طول موج معین یک جسم هر چه تششع حرارتی بیشتری از خود ساطع کند بهتر می تواند تششع را جذب کند .
جسمی که تششع حرارتی کلیه طول موجها را به صورت کامل جذب کند جسم تیره نامیده می شود . جسم تیره دارای بزرگترین ضریب جذب بوده و بنابراین در یک دما وطول موج معین دارای بالاترین پرتو افشانی ممکن می باشد .
قانون استفان- بولتزمن بیان می دارد برای یک جسم تیره میزان تششع منتشره کل با توان چهارم دمای مطلق جسم رابطه مستقیم دارد

جسم تیره از محیط اطراف خود تششع جذب می کند .
را که با تششع از جسم تیره خارج شده است اندازه می گیریم .
در این آزمایش یک کوره الکتریکی دارای جزئی تیره به عنوان جسم تیره در نظر گرفته شده است . جزء در نظر گرفته شده به عنوان جسم تیره مر کب بوده است از یک سیلندر برنجی صیقلی و براق ویک صفحه سیلندر برنجی که از یک سمت مسدود شده به درون کوره فرستاده شده و تا دمای مطلوب حرارت داده می شود صفحه که در صورت نیاز با آب خنک میشود .
تششع دمایی توسط یک تروپیل مول که یک میکرو ولتمر به آن متصل شده اندازه گیری می شود .
بنابراین می توانیم ولتاژ خروجی ترمو پیل را به عنوان اندازه نسبی میزان تششع که در نظر بگیریم .
شرح آزمایش :
در ابتدا دمای محیط را از روی دستگاه یادداشت نموده وولتاژ آن را از روی منبع ولتاژ می خوانیم بعد 5 درجه تا دمای 480 که درهر کدام از این مقادیر دما ولتاژ آن را یادداشت می نمائیم . سپس دستگاه راخاموش کرده تا سرد شود و آن مقادیر از دما را به ازای درجه درجه از روی دستگاه یادداشت می نمائیم .
روش آزمایش :
ضخامت از خامو ش بودن دستگاه پرتو مطمئن می شویم و سپس اهرم قفل کشو را به پایین فشار می دهیم و درب کشویی را بازمی نمائیم و در راستای قائم آن را به پایین می کشیم تا از زاویه سنج جداگردد سپس قسمت پایه قطعه جذب کننده را با دقت و آرام در شیار نگهدارنده هدف قرار می دهیم .
بعد کلید را می زنیم تا دسته هدف و سنسور در موقعیت صفر قرار گیرد .
موقعیت صفر سنسور و شکاف خالی قطعه جذب کننده پایه در یک راستا باشد .با حرکت دادن زاویه سنج دستگاه پرتو فاصله بین کلی نور دستگاه پرتو و شکاف خالی قطعه جذب کننده را در حدود 5 قرار می دهیم .
فاصله بین شکاف سنسور و شکاف خالی قطعه جذب کنند هم … باشد
درب کشویی اتاقک آزمایش را می بندیم
در قسمت کنترل دستگاه پرتو با استفاده از کلید به صورت پله کانی ولتاژ بالا و جریاننشری را یکی در میان با دستگیره چرخشی افزایش می دهیم تا اینکه ولتاژ لامپ به وجریانش به برسد .
در قسمت کنترل دستگاه کلید را فشار می دهیم و سپس کلید را فشار می دهیم و مقدار انتخاب می نمائیم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحل
.0ه زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره
. چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم در قسمت کنترل با استفاده از کلید ودستگیره چرخشی زمان اندازه گیری برای هر مرحله زاویه ای را انتخاب می نماییم
بعد کلید را در قسمت کنترل دستگاه فشار می دهیم سپس با دستگیره چرخشی مکان زاویه ای ماده جذب کننده را روی صفر قرار می دهیم و بعد کلید فشار می دهیم تا اندازه گیری آغاز شود . همزمان با اندازه گیری چراغ ولتاژ بالای لامپ روشن می شود و چشمک می زند زمان اندازه گیری داده شده به صورت نزولی و آهنگ شمارش پالس ها در هر لحظه روی صفحه نمایش دیده می شود بعد از پایان زمان اندازه گیری کنید را فشار می دهیم .

بااستفاده از فیلر زیر کونیوم :
در قسمت کنترل دستگاه با استفاده از کلید به صورت پله کانی ولتاژ بالا و جریان را با استفاده از دستگیره چرخشی افزایش می دهیم تا اینکه ولتاژ لامپ به و جریان برسد را قرار می دهیم .
در قسمت کنترل کلید را فشار داده سپس با دستگیره مکان زاویه ای ماده جذب کننده دارای صفر قرار می دهیم بعد کلید را فشار می دهیم بعد از پایان زمان اندازه گیری تا میانگین آهنگ شمارشی پالسها روی صفحه نمایش نشان داده شود یادداشت می کنیم .

منابع :
– فیزک از آغاز تا امروز تدوین و تالیف حسین جوادی – افسانه جوادی
– ساختار اتم عنصرها نویسنده محمدرضا ملاردی – سید رضا آقا پور ناشر محراب قلم سال چاپ 1380
– انگلستان شیمی نشر سرود اندیشه 22 مهر 1385
www2.irib.ir
www.physicsir.com
www. fa.wikipedia.org
www. SiteLinks/Kids
www.ngdir.ir
www. cph-theory.persiangig.com

0

21