ه‍.ش. ۱۳۹۵ شهریور ۲۷, شنبه

مدل‌های اتمی

از: دانشنامه‌ی آریانا

مدل‌های اتمی


فهرست مندرجات
تاریخ شیمیاتم

مدل‌های اتمی (به انگلیسی: Models of the atom یا Atomic Models)، نشان‌دهنده‌ی آن است که ساختار یک اتم، بر اساس آنچه که بشر در مورد چگونگی رفتار اتم می‌داند، چگونه می‌تواند به‌نظر برسد. امروزه این نکته مهم است تا درک شود، بشر چیزهای زیادی را که درباره‌ی اتم می‌داند، در مسیر طولانی زمان، چگونه تحول و توسعه یافته است. از آن‌جا که اغلب پیشرفت دانش علمی همراه با پیدایش یک نظریه‌ای جدید، براساس نظریه‌های پیشین است، بنابراین، در این‌جا به مطالعه این‌که چگونه دانش مدرن بشر درباره‌ی اتم، در طول زمان، تکامل یافته است، پرداخته می‌شود.


پیشینه‌ی تاریخی
مدل‌های اتمی

دِموکریت (Democritus)، دِموکریتوس یا ذیمقراطیس، از آخرین فیلسوفان یونانی پیش از سقراط، که مهم‌ترین شارح و بسط‌دهنده‌ی افکار لئوکیپوس درباره‌ی اتم‌گرایی بود، در ۵۰۰ سال پیش از میلاد، نخستین تحقیق‌ها در رابطه با اتم را انجام داد. با آن‌که نتایج آزمایش‌ها او امروزه هیچ‌کدام مورد قبول نیست، اما اصلی‌ترین گامی بود که در راستای تحقیق در رابطه با اتم برداشته شد. او بر این عقیده بود که: «ماده ساختار ذرّه‌ای دارد و از ذرّه‌ها بسیار کوچکی ساخته شده‌ است که خود آن ذرّه‌ (اتم) را می‌توان تجزیه‌ناپذبر نامید.» او هم‌چنین افزود: «اتم مواد مختلف در شکل با یکدیگر متفاوت است. برای مثال مواد تیز و برنده یا ترش دارای اتمی با لبه‌های تیز به‌شکل‌هایی چون مثلث هستند یا مواد نرم و شیرین دارای شکلی دایره‌ای می‌باشند». البته این مورد در نظرات بعدی کاملاً رد شد.

اتم‌ها تا سال ۱۸۹۷ میلادی، هم‌چنان کوچک‌‌ترین ذرّه‌ای ماده و تجزیه‌ناپذیر تلقی می‌شدند. در این سال، جوزف جان تامسون (Joseph John Thomson)، فیزیکدان انگلیسی که در سال ۱۹۰٦، جایزه‌ی نوبل فیزیک را به‌خاطر کار بر روی خواص الکتریکی گازها به‌دست آورد، طی تحقیقات روی پرتوهای کاتدی، الکترون را کشف کرد. او با قرار دادن یک میدان الکتریکی در اطراف پرتوهای کاتدی متوجه انحراف پرتوها شد و به‌وجود الکترون در اتم پی برد و در نتیجه تجزیه‌ناپذیر بودن اتم را رد کرد. پس از آن، با استناد بر آزمایش خود، یک مدل اتمی ارائه کرد که به مدل کیک کشمشی یا مدل هندوانه‌ای معروف شد.

اما، مدل تامسون در سال ۱۹۰۹ توسط ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford)، یکی از شاگردان قدیمی او رد شد. رادرفورد و هانس گیگر آزمایش ورقه‌ی طلا را ابداع کردند. آن‌ها در این آزمایش یک ورقه نازک طلا را در معرض پرتوهای آلفا قرار دادند. آن‌ها انتظار داشتند که بر اساس مدل تامسون پرتوهای آلفا با انحراف بسیار کمی از ورقه‌ی طلا عبور کنند، اما بسیاری از پرتوها با زاویه‌ی بیشتر از ۹۰ درجه بازگشتند. رادرفورد نتیجه گرفت که اتم دارای هسته‌ای متمرکز است و مدل اتمی خود را ارئه کرد.

پس از ارنست رادرفورد، نیلز هنریک داوید بور (Niels Henrik David Bohr) یا نیلز بور (Niels Bohr)، فیزیکدان دانمارکی که شهرت او بیشتر به‌علت ردکردن مدل اتمی رادرفورد و ابداع مدل اتمی خود است، در سال ۱۹۱۳، با توجه به نظریه‌های کوانتومی پلانک و اینشتین، با تجدیدنظر بنیادی در فیزیک کلاسیک، مدل اتمی خود که مانند سامانه‌ی خورشیدی (یک هسته در مرکز و الکترون‌ها پیرامونش در گردش) بود را بیان کرد.

مدل‌های اتمی
مدل اتمی تامسون مدل اتمی رادرفورد مدل اتمی بور
مدل اتمی تامسون مدل اتمی رادرفورد مدل اتمی بور


مدل اتمی دالتون
جان دالتون

جان دالتون (John Dalton)، شیمیدان و فیزیکدان بریتانیایی که معروفیت او بیشتر به‌خاطر پیشگامی او در نظریه اتمی است، نظریه اتمی خود را با اجرای آزمایش در هفت بند بیان کرد:

  • ماده از ذره‌های تجزیه‌ناپذیری به‌نام اتم ساخته شده‌ است.
  • همه‌ی اتم‌های یک عنصر، مشابه یکدیگرند.
  • اتم‌ها نه به‌وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند.
  • همه‌ی اتم‌های یک عنصر جرم یکسان و خواص شیمیایی یکسان دارند.
  • اتم‌های عنصرهای مختلف به‌هم متصل می‌شوند و مولکول‌ها را به‌وجود می‌آورند.
  • در هر مولکول از یک ماده مرکب معین، همواره نوع و تعداد نسبی اتم‌های سازنده‌ی آن یکسان است.
  • واکنش‌های شیمیایی شامل جابه‌جایی اتم‌ها و یا تغییر در شیوه‌ی اتصال آن‌ها است.

نظریه‌های دالتون نارسایی‌ها و ایرادهایی دارد و اما آغازی مهم بود. مواردی که نظریه‌ی دالتون نمی‌توانست توجیه کند: پدیده‌ی برقکافت (الکترولیز) و نتایج مربوط به آن، پیوند یونی - فرق یون با اتم خنثی، پرتو کاتدی، پرتوزایی و واکنش‌های هسته‌ای، مفهوم ظرفیت در عناصر گوناگون، و پدیده‌ی ایزوتوپی.

قسمت اول نظریه‌ی دالتون تأیید فیلسوف یونانی (دموکریت) بود. نظریه‌ی دالتون از سه قسمت اصلی (قانون بقای جرم - قانون نسبت‌ها معین - قانون نسبت‌های چندگانه) می‌باشد. مطالعه‌ی اتم‌ها و ذرات ریزتر فقط به‌صورت غیرمستقیم و از روی رفتار (خواص) امکان‌پذیر است.

نخستین ذره‌ی زیراتمی شناخته‌شده، الکترون است. مواردی که به کشف و شناخت الکترون منجر شد: الکتریسیته‌ی ساکن یا مالشی، پدیده‌ی الکترولیز (برقکافت)، پرتو کاتدی، و پدیده‌ی پرتوزایی.


مدل اتمی تامسون
جوزف تامسون

مدل اتمی تامسون (Plum pudding model)، یکی از کوشش‌ها برای توضیح ساختمان اتم در آغاز قرن بیستم بود. برای نخستین‌بار جوزف تامسون، در سال ۱۸۹۷، با استفاده از لامپ پرتو کاتدی، به‌وجود ذرات زیراتمی پی برد. وی به دو سر الکترود مثبت و منفی لامپ، اختلاف پتانسیل الکتریکی وصل کرد، و مشاهده کرد که پرتو کاتدی از الکترود منفی (کاتد) به الکترود مثبت (آند) می‌رود. سپس در مسیر پرتو کاتدی میدان الکتریکی قرار داد و مشاهده کرد که پرتو کاتدی به‌سمت قطب مثبت منحرف می‌شود؛ و هم‌چنین در این مسیر، توربین پرّه‌دار قرار داد و بر اثر برخورد پرتو به توربین، توربین شروع به حرکت می‌کرد.

وی با تکیه بر آزمایش‌های خود به این نتیجه رسید که ذرات سازنده‌ی پرتو کاتدی دارای بارالکتریکی منفی هستند و هم‌چنین علاوه بر ماهیت موجی که پرتو دارد، ماهیت ذره‌ای نیز از خود نشان می‌دهد. تامسون این ذرات منفی را الکترون نامید.

بعدها وی دریافت که ذرات سازنده‌ی پرتو کاتدی در تمام مواد وجود دارند. وی با استناد بر آزمایش‌های خود نظریه اتمی خود را مطرح ساخت. مطابق این مدل، اتم از بار الکتریکی منفی (الکترون) و بار الکتریکی مثبت تشکیل شده است که به‌صورت یکنواخت در سراسر اتم پخش شده است.

تامسون، مدل خود را به کیک کشمشی تشبیه کرد، به‌طوری که الکترون‌ها همان کشمش‌ها و بار مثبت کیک است. مدل اتمی تامسون (کیک کشمشی، مدل هندوانه‌ای یا ژله میوه‌دار) عبارت است از:

  • الکترون با بار منفی، درون فضای ابرگونه با بار مثبت، پراکنده شده‌اند.
  • اتم در مجموع خنثی است. مقدار بار مثبت با بار منفی برابر است.
  • این ابر کروی مثبت، جرمی ندارد و جرم اتم به تعداد الکترون آن بستگی دارد.
  • جرم زیاد اتم از وجود تعداد بسیار زیادی الکترون در آن ناشی می‌شود.

نقص مدل اتمی تامسون با آزمایش معروف ارنست راترفورد، در سال ۱۹۰۹، آشکار شد.

مدل اتمی تامسون
جوزف تامسون مدل اتمی تامسون کیک کشمشی کریسمس
جوزف تامسون مدل اتمی تامسون کیک کشمشی کریسمس


مدل اتمی رادرفورد
ارنست رادرفورد

مدل اتمی رادرفورد (Rutherford model)، مدلی از ساختمان اتم است که ارنست رادرفورد در سال ۱۹۱۱ میلادی ارائه کرد.

پیش از مدل رادرفورد تصور دانشمندان از ساختمان اتم براساس مدل اتمی تامسون بود، که اتم را به‌صورت مجموعه‌ای از الکترون‌ها (بارهای منفی) که در میان بارهای مثبت پراکنده هستند، در نظر می‌گرفت. رادرفورد، هشت سال پس از مدل تامسون، در سال ۱۹۱۱، پس از آزمایش معروف ورقه طلای خود مدل دیگری را پیشنهاد کرد. او با تاباندن ذرات آلفا به ورقه نازکی از طلا (به‌ضخامت 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. بنابراین، نتیجه گرفت که بخش بزرگی از اتم فضای خالی است و در مرکز اتم هسته چگالی وجود دارد.

مدل اتمی رادرفورد در مقایسه با مدل تامسون

او کشف کرد که بیش‌تر جرم اتم مربوط به بار مثبت است و بار مثبت در یک فضای کوچک به‌نام هسته، در مرکز اتم فشرده شده‌ است. الکترون‌ها نیز در فضایی اطراف هسته قرار دارند.

بزرگ‌ترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچستر کشف ساختار هسته اتم بود. پیش از رادرفورد اتم به گفته‌ی خود او یک موجود نازنین سخت و قرمز و یا به‌حسب سلیقه خاکستری بود، اما اینک یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی‌شمار است که مظنون به نهفته‌داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم است.

به‌هر حال، مدل اتمی رادرفورد در دو مورد پایداری اتم و طیف ناپیوسته‌ی تابشی اتم پاسخی نداشت. بر اساس مدل رادرفورد اتم نمی‌توانست پایدار باشد؛ زیرا اگر فرض شود الکترون‌ها ثابت هستند، الکترون به دلیل بار منفی جذب هسته می‌شود و اگر فرض شود که الکترون‌ها مانند سیارات منظومه‌ی شمسی در حال حرکت به‌دور هسته هستند و نیروی مرکزگرا همان نیروی الکتریکی‌ است، الکترون‌ها باید موج الکترومغناطیسی تابش کنند که در این صورت انرژی الکترون‌ها کاهش یافته و به‌تدریج روی اتم سقوط می‌کنند.[غلامعلی محمودزاده، «آشنایی با فیزیک اتمی»، در فیزیک (۲) پیش‌دانشگاهی، مبتکران، چاپ ۲۰۰۹، ص ۲۵۰.]


مدل اتمی بور
نیلز بور همراه با آلبرت اینشتین، در سال ۱۹٢۵

مدل اتمی بور (Bohr model)، که به مدل منظومه شمسی معروف است، یکی از مدل‌هایی است که برای توضیح ساختمان اتم، در سال ۱۹۱۳، توسط نیلز بور، با توجه به نظریه‌های کوانتومی پلانک و اینشتین، با تجدیدنظر بنیادی در فیزیک کلاسیک، ارائه شد.

او در زمینه‌ی چگونگی طیف نشری خطی اتم عناصر با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد چنین پیشنهاد داد که الکترون‌ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی قرار دارند و در این سطوح به دور هسته اتم در حال چرخش هستند. انرژی الکترون‌هایی که در سطوح انرژی پایین‌تر به هسته نزدیک‌تر هستند، نسبت به الکترون‌هایی که از هسته دورند، انرژی کمتری دارند. پس برای انتقال الکترون از سطح انرژی پایین به سطح انرژی بالا، باید انرژی معادل اختلاف انرژی بین آن دو سطح را به آن الکترون داده شود. پس انرژی الکترون‌ها در یک اتم کوانتیده (گسسته) است.

مدل اتمی بور نشان داد که طیف نشر خطی که از اتم عناصر گسیل می‌شود، بر اثر انتقال الکترون‌ها از سطوح انرژی بالا به سطوح انرژی پایین است، که در این انتقال انرژی الکترون کاهش می‌یابد و به‌صورت نور و گرما آزاد می‌شود. اگر نور آزاد شده، از منشور عبور داده شود، طیف نشری آن مشخص می‌شود. بور مدل اتمی خود را بر اساس آزمایش‌هایی که با اتم‌های هیدروژن و هلیم انجام شده بود، مطرح می‌ساخت به‌همین دلیل مدل اتمی او برای اتم‌های سنگینی مانند اورانیوم، آهن و ... صدق نمی‌کرد. به‌همین دلیل مدل اتمی کوانتمی (یا ابر الکترونی) با همکاری بسیاری از دانشمندان مانند هایزنبرگ، پلانک و شرودینگر مطرح شد. البته اینشتین با ارائه فرمول‌های خود نیز توانست به این مدل اتمی کمک کند.

به نوشته‌ی غلامعلی محمودزاده، او در نظریه‌ی خود اعلام کرد که الکترون‌ها در هر مداری نمی‌توانند پایدار بمانند و فقط در مدارهای مجازی به‌نام «مدارهای مانا» می‌توانند پایدار بمانند و به‌دور هسته بچرخند. او نیروی مرکزگرا را نیز همان نیروی الکتریکی فرض کرد. تا زمانی‌که الکترون روی مدار مانا حرکت کند، موج الکترومغناطیسی تابش نمی‌کند و انرژی آن مانا است. در مدل بور شعاع مدار الکترون‌ها نمی‌تواند هر مقداری باشد و شعاع‌ها کوانتیده هستند و الکترون‌ها تنها هنگام جهش از یک مدار پایه به یک مدار با انرژی بیشتر تابش می‌کنند و مقدار انرژی آن‌ها نیز کوانتیده‌است.[غلامعلی محمودزاده، «آشنایی با فیزیک اتمی»، در فیزیک (۲) پیش‌دانشگاهی، مبتکران، چاپ ۲۰۰۹، صص ۲۵۱–۲۵۲.]

نیلز بور، یکی از محققان موفق در این راه بود که با وجود اشتباه بودن مدل او بازهم در خیلی مکان‌ها مانند انرژی اتمی از آن استفاده می‌شود. مدل اتمی بور، بر دو اصل متکی بود: اتم دارای هسته کوچک اما سنگین با بار مثبت است و هسته در اتم در حجم کمی قرار دارد که اطراف آن الکترون‌ها بر روی مدارهایی مانند منظومه شمسی به دور آن می‌چرخند.

هم‌چنین او بر این باور بود که الکترون‌ها بر روی مدارهایی به دور هسته‌ی اتم پیوسته در حال گردش‌اند و این نظریه علاوه بر نارسا بودن اطلاعات، سودمندی در رابطه‌ی با ساختار اتم می‌دهد، منطور از نارسا بودن این است که شکل‌های الکترون‌ها به‌صورت ناقص ترسیم شده است، در حالی که امروزه نظریه‌ی کامل‌تری با نام مدل لایه‌ای عرضه شده‌ است.


مدل اتمی جیمز چادویک
جیمز چادویک

مدل اتمی جیمز چادویک (Chadwick Atomic Model)، یکی از مدل‌هایی است که برای توضیح ساختار اتم، توسط جیمز چدویک، فیزیک‌دان انگلیسی ارائه شد. او، در سال ۱۹۳۲، نوترون که وجود آن را، رادرفورد در سال ۱۹۲۰ پیش‌بینی کرده بود، کشف کرد و به‌همین سبب، در سال ۱۹۳۵ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

قطعاً مدل اتمی بور با نقص قابل توجهی روبه‌رو بود، آن‌هم نبود نوترون یا ماده‌ای که دافعه‌ای که بین پروتون‌ها در مرکز هسته را از بین ببرد وجود نداشت و بنابر این چادویک بر درستی مدل منظومه‌ی شمسی نیلز بور تاکید کرد، اما نقص آن را با توضیح وجود نوترون در هسته‌ی اتم کامل نمود و از آن به بعد، اصلاحات دیگری بر روی هسته‌ی اتم انجام نشده است؛ ولی البته دانشمندان بزرگی همچون اروین شرودینگر هم پس از او نیز نظریات اتمی زیادی دادن ولی هنوز هم کامل‌ترین نظریه متعلق به جیمز چادویک (در رابطه با هسته اتم) است.


مدل اتمی لایه‌ای

یک مدل اتمی است که امروزه پذیرفته شده‌ است؛ ولی هنوز از مدل اتمی بور برای نمایش اتم استفاده می‌شود. در این مدل مانند مدل بور هسته که عمده‌ی جرم اتم را تشکیل داده در مرکز اتم قرار دارد و الکترون‌ها با انرژی‌های مختلف به‌دور هسته در حال گردش هستند. با این تفاوت که در این مدل الکترون‌ها به‌شکل ابری که ابر الکترونی نامیده شده‌ است، در اطراف هسته اتم و در فضای بسیار بزرگی که قطر آن ۱۰۰۰۰ برابر قطر هسته‌ی اتم است، در حرکت‌اند.


[] يادداشت‌ها




[] پيوست‌ها


...


[] پی‌نوشت‌ها

...


[] جُستارهای وابسته






[] سرچشمه‌ها







[] پيوند به بیرون

[۱ ٢ ٣ ۴ ۵ ٦ ٧ ٨ ٩ ۱٠ ۱۱ ۱٢ ۱٣ ۱۴ ۱۵ ۱٦ ۱٧ ۱٨ ۱۹ ٢٠]

رده‌ها:تاریخ علمشیمیتاریخ شیمی