ز

فیزیک اتمی

مقدمه

فيزيك اتمي- مولكولي كه مربوط به فيزيك جديد است از زماني متولد شد كه دانشمندان متوجه شدند كوچكترين جزء در طبيعت اتم نيست بلكه اتم از اجزاي كوچكتري به نام الكترون‌ها و هسته تشكيل شده است. يعني اتم از هسته‌اي تشكيل شده است كه الكترون‌هايي در اطراف آن مي‌گردند

فيزيك اتمي به بررسي نقل و انتقال‌هاي الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهد. يعني ما در فيزيك اتمي كاري به اين نداريم كه هسته از چه تشكيل شده است بلكه هسته برايمان مركزي با بار مثبت است و بيشتر توجه ما جلب الكترون‌هاي اطراف هسته مي‌شود

سابقه ی تاریخی

مطالعه روي عنصرها به حدود ۲۵۰۰ سال پيش برمي گردد. دالتون در سال ۱۸۰۷ با استفاده از واژه يوناني اتم که به معناي تجزيه ناپذير است ، ذره هاي سازنده عنصرها را توضيح داد. اگر چه امروز مي دانيم که اتمها خود از ذرات کوچکتري تشکيل شده اند، اما هنوز باور داريم که اتم کوچکترين ذره اي است که خواص شيميايي و فيزيکي يک عنصر به آن بستگي دارد.

جان دالتون نظريه اتمي ماده را به شرح زير مطرح كرد :

تمام عنصرها از اتم تشكيل شده‌اند . اتمها ذراتي تقسيم‌ناپذير و تخريب ناپذيرند
همه‌ي اتم‌هاي يك عنصر از لحاظ جرم و خواص شيميايي يكسان‌اند, اما اتم‌هاي عنصرهاي مختلف , جرم و خواص شيميايي متفاوت دارند .
يك تركيب شيميايي از به هم پيوستن اتم‌هاي مختلف با نسبت‌هايي كه اعداد صحيح و كوچك‌اند , تشكيل مي‌شود
يك واكنش شيميايي تنها شامل تركيب , تفكيك يا نوآرايي اتم‌هاست به بيان ديگر , اتم‌ها در جريان يك واكنش شيميايي نه به وجود مي‌آيند و نه از بين مي‌روند .

در حال حاضر مي‌دانيم كه جزء بسيار ناچيزي از ماده در يك واكنش شيميايي قابل تبديل به انرژي بوده و از اين‌رو به جاست كه از قانون “بقاي جرم و انرژي ” صحبت كنيم . همچنين تئوري دالتون نارسايي‌هايي دارد و براي مثال او به وجود مولكول چند اتمي از قبيل H2 و O2 براي يك عنصر پي نبرد و كوچك‌ترين ذره‌ي همه‌ي عناصر را اتم‌هاي منفرد پنداشت . همچنين آزمايش‌ها نشان داده‌اند كه همه‌ي اتمهاي يك عنصر دقيقاً جرم يكسان ندارند . اما با تغيير واژه‌ي “جرم” به “جرم اتمي ميانگين” مي‌توان تئوري دالتون را به كار برد .

جان دالتون بر اساس تئوري اتمي خود قانون دومي را بيان كرد كه مبتني بر داده‌هاي آزمايشي نبود . اين قانون به عناصري مربوط مي‌شود كه با هم بيش از يك ماده‌ي مركب ايجاد مي‌كنند . بنابر قانون دوم دالتون “نسبت جرم‌هايي از يك عنصر را كه به جرم معيني از عنصر ديگر تركيب مي‌شوند . مي‌توان با اعداد صحيح كوچكي بيان كرد . ” اين گزاره را قانون “نسبت‌هاي چندگانه” مي‌نامند .

الکترون نخستين ذره زير اتمي

اجراي آزمايشهاي بسياري با الکتريسته ، مقدمه اي براي شناخت ساختار دروني اتم بوده است. کشف الکتريسته ساکن، وقوع واکنش شيميايي به هنگام عبور جريان برق از ميان محلول يک ترکيب شيميايي فلزدار (الکتريسته يا برقکانت) ، و آزمايشهاي بسيار روي لوله ي پرتو کاتدي منجر به شناخت الکترون شد. لوله پرتو کاتدي لوله اي شيشه اي است که بيشتر هواي آن خارج شده است.در دو انتهاي اين لوله دو الکترود فلزي نصب شده است . هنگامي که يک ولتاژ

قوي بين اين دو الکترود اعمال شود ، پرتوهايي از الکترود منفي (کاتد) به سمت الکترود مثبت (آند) جريان مي يابد که به آن پرتوهاي کاتدي مي گوين. اين پرتوها بر اثر برخورد با يک ماده ي فلوئور سنت نور سبز رنگي ايجاد مي کنند. تامسون موفق شد نسبت بار به جرم الکترون را به کمک اين آزمايشها اندازه گيري کند.پس از آن رابرت ميليکان توانست مقدار بار الکتريکي الکترون را اندازه بگيرد. به اين ترتيب جرم الکترون نيز با کمک نسبت بدست آمده تامسون محاسبه شد.

بار الکترون کلون و جرم الکترون کیلوگرم است.

پرتو زايي

در حالي که تامسون روي پرتوهاي کاتدي آزمايش می کرد، هم زمان بکرل فيزيک داني که روي خاصيت فسفر سانس مواد شيميايي کار مي کرد با پديده ي جالبي روبرو شد. اين پديده پرتوزايي و مواد داراي اين خاصيت، پرتوزا ناميده شد.

بعد از آن رادرفورد به اين موضوع علاقه مند شد و پس از سالها تلاش فهميد، اين تابش خود ترکيبي از سه نوع تابش مختلف آلفا ، بتا، و گاما مي باشد.

مدل اتمی تامسون

تامسون پس از کشف الکترون ساختاري براي اتم پيشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفي در فضاي ابر گونه با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها مي دانست ، حال آنکه فضاي ابرگونه مثبت را بدو ن جرم مي دانست.

یکی از موارد بسیار مهمی که یک مدل اتمی باید توضیح دهد، مسئله جذب و تابش انرژی توسط الکترونها است. در مدل اتمی تامسون الکترونها در مکانهای تعادلشان ثابت می مانند. در اتمهای برانگیخته، مانند اتمهای اجسام در دمای زیاد، الکترونها حول مکانهای تعادلشان ارتعاش می کنند. چون نظریه الکترومغناطیس کلاسیک پیشگویی می کند که یک ذره باردار، هنگامی که دارای شتا است، مانند الکترون مرتعش، تابش تابش الکترومغناطیسی گسیل می دارد، درک کیفی تابش گسیل یافته توسط اتمهای برانگیخته بر پایه ی الگوی تامسون امکان پذیر بود. اما از نظر کمی نمی توان طیفهایی را که از راه تجربه مشاهده می شد توجیه کند.

رادرفورد که از شاگردان تامسون بود، نتوانست تشکيل تابشهاي حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمي تامسون توجيه کند. و پس از آزمايشهاي بسيار ، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد. او درسال ۱۹۱۱ در آزمايش خود ورقه نازکي از طلا را با ذرههاي آلفا بمباران کرد، به اميد آنکه همه ي ذره هاي پرانرژي و سنگين آلفا که داراي بار مثبت نيز هستند با کمترين انحراف از اين ورقه نازک طلا عبور کنند. اما مشاهده کرد که تعداد کمي از ذرات منصرف شده خارج مي شوند و تعداد بسيار کمي از آن به طور کامل منحرف شده و به عقب برمي گردند.

پس نتيجه گرفت که حتماً يک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهاي مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم نيز در درون اين هسته است که توانايي به عقب راندن ذره هاي سنگين و پرانرژي آلفا را دارد.رادرفورد با استفاده از نتايج اين آزمايش مدل اتم هسته دار را پيشنهاد کرد.در این مدل هسته دارای بار الکتریکی مثبت است.

مدل اتمی بور

در سال ۱۹۱۳ نیلز بور مدل اتمی خود را ارائه کردکه با برخی از داده های طیف نمایی مثلاً طیف اتم هیدروژن از نظر کمی تطبیق می کرد. مدل اتمی بور مشتمل بر اصول موضوع زیر بود:

۱- الکترون درون اتم، تحت تاثیر نیروی الکتریکی بین الکترون و هسته، در یک مدار دایره ای شکل به دور هسته حرکت می کند و این حرکت تابع قوانین مکانیک کلاسیک است.

۲- به جای بینهایت مداری که در مکانیک کلاسیک امکان پذیر است، برای الکترون تنها این امکان وجود دارد که در مداری حرکت کند که برای آن اندازه ی حرکت زاویه ای L مضرب درستی از h ثابت پلانک تقسیم بر دو پی باشد.

۳- علی رغم این واقعیت که الکترون دایماً شتابدار است، اما در چنین مدار مجازی انرژی الکترومغناطیسی تابش نمی کند. به این ترتیب، انرژی کل آن، E ثابت باقی می ماند.

۴- تابش الکترومغناطیسی در صورتی گسیل می شود که الکترونی که در آغاز در مداری با انرژی Ei در حرکت است، حرکتش را به طور ناپیوسته چنان تغییر می دهد که در مداری با انرژی Ef حرکت کند، بسامد تابش گسیل یافته از رابطه ی زیر تبعیت می کند Ei-Ej=hf

اصول موضوع مدل اتمی بور نکات مهمی را مطرح می کند که زمینه ی مکانیک کوانتوم جدید را فراهم ساخت.

نوترون

اكتشافات مواد راديواكتيويته و ايزوتوپها پرسشهاي جديدي را درباره ساختمان اتمها مطرح كرد و پرسش هايي مطرح شد كه هسته اتمي را در بر مي‌گرفت.

در سال ۱۹۱۹ رادرفورد دريافت كه وقتي گاز نيتروژن با ذرات آلفاي حاصل از بيسموت ? ۲۱۴ بمباران مي‌شود، ذرات سريعي توليد مي‌گردد كه مي‌تواند بيشتر از خود بيسموت ذرات درگاز سير كند.

رادرفورد نتيجه گرفت كه يك ذره آلفا مي‌تواند موجب فروپاشي مصنوعي هسته نيتروژن شود كه يكي از محصولات فروپاشي آن پروتون باشد. ليكن اين فرايند به آساني صورت نمي‌گيرد. نتايج تجربي نشان داد كه تقريباً از هر یک ميليون ذره آلفا كه از ميان گاز عبور مي‌كند فقط يك پروتون توليد مي‌شود.

رادرفورد و چادويك بين سالهاي ۱۹۲۱ و ۱۹۲۴ كار بر روي نيتروژن را به عناصر ديگر كشاندند و شواهدي براي فروپاشي تمام عناصر سبك از بور تا پتاسيم، به استثناي كربون و اكسيژن، يافتند. (بعداً نشان داده شد كه اين عناصر نيز دچار فرو پاشي مي‌شوند.)

در سال ۱۹۲۰ رادرفورد اظهار داشت كه پروتون درون هسته ممكن است داراي يك الكترون باشد و در چنين صورتي اين الكترون چنان محكم به آن بسته شده كه يك ذره خنثي ايجاد كرده است. رادرفورد حتي براي اين ذره فرضي نام نوترون را پيشنهاد كرد.

در سال ۱۹۳۲چادويك در رساله خود تحت عنوان وجود نوترون مي‌گويد:

اگر ما فرض كنيم كه تابش مورد نظر تابش كوانتومي {پرتو گاما } نيست، بلكه مركب از ذره‌هايي است با جرم بسيار نزديك به جرم پروتون، تمام اشكالات مربوط به برخورد از ميان مي‌رود، هم در مورد فركانس آنها و هم در مورد انتقال انرژي به جرمهاي متفاوت. براي توضيح قدرت نفوذ زياد اين تابش، بايد فرض كنيم كه اين ذرات بار مؤثري ندارند. بايد فرض كنيم كه هر يك از آنها تركيب نزديك به همي از يك پرتون و يك الكترون است، و همان ?نوتروني? است كه رادرفورد در سخنراني سال ۱۹۲۰ خود آن را مورد بحث قرار داد. پس، بر طبق فرضيه چادويك، وقتي عنصري همچون بريليم با ذره آلفا بمباران شود واكنش هسته‌اي صورت مي‌گيرد كه نوترون توليد مي‌كند.

نوتروني كه بنا بر فرض چادويك بار صفر و جرمي برابر ۱ دارد. كشف نوترون با جرم نزديك به يك واحد بدون بار الكتريكي، نظر رادرفورد را مبني بر اينكه هسته اتمي از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأييد كرد. اين فرضيه بعد از مدتي كوتاه در سال ۱۹۳۲ به وسيله‌ هايزنبرگ به عنوان مبناي يك تئوري هسته‌اي مفصلتر قرار گرفت و هنوز هم مبناي تلاشهايي است كه براي بيان خواص و ساختار هسته به عمل مي‌آيد.

با كشف نوترون در سال ۱۹۳۲ اين تصور حاصل شد كه اجزاي اصلي ساختمان ماده سه ذره بنيادي است: پروتون، نوترون و الكترون. وقتي شتابدهنده‌هاي انرژي ؟ بالا ساخته شد، ذرات بنيادي بيشتري، يكي پس از ديگري، كشف شد. اين ذرات بنابر خواصشان در چند خانواده گروهبندي شده‌اند. غالب اين ذرات فقط به طور كوتاه مدت وجود دارند؛ طول عمر آنها نواعاً از مرتبه يا كمتر است. يك رشته جديد كامل، يعني فيزيك انرژي بالا به وجود آمده است و امروزه هدف فيزيك انرژي بالا تشخيص و تميز مرتبه و ساختار پسين عده زيادي از ذرات ?بنيادي? است كه كشف شده‌اند.

ایزوتوپها

ديگر ذره هاي سازنده اتم

پروتون ذره اي با بار نسبي +۱ و جرمي ۱۸۳۷ با رسنگين تر از جرم الکترون ، دومين ذره ي سازنده اتم است.

نوترون ذره اي است که بار الکتريکي ندارد و جرم آن برابر جرم پروتون است ، سومين ذره ي سازنده اتم است.

عدد اتمي ، عددي است که تعداد پرتون ها را در اتم مشخص مي کند و با Z نشان داده مي شود.

از آنجا که اتم ذره اي خنثي است، بنابر اين تعداد الکترونها و پروتونهاي آن بايد برابر باشد، پس عدد اتمي تعداد الکترونها در يک اتم را نيز مشخص مي کند.

عدد جرمي و ايزوتوپها

به مجموع تعداد پروتونها و نوترونهاي يک اتم عدد جرمي مي گويند. عدد جرمي با A نشان داده مي شود. A = Z+ N

اندازه گيري جرم اتمها با کمک دستگاه طيف سنج نشان مي دهد که همه اتمهاي يک عنصر جرم يکساني ندارند. از آنجا که عدد اتمي در واقع تعداد پروتونها در همه اتمهاي يک عنصر يکسان است، پس تفاوت جرم بايد مربوط به تعداد نوترونهاي موجود در هسته ي اتم باشد. اين مطالعات به معرفي مفهوم ايزوتوپ انجاميد. ايزوتوپها اتمهاي يک عنصر هستند که عدد اتمي يکسان و عدد جرمي متفاوت دارند. براي مثال آزمايشها وجود دو ايزوتوپ کلر ۳۵ (CL۳۵۱۷) و کلر ؟ ۳۷ (CL۳۷۱۷) را به اثبات رسانده است.

مدل کوانتومي اتم

اين مدل در سال ۱۹۲۶ توسط اروين شرودينگر مطرح شد. وي در اين مدل از حضور الکترون در فضايي سه بعدي به نام اوربيتال سخن به ميان آورد. همانگونه که براي مشخص کردن موقعيت يک جسم در فضا به سه عدد (طول ، عرض و ارتفاع) نياز است، براي مشخص کردن هر يک از اوربيتالهاي يک اتم نيز به چنين داده هايي نياز داريم. شرودينگر به اين منظور از سه عدد M1 و L و n استفاده کرد که عددهاي کوانتومي خوانده مي شوند.

عدد کوانتومي اصلي (n) : عددي است که بور براي مشخص کردن ترازهاي انرژي يا همان لايه هاي الکتروني بکار برد. ۱= n پايدارترين لايه انرزي را نشان مي دهد. هر چه n بالاتر رود سطح انرژي لايه هاي الکتروني افزايش مي يابد و فاصله ي آن لايه از هسته دورتر مي شود. لايه هاي الکتروني خود از گروههاي کوچک تر به نام زير لايه تشکيل شده اند.عدد n تعداد زير لايه هاي هر لايه را هم مشخص مي کند. مثلاً در لايه الکتروني ۲= n دو زير لايه وجود دارد.

عدد کوانتومي‌اوربيتالي (L) نشان دهنده ي شکل ، انرژي و تعداد اوربيتال ها است.

L مي تواند مقادير ۰ تا ۱ – n را در بر بگير