 |
|
نظریه‌ای اتمی
شیمی ساختار اتم
نظریه‌ای اتمی (به انگلیسی: ، با تلفظ آمریکایی: )، یک در مورد اتم‌ها و ساختار آن‌ها است که به قول چارلز مورتیمر، سنگ‌بنای شیمی جدید است. درک ساختار اتمی و بر‌هم‌کنش اتم‌ها، محور درک شیمی است. بیان نخستین نظریه‌ی اتمی را معمولاً به یونانیان باستان نسبت می‌دهند، اما ریشهٔ این مفهوم حتی ممکن است در تمدن‌های کهن‌تر باشد. با این حال، نظریه‌های متفکران یونان باستان، بر پایه‌ی تفکر محض فلسفی استوار بود، نه بر آزمایش‌های طراحی‌شده. بنابراین، این نظریه، به مدت دو هزار سال، به‌صورت گمان محض باقی ماند. ولی، آن نظریه‌ی اتمی، که رویداد برجسته‌ی در پیشرفت دانش شیمی به‌شمار می‌رود، طی سال‌های ۱٨٠٣-۱٨٠٨ میلادی، توسط جان دالتون بیان شد.
| ▲ | دید تاریخی بر نظریه‌های اتمی |
پیشینه‌ی نظریه‌ی اتمی، به سده‌ی پنجم پیش از میلاد، به‌ویژه مکتب فلسفی () بر می‌گردد. با لئوکیپوس آغاز شد، دموکریت آن را ساخته و پرداخته کرد، افلاطون و ارسطو به آن حمله برد و اپیکور آن را از نو طرح نمود. بر اساس نظریه‌ی اتمی لیوکیپوس و دموکریتوس، تقسیم مستمر ماده، در نهایت، اتم‌ها را به‌دست می‌داد که قابلیت تجزیه شدن آن‌ها ممکن نبود. واژه‌ی «اتم» از واژه‌ی یونانی «آتوموس» (Atomos) به‌معنای «برش‌ناپذیر» (uncuttable) و «تقسیم‌ناپذیر» (indivisible) گرفته شده است. ارسطو (سده‌ی چهارم پیش از میلاد)، نظریه‌ی اتمی را نپذیرفت. او بر این باور بود که ماده را می‌توان به دفعات بی‌پایان به ذرات کوچک‌تر و کوچک‌تر تقسیم کرد.
با این حال، رابرت بویل در کتاب خود به‌نام «کیمیاگر شکاک» (۱٦٦۱ میلادی) و ایزاک نیوتون، در کتاب‌هایش به‌نام «پرینکیپیا» (۱٦٨٧ میلادی) و «اوپتیکس» (۱٧٠۴ میلادی)، وجود اتم را پذیرفتند. ولی در سال ۱٨٠٣ میلادی، این جان دالتون، شیمی‌دان انگلیسی بود که با نظریه‌ی
اتمی خود گام مهمی برای مطالعه‌ی ماده و ساختار آن برداشت. هرچند، بسیاری از دانشمندان آن روزگار معتقد بودند که تمام اجسام از اتم تشکیل شده‌اند، اما دالتون گامی فراتر نهاد. نظریه‌ی اتمی دالتون، قوانین تغییر شیمیایی را تبین می‌کرد. وی با گماردن جرم نسبی به اتم‌های عناصر مختلف، این مفهوم را به‌صورت کمّی درآورد. مهم‌ترین اصول پیشنهادی دالتون عبارتند از:
- ۱- عناصر از ذرات بسیار ریزی به‌نام اتم تشکیل شده‌اند. تمام اتم‌های یک عنصر یکسانند و اتم‌های عناصر مختلف، متفاوت.
٢- تفکیک و اتحاد اتم‌ها، طی واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد. در این واکنش‌ها، هیچ اتمی به‌وجود نمی‌آید یا از بین نمی‌رود و هیچ‌یک از اتم‌های یک عنصر به اتمی از عنصر دیگر تبدیل نمی‌شوند.
٣- یک ترکیب شیمیایی، نتیجهٔ ترکیب اتم‌های دو با چند عنصر است. نوع اتم‌های موجود در یک ترکیب و نسبت آن‌ها همیشه ثابت است. (اتم عنصرهای مختلف جرم و خواص شیمیایی متفاوتی دارند و به‌هم متصل می‌شوند و مولکول‌ها را به‌وجود می‌آورند. در هر مولکول از یک ترکیب معین، همواره نوع و تعداد نسبی اتم‌های سازنده‌ی آن یکسان است. واکنش‌های شیمیایی شامل جابه‌جایی اتم‌ها یا تغییر در شیوه‌ی اتصال آن‌ها در مولکول‌هاست. در این واکنش‌ها اتم‌ها خود تغییری نمی‌کنند.)
اگر چه اکنون دانسته شده است که اتم‌ها خود از ذره‌های کوچک‌تری (ذره‌های زیر اتمی) ساخته شده‌اند و همه‌ی آن ویژگی‌هایی را ندارند که دالتون برای آن‌ها برشمرده بود، ولی نظریهٔ دالتون، در مفهوم کلی خود، هنوز هم معتبر است، اما نخستین اصل او باید اصلاح شود. دالتون بر این باور بود که تمام اتم‌های یک عنصر دارای جرم اتمی یکسانی هستند. امروزه مشخص شده است که بسیاری از عناصر دارای ایزوتوپ‌هایی با جرم‌های اتمی متفاوت هستند. ولی می‌توان گفت که تمام اتم‌های یک عنصر به لحاظ شیمیایی یکسانند و اتم‌های یک عنصر با اتم‌های عناصر دیگر تفاوت دارند. به‌علاوه، برای اتم‌های هر عنصر می‌توان جرم اتمی میانگین به‌کار برد.
به‌هر حال، نظریه‌ی اتمی دالتون علی‌رغم نارسایی‌ها و ایرادهایی که داشت، به نقطه‌ی آغازی برای مطالعه‌ی دقیق‌تر و عمیق‌تر ساختار و رفتار (خواص) ماده تبدیل شد.
دالتون جنبه‌های کمی نظریهٔ خود را از دو قانون مربوط به تغییر شیمیایی استخراج کرد:
- ۱- قانون بقای جرم که می‌گوید طی یک واکنش شیمیایی تغییر قابل سنجشی در جرم صورت نمی‌گیرد. به بیان دیگر، جرم کل تمام مواد درگیر در یک واکنش شیمیایی با جرم کل تمام فراورده‌های واکنش برابر است. اصل دوم نظریه‌ی دالتون، این موضوع را تبیین می‌کند، زیرا در این فرایندها، اتم‌ها نه به‌وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند، و جرم کل تمام اتم‌های وارد شده در یک واکنش شیمیایی، صرف‌نظر از شیوه‌ی گروه‌بندی اتم‌ها، ثابت است.
٢- قانون نسبت‌های معین که می‌گوید یک ترکیب خالص همیشه شامل عناصر یکسان با نسبت جرمی یکسان است. اصل سوم نظریه‌ی دالتون بیان‌گر این قانون است. چون یک جسم معین، نتیجه‌ی ترکیب اتم‌های دو یا چند عنصر با نسبت‌های ثابت است، نسبت جرمی عناصر موجود در آن جسم ثابت است.
بر اساس این نظریه، دالتون توانست قانون سوم ترکیب شیمیایی یعنی قانون نسبت‌های چندگانه را بیان کند. بر مبنای این قانون، هنگامی که دو عنصر A و B بیش از یک جسم تشکیل دهند، نسبت مقادیری از A که در این اجسام با مقدار ثابتی B ترکیب شده‌است، اعداد صحیح و کوچکی خواهد بود. البته معایب این نظریه، این بود که با آن نمی‌توانست ماهیت‌های الکتریکی و پرتوزایی ماده را توضیح داد. به‌رغم این، بررسی تجربی قانون نسبت‌های چندگانه، تأیید نیرومندی بر نظریه‌ی دالتون بود.
گاه‌شمار تاریخی نظریه‌های اتمی
پس از نظریه‌ی دالتون، مدل اتمی تامسون یکی از کوشش‌ها برای توضیح ساختمان اتم در آغاز قرن بیستم بود. جوزف جان تامسون، در سال ۱۹٠٦، برای نخستین‌بار، با استفاده از لامپ پرتو کاتدی، به‌وجود ذرات زیراتمی پی برد. وی با استناد بر آزمایش‌های که انجام داد، نظریه اتمی خود را که به نظریه‌ی کیک کشمشی یا هندوانه‌ای مشهور است، مطرح ساخت.
تامسون با تکیه بر آزمایش‌های خود به این نتیجه رسید که ذرات سازنده پرتو کاتدی دارای بارالکتریکی منفی هستند و هم‌چنین علاوه بر ماهیت موجی که پرتو دارد، ماهیت ذره‌ای نیز از خود نشان می‌دهد. وی این ذرات منفی را الکترون نامید؛ و بعدها وی دریافت که ذرات سازنده پرتو کاتدی در تمام مواد وجود دارند.
مطابق این مدل، الکترون‌ها در محیطی ابرگونه از جنس بار مثبت پراکنده شده‌اند؛ جرم فضای ابرگونه تقریباً صفر است؛ سنگینی اتم ناشی از وجود تعداد زیاد الکترون در آن است (بیشتر جرم اتم مربوط به جرم الکترون است).
البته تامسون در مُدل خود، بارهای مثبت را بدون جرم در نظر گرفته بود و جرم اتم توسط الکترون‌ها ایجاد می‌شد. با این حال، نقص مدل اتمی تامسون با آزمایش معروف ارنست راترفورد آشکار شد.
چهارده سال پس از تامسون، در سال ۱۹۱۱، رادرفورد پس از آزمایش معروف ورقه‌ی طلای خود مدل دیگری - از ساختمان اتم - را پیشنهاد کرد، که به مدل اتمی رادرفورد (اتم هسته‌دار) معروف است.
رادرفورد با تاباندن ذرات آلفا به ورقه نازکی از طلا (به ضخامت ۲۰۰۰ اتم طلا) مشاهده کرد که بیشتر ذرات از ورقه عبور می‌کنند یا به مقدار کمی منحرف می‌شوند. اما درصد بسیار کوچکی از ذرات (تقریباً یک در ۲۰۰۰۰) با زاویه‌ای بیشتر از ۹۰ درجه باز می‌گردند. رادرفورد نتیجه گرفت که بخش بزرگی از اتم فضای خالی است و در مرکز اتم هسته چگالی وجود دارد. آزمایش مشهور او، به‌وضوح مدل اتمی تامسون را رد کرد و سبب شکل‌گیری مدل جدیدی برای توصیف اتم، به‌نام اتم هسته‌دار شد.
پس از آن، نیلز بور نظریه‌ی اتمی‌ای را که در مورد موارد تک‌الکترونی صحبت می‌کرد را بیان کرد. این نظریه، با وجود برتری نسبی در مقایسه با نظریه‌های پیشین، به دلیل تناقض با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و محدودیت در توصیف سیستم‌های چندالکترونی کنار گذاشته شد.
اساساً در جهان دو نوع رفتار قابل مشاهده است. رفتاری شبیه ذره و رفتاری شبیه موج. هنگامی رفتاری مانند ذره مشاهده می‌شود که جرم و انرژی هر دو با هم از جایی به‌جای دیگر منتقل شوند. به‌عبارت دیگر هنگام جابه‌جایی، هر دو در یک جسم یا ذره، مستقر باشند. یک توپ درحال حرکت چنین رفتاری دارد. در حالی‌که در رفتار شبیه موج، هم‌زمان با حرکت جسم یا ذره، جرم جابه‌جا نمی‌شود، بلکه انرژی به تنهایی آن هم در همه‌ی جهت‌ها انتقال می‌یابد. برای مثال، برآمدگی‌های روی سطح آب دریا موج هستند و بدون آن‌که آب جابه‌جا شود، انرژی به ساحل انتقال می‌یابد. مطالعه‌ی خواص نور نشان داد که هر دو نوع رفتار را می‌توان یک‌جا انتظار داشت.
امروزه مشخص شده است که نور، رفتاری دوگانه دارد، در عین حال که موج است و پدیده‌هایی چون تداخل و پراش را از خود نشان می‌دهد، خود از ذره‌هایی به‌نام فوتون نیز تشکیل شده است. چشم‌های الکترونیکی از جمله دستگاه‌هایی هستند که براساس خاصیت ذره‌ای نور طراحی شده‌اند. در این دستگاه‌ها که بیشتر مانند یک کلید برق عمل می‌کنند، با برخورد فوتون‌های نور با الکترون‌های موجود روی سطح فلز موجود در آن‌ها، جریان الکتریکی در مدار برقرار می‌شود.
گسترش مفهوم دوگانگی موج ذره به ماده، توسط لویی دوبروی، فیزیک‌دان فرانسوی انجام شد. وی به الکترون که ذره‌ای بودن آن قبلاً به اثبات رسیده بود، طول موجی نسبت داد. شواهد گوناگونی وجود دارد که درستی دیدگاه دوبروی را ثابت می‌کند. ریزنگاشت (میکروسکوپ) الکترونی بر مبنای این رفتار الکترون طراحی شده است. با کمک این دستگاه می‌توان تصاویر بسیار دقیقی از اجسام بسیار کوچکی را دید که مشاهده‌ی آن‌ها با ریزنگاشت‌های نوری آن‌هم با این جزییات امکان ندارد.
سپس توسط آروین رودولف یوزف آلکساندر شرودینگر، نظریه کوانتومی اتم، بر مبنای مکانیک کوانتومی و با توجه به تابع سای در معادله شرودینگر مطرح شد که بر موجی رفتارکردن الکترون بنیاد نهاده شده بود.
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نشان می‌دهد که هرگونه کوششی برای گسترش الگوی بور، بی‌نتیجه است. پیش‌بینی دقیق مسیر یک الکترون در اتم غیر ممکن است. شرودینگر، با به کار بردن رابطه دوبروی، معادله‌ای برای توصیف الکترون بر مبنای خصلت موجی آن بیان کرد. معادله‌ی شرودینگر، اساس مکانیک موجی است. اما نظریه او (نگاه موجی به ماده) برخلاف نظریه‌ی موجود در زمینه‌ی اثر فوتوالکتریک بود که به نور نگاه ماده‌گرایانه داشت.
به‌هر صورت، نظریه‌ی اتمی جدید، ریشه در کارهای جان دالتون دارد که نظریه‌ی خود را بر قانون بقای جرم و قانون نسبت‌های معین، استوار کرد. دالتون، قانون سوم ترکیب شیمیایی، یعنی قانون نسبت‌های چندگانه را پیشنهاد کرد.
یک اتم که کوچک‌ترین ذره‌ی یک عنصر برای ترکیب با اتم‌های سایر عناصر و تشکیل ترکیبات شیمیایی است، خود از ذرات ربزتری به‌نام ذرات بنیادی تشکیل شده است. ذرات بنیادی، یعنی الکترون، پروتون و نوترون، با استفاده از چند آزمایش کلاسیک شناسایی شدند و موقعیت آن‌ها در اتم مشخص گردید.
الکترون، بار منفی، e-، دارد، پروتون دارای بار مثبت برابر با بار الکترون اما با علامت مخالف e+ است. نوترون، بار ندارد. جرم الکترون، بسیار کوچک‌تر از جرم پروتون یا نوترون است.
پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته قرار دارند که مرکز اتم به‌شمار می‌رود. اندازه‌ی هسته، در مقایسه با اندازه‌ی کلی اتم بسیار کوچک است، اما بخش اعظم جرم اتم را تشکیل می‌دهد و (به دلیل پروتون‌هاو نوترون هایش) بار مثبت دارد. الکترون‌ها که بخش اعظم حجم اتم را اشغال کرده‌اند، در پیرامون هسته قرار دارند. شمار الکترون‌ها و پروتون‌های هسته در یک اتم خنثی برابر است، در نتیجه کل بار منفی برابر با کل بار مثبت است. تعداد الکترون‌های یون‌های یک اتمی (اتم‌های باردار) بیشتر از تعداد پروتون‌ها (یون‌های منفی)، یا کمتر از تعداد پروتون‌ها (یون‌های مثبت) است.
تعداد پروتون‌های موجود در هسته‌ی یک اتم با عدد اتمی مشخص می‌شود. تمام اتم‌های یک عنصر، عدد اتمی یکسان دارند. موقعیت عناصر در جدول تناوبی، با عدد اتمی‌شان مشخص می‌شود. عناصری که در یک سطر افقی جدول قرار دارند، جمعاً، یک تناوب یا پریود نامیده می‌شوند. عناصر مربوط به یک ستون عمودی جدول، دارای خواص شیمیایی مشابه‌اند و یک گروه تشکیل می‌دهند. عناصر شیمیایی، به‌صورت فلز و ناقلز، یا شبه فلز نیز در جدول تناوبی طبقه‌بندی می‌شوند.
| مدل اتمی رادرفورد | مدل اتمی تامسون |
عدد جرمی یک اتم، برابر با تعداد کل پروتون‌ها و نوترون‌ها موجود در هسته آن اتم است. اتم‌های یک عنصر که دارای جرم‌های متفاوت باشند، یعنی تعداد نوترون‌های‌شان متفاوت باشد، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. جرم یک اتم، در مقیاس مبتنی بر جرم اتم کربن ۱٢ بیان می‌شود. وزن اتمی یک عنصر، شامل جرم تمام ایزوتوپ‌های آن عنصر با توجه به فراوانی طبیعی آن‌ها است،
[▲] يادداشت‌ها
[▲] پيوست‌ها
...
[▲] پی‌نوشت‌ها
مورتیمر، چارلز، شیمی عمومی، ص ۱٦؛ دکتر پرویز اذکایی می‌نویسد: «در تاریخ علم مشهور است که دموکرتیوس (ذیمقراطیس آبدرایی) (۴٦٠-٣٧٠ ق.م)، پدر اتمیسم در جهان است، نخستین‌بار نگره‌ی اجزای صِغار (ذرات) را مطرح کرد. بر حسب نظر و مکتب وی توده‌ای نامنتاهی از «بذر»های تمام عوالم به یکدیگر آمیخته شده‌اند، که غیر قابل رؤیت و تقسیم – یعنی اجزای لایتجزی (Atomos) اند، و همین خود «مَلاَ تام» است که ازلی و پایدار باشد. نگرش اپیکوروس (ابیقور) (٣۴٢-٢٧۱ ق.م) هم در ذره‌گرایی از آن‌رو محل عنایت شده است، که قایل بود عالم تنها به طریق «تصادف» از اتم‌ها به‌وجود آمده‌اند. ارسط در کتاب متافیزیک گوید که: اتم‌های دموکریتوس همچون «نقطه‌ی» ریاضی بدون ابعادند، که چون بخش‌ناپذیرند و دارای «وضع»اند، امتدادی نداشته و اگر تکوین پیدا کنند، تنها کمیت باقی بماند و آن‌ها به‌خود متحرک‌اند. آن‌گاه در کتاب فیزیک خود در بحث از وجود نامتناهی گوید: حکمایی تعداد «عناصر» را محدود کرده‌اند، اما از جمله دموکریتوس تعداد «عناصر» را محدود ننموده، و به نظر وی نامتناهی مرکب از اجزای متجانسی است – یعنی – از «تخمه» جِرم اَشکال اتمی می‌باشد.
هیچ‌کسی تاکنون درباره‌ی خاستگاه ایرانی ذره‌گرایی چیزی نگفته (طبق معمول شرق‌شناسان که تمام آرای فلسفی و نتایج فکری، حتی نظریات کلام اسلامی را نیز عمداً به سرچشمه‌های یونانی و مسیحی می‌پیوندند و می‌رسانند) صرف‌نظر از این‌که فیثاغورس – که گفته‌اند شاگرد زرتشت بوده – سخت از اعتقادات و جهان‌شناختی و فلسفی ایران باستان تأثر یافته، و نگره‌های او در آرای ذره‌گری متفکران یونان پیش از سقراط دخیل و مؤثر گشته؛ ظاهراً نگرش ذره‌ای حکیمان ایران باستان بایستی در زمینه‌ی دانش کیمیای ایشان پی‌جویی شود (همان‌طور که ذره‌گری حکیم رازی در کیمیا و شیمی او ریشه دارد) و سیمای برجسته و پُر آوازه در این رشته، همان حکیم اسطانس (Ostanas) مغ بزرگ ایرانی می‌باشد، که دموکریتوس آبدرای (پدر اتمیسم) در کتاب فیزیکای خود، اصول علمی «طبیعت غالب» را از وی به نقل آورده است.همان‌جا، ص ۱٦
ریموند چانگ و جیسون اوربی، شیمی عمومی (مفاهیم اساسی)، متن انگلیسی - چاپ ششم، ص ٣٠
مورتیمر، چارلز، همان‌جا، ص ۱٦؛ ریموند چانگ و جیسون اوربی می‌نویسند: «در قرن پنجم پیش از میلاد، دموکریتوس، فیلسوف یونانی، این عقیده را بیان داشت که تمام مواد شامل ذرات بسیار ریز و تقسیم‌ناپذیر هستند، که او این ذرات را آتوموس نامید (به‌معنای برش‌ناپذیر یا تقسیم‌ناپذیر). اگر چه نظر دموکریتوس، توسط بسیاری از معاصران او (به‌ویژه افلاطون و ارسطو)، پذیرفته شد، ولی به‌تدریج جا پای خود را باز کرد. چنان‌که تحقیقات اولیه‌ی علمی، شواهد تجربی برای حمایت از مفهوم «اتمیسم» ارائه داد و به‌تدریج، منجر به گسترش تعاریف مدرن از عناصر و ترکیبات شد.» ( ریموند چانگ و جیسون اوربی، شیمی عمومی (مفاهیم اساسی)، متن انگلیسی - چاپ ششم، ص ٣٠)
[▲] جُستارهای وابسته
□
□
□
[▲] سرچشمه‌ها
□ مورتیمر، چارلز، شیمی عمومی، ترجمه‌ی عیسی یاوری، تهران: نشر علوم دانشگاهی، چاپ هشتم - پائیز ۱٣٨٠
□
□
□
[▲] پيوند به بیرون
□ [۱ ٢ ٣ ۴ ۵ ٦ ٧ ٨ ٩ ۱٠ ۱۱ ۱٢ ۱٣ ۱۴ ۱۵ ۱٦ ۱٧ ۱٨ ۱۹ ٢٠]
رده‌ها: │ شیمی │ فیزیک کوانتومی بنیادی │ فیزیک اتمی │ نظریه‌های شیمی │ فیزیک اتمی │ ماده │ اتم
