ساختار اتم
مطالعه روی عنصرها به حدود ۲۵۰۰ سال پیش برمی گردد. دالتون با استفاده از واژه های یونانی اتم که به معنای تجزیه ناپذیر است ، ذره های سازنده عنصرها را توضیح داد. وی نظریه ی خود را در هفت بند بیان کرد. اگر چه امروز می دانیم که اتمها خود از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند اما هنوز باور داریم که اتم کوچکترین ذره ای است که خواص شیمیایی و فیزیکی یک عنصر به آن بستگی دارد.
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.
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.
مدل کوانتومی اتم
این مدل در سال ۱۹۲۶ توسط اروین شرودینگر مطرح شد. وی در این مدل از حضور الکترون در فضایی سه بعدی به نام اوربیتال سخن به میان آورد. همانگونه که برای مشخص کردن موقعیت یک جسم در فضا به سه عدد (طول ، عرض و ارتفاع) نیاز است، برای مشخص کردن هر یک از اوربیتالهای یک اتم نیز به چنین داده هایی نیاز داریم. شرودینگر به این منظور از سه عدد M1 و L و n استفاده کرد که عددهای کوانتومی خوانده می شوند.
عدد کوانتومی اصلی (n) : عددی است که بور برای مشخص کردن ترازهای انرژی یا همان لایه های الکترونی بکار برد. ۱= n پایدارترین لایه انرزی را نشان می دهد. هر چه n بالاتر رود سطح انرژی لایه های الکترونی افزایش می یابد و فاصله ی آن لایه از هسته دورتر می شود. لایه های الکترونی خود از گروههای کوچک تر به نام زیر لایه تشکیل شده اند.عدد n تعداد زیر لایه های هر لایه را هم مشخص می کند. مثلاً در لایه الکترونی ۲= n دو زیر لایه وجود دارد.
عدد کوانتومی اوربیتالی (L) نشان دهنده ی شکل ، انرژی و تعداد اوربیتال ها است.
L می تواند مقادیر ۰ تا 1 – n را در بر بگیرد.
1 اوربیتال کردی L=0 S
اوربیتال دمبلی L=1 3P
5 اوربیتال L=2 D
7 اوربیتال L=3 F
عدد اتمی و قانون تناوبی
عدد اتمی و قانون تناوبی
در اوایل سده نوزدهم مشابهتهای فیزیکی و شیمیایی بین عناصر، توجه شیمیدانها را به خود جلب کرده بود. در سالهای 1817 و 1829 یوهان دوبراینر( Johann W. Doebereiner )، مقالاتی منتشر کرد که در آنها خواص مجموعه هایی از عناصر را که او مجموعه های سه تایی می نامید مانند Ba – Sr – Ca , I – Br – Cl , K – Na – Li و S – Se – Te، مورد بررسی قرار داده بود. عناصر هر مجموعه دارای خواص مشابه اند و وزن اتمی عنصر وسطی در هر مجموعه، تقریبا میانگین اوزان اتمی دو عنصر دیگر است.طی سالهای بعد، بسیاری از شیمیدانها، تلاشهایی برای طبقه بندی عناصر در گروههای دارای خواص مشابه به عمل آوردند. در سالهای 1866 – 1863، جان نیولندز ( John A. R. Newlands )، " قانون هشت تایی " خود را تنظیم و ارائه کرد. به گفته او، هرگاه عناصر را بر حسب افزایش اوزان اتمی به دنبال یکدیگر مرتب کنیم هشتمین عنصر با عنصر اول و نهمین عنصر با عنصر دوم ( الی آخر ) مشابه است. او این رابطه را با اکتاو در نتهای موسیقی، مشابه می دانست. متاسفانه روابط واقعی بین عناصر به سادگی پیشنهاد نیولندز در مورد نتهای موسیقی نیست. در زمانی که او کارش را ارائه داد، قیاس او مع الفارق به نظر می رسید و از سوی دیگر شیمیدانها جدی تلقی نشد، اما سالها بعد نیولندز برای این کار از انجمن سلطنتی موفق به دریافت نشان دیوی گردید.
طبقه بندی تناوبی نوین عناصر، از کار یولیوس لوتارمیر ( Julius Lothar Meyer )(1869) و به ویژه دمیتری مندلیف ( Dmitri Mandeleev ) (1869) نشات می گیرد. مندلیف قانون تناوبی خود را به این صورت بیان کرد که: وقتی عناصر به ترتیب افزایش وزن اتمی مورد مطالعه قرار گیرند، شباهتهایی در خواص آنها به طور تناوبی ظاهر می شود. در جدول مندلیف عناصر به گونه ای زیر هم نوشته شده اند که عناصر مشابه موسوم به یک گروه زیر هم قرار می گیرند.
برای آنکه عناصر مشابه زیر یکدیگر قرار گیرند مندلیف ناچار شد که برای برخی عناصر کشف نشده در آن زمان، در جدول خود جای خالی بگذارد. براساس نظام پیشنهادی خود، او توانست خواص سه عنصر ناشناخته را پیش بینی کند. کشف بعدی عناصر اسکاندیم، گالیم و ژرمانیم و پی بردن به آنکه هر یک دارای خواصی مشابه با خواصی است که مندلیف پیشتر پیش بینی کرده بود، اعتبار نظام تناوبی را نشان داد. مندلیف وجود گازهای نجیب ( He, Ne, Ar, Kr, Xe و Ra ) را پیش بینی نکرد. اما در هر حال پس از کشف این عناصر در سالهای 1898 – 1892، عناصر مزبور به سهولت در گروه خود در جدول جا داده شدند. درست ماندن جدول تناوبی عناصر، ایجاب می کرد که سه عنصر I, Ni, K در محلی جز آنکه ترتیب افزایش وزن اتمی حکم می کرد، قرار داده شوند. مثلا ید، براساس وزن اتمی باید عنصر شماره 52 باشد، اما برای قرار گرفتن در گروه عناصر به لحاظ شیمیایی، مشابه ( Br, Cl, F ) عنصر شماره 53 در نظر گرفته شد. مطالعه بعدی طبقه بندی تناوبی، بسیاری از شیمیدانها را متقاعد ساخت که خاصیت بنیادی دیگری جز وزن اتمی موجب پیدایش خاصیت مشهود تناوبی است. پیشنهاد شد که این خاصیت بنیادی به نحوی با عدد اتمی، که در آن زمان تنها یک شماره ترتیب در جدول تناوبی بود، مرتبط است.
قانون تناوبی موزلی
کار هنری موزلی( Henry G. J. Mosley ) در سالهای 1913 و 1914 این مساله را حل کرد. وقتی پرتو پر انرژی کاتدی، روی یک هدف متمرکز شود، پرتو ایکس تولید می شود ( شکل روبرو ). طول موجهای تشکیل دهنده این تابش ایکس را می توان از هم جدا کرد و طیف خطی حاصل را روی یک صفحه عکاسی ثبت نمود. وقتی عناصر مختلف به عنوان هدف به کار برده شوند، طیفهای پرتو ایکس متفاوتی به دست می آید که هر طیف فقط از معدودی خط تشکیل شده است.
موزلی، طیف پرتو ایکس سی و هشت عنصر را که اعداد اتمی آنها بین 13 ( آلومینیم ) و 79 ( طلا ) بود، مورد بررسی قرار داد. او با مطالعه خطوط مشابه در طیفهای این عناصر دریافت که بین جذر فرکانس خط طیفی و عدد اتمی عنصر مربوط، یک رابطه خطی وجود دارد ( شکل پایین ). به عبارت دیگر وقتی عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی مرتب شده باشند، ریشه دوم فرکانس خط طیفی از عنصری به عنصر دیگر همیشه به مقدار ثابتی افزایش می یابد.
بنابراین موزلی موفق شد که بر پایه طیف خطی پرتو ایکس هر عنصر، عدد اتمی صحیح آن را تعیین کند. او به این ترتیب توانست مشکل طبقه بندی عناصری را حل کند که براساس وزن اتمی در جای درست خود قرار نمی گرفتند ( I, Ni, K ). او همچنین ابراز داشت که بین 58Ce تا 71Lu ( جدول تناوبی ) باید چهارده عنصر وجود داشته باشند و ثابت کرد که این عناصر باید در جدول تناوبی به دنبال لانتان قرار گیرند.
در آن زمان، نمودار موزلی نشان داد که باید چهار عنصر کشف نشده ( دارای اعداد اتمی 43، 61، 72 و 75 ) پیش از 79Au وجود داشته باشند. بر پایه کار موزلی، قانون تناوبی بار دیگر تعریف شد که: خواص شیمیایی و فیزیکی عناصر تابع تناوبی عدد اتمی است.
اعداد اتمی موزلی با بار هسته ای که رادرفورد براساس آزمایشهای پراش ذرات محاسبه کرده بود، کم و بیش همسانی داشت. بنابراین، موزلی پیشنهاد کرد که عدد اتمی، Z، تعداد واحد بار مثبت هسته اتمی است. به گفته او: " در اتم، کمیتی بنیادی هست که از یک عنصر به عنصر بعدی به مقادیر منظمی افزایش می یابد. این کمیت تنها می تواند بار الکتریکی هسته مرکزی مثبت باشد ".
پرتو ایکس، تابشهای الکترومغناطیسی اند که طول موجهایی به مراتب کوتاهتر ( و در نتیجه فرکانس و انرژیهای به مراتب بیشتر ) از نور مرئی دارند. اعتقاد بر این است که طیف پرتو ایکس یک عنصر ناشی از نوعی انتقال الکترونی، درون اتمهای عنصر هدف است. در لامپ پرتو ایکس اشعه کاتدی الکترونهای لایه های داخلی اتم هدف را از جا می کنند. وقتی الکترونهای لایه های بیرونی تر، به جاهای خالی که به این ترتیب ایجاد شده اند سقوط می کنند پرتو ایکس به وجود می آید. از آنجا که انتقال الکترونی از تراز بالاتر به تراز پایین تر یک اتم متضمن رها شدن مقدار زیادی انرژی است فرکانس انرژی آزاد شده بالا و به تناسب طول موج آن کوتاه و ویژه پرتو ایکس است.
فرکانس تابشی آزاد شده از یک انتقال الکترونی به بار مثبت هسته اتم نیز بستگی دارد. مقدار انرژی آزاد شده مستقیما با مجذور بار هسته ای،2 Z، متناسب است. هر چه بار هسته ای بیشتر باشد انرژی آزاد شده بیشتر و طول موج تابش نشر یافته کوتاهتر خواهد بود. مشاهدات موزلی بازتاب این رابطه است.
32