اتم چیست؟

• توسط : محبوبه خاوری
• در : ۱۳۹۹-۰۳-۲۶
• در : اخبار علمی و آموزشی دانستنیها علمی

اتم چیست و ساختار اتم چگونه است و یک اتم از چه اجزائی تشکیل شده است. در ادامه می خواهیم به این سوالات پاسخ دهیم.

اتم ها واحدهای اساسی ماده هستند که ساختار عناصر را تشکیل می دهند اصطلاح اتم از واژه یونانی atom گرفته شده است که به معنای “غیر قابل تفکیک” است زیرا زمانی تصور می شد که اتم ها کوچکترین واحد جهان هستند و نمی توان آن ها از آن چه که است بیشتر تقسیم کرد. اما اکنون می دانیم که اتم ها خود از سه ذره تشکیل شده اند: پروتون، نوترون و الکترون – که خود این ذرات حتی از ذرات کوچکتری مانند کوارک ها تشکیل شده اند.

تحقیقات نشان می دهد که اتم ها پس از ۱۳/۳ میلیارد سال پیش از انفجار بزرگ ایجاد شده اند؛ در این زمان با متارکم شدن جهان شرایط برای شکل گیری کوارک ها و الکترون ها مناسب شد. کوارک ها برای تشکیل پروتون ها و نوترون ها جمع شدند و این ذرات در هسته ها ترکیب شدند. به گزارش سرن به نقل از سرنا این ها همه در اولین دقایق نخست وجود جهان اتفاق افتاده اند.

۳۸۰،۰۰۰ سال طول کشید تا جهان به اندازه کافی خنک شود و سرعت الکترون ها کاهش پیدا کند و هسته ها بتوانند آن ها را به دست آورند و به این ترتیب اولین اتم ها ایجاد شوند. طبق آزمایشات جفرسون، اولین اتم ها در درجه اول هیدروژن و هلیوم بودند که هنوز هم فراوان ترین عناصر جهان هستند. سرانجام جاذبه باعث شد كه ابرهای گاز به هم پیوسته و ستارگان را تشکیل دهند و اتم های سنگین تر (که هنوز هم وجود دارند) در درون ستارگان ایجاد شده و هنگام انفجار ستاره (ابرنواختر) ستاره ها به سراسر جهان فرستاده شوند.

بیشتر بخوانید : جهان چگونه به وجود آمد؟

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

ساختار اتم و ذرات تشکیل دهنده آن

پروتون ها و نوترون ها از الکترون ها سنگین تر هستند و در هسته اتم قرار دارند و الکترون ها که بسیار سبک وزن اند در مدارهایی در اطراف هسته به دور آن می چرخند.  بر اساس گزارش نشنال لب لوس آلاموس ایالات متحده، ابر الکترونی دارای شعاع ۱۰۰۰۰ برابر بیشتر از هسته است.

پروتون ها و نوترون ها تقریباً برابر هستند. با این حال یک پروتون در حدود ۱۸۳۵ برابر عظیم تر از یک الکترون است. اتم ها همیشه تعداد پروتون و الکترون مساوی دارند و معمولاً تعداد پروتون ها و نوترون ها نیز یکسان است. اضافه کردن یک پروتون به یک اتم یک عنصر جدید را ایجاد می کند در حالی که اضافه کردن یک نوترون یک ایزوتوپ یا نسخه سنگین تر آن اتم را پدید می آورد.

هسته اتم

هسته اتم در سال ۱۹۱۱ توسط ارنست رادرفورد فیزیکدان نیوزیلندی کشف شد. در سال ۱۹۲۰ رادرفورد پروتون را به عنوان یکی از ذرات موجود در ساختار اتم با بار مثبت نامگذاری کرد. وی همچنین این تئوری را مطرح كرد كه ذره ای خنثی در هسته وجود دارد كه جیمز چادویك، فیزیكدان انگلیسی و شاگرد رادرفورد در سال ۱۹۳۲ توانست وجود آن را به اثبات برساند.

طبق ماده شیمیایی لیبرتکس ، تقریباً تمام جرم یک اتم در هسته آن ساکن است. پروتون ها و نوترون هایی که هسته را تشکیل می دهند تقریباً دارای جرم یکسان هستند (پروتون کمی کمتر است) و دارای همان حرکت زاویه ای یا چرخشی می باشد. این هسته توسط یک نیروی قوی که یکی از چهار نیروی اساسی در طبیعت است در کنار هم قرار گرفته است. این نیرو بین پروتون ها و نوترون ها بر غلبه بر نیروی دافع الکتریکی کمک می کند در غیر این صورت طبق قوانین الکتریکی پروتون ها از هم دور خواهند شد. بعضی از هسته های اتمی ناپایدار هستند زیرا نیروی اتصال برای اتم های مختلف بر اساس اندازه هسته متفاوت است. سپس این اتم عناصر دیگر تنزل داده می شوند مانند کربن ۱۴ به نیتروژن ۱۴٫

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

پروتون ها

پروتون ها ذرات با بار مثبت هستند که در هسته های اتمی یافت می شوند. رادرفورد آنها را در آزمایشات با لامپ های کاتدی که بین سالهای ۱۹۱۱ و ۱۹۱۹ انجام شد کشف کرد. پروتون ها در حدود ۹۹٫۸۶٪ به اندازه نوترون ها عظیم هستند.

تعداد پروتون های موجود در یک اتم برای هر عنصر بی نظیر است. به عنوان مثال اتم های کربن شش پروتون دارند، اتم های هیدروژن دارای یک و اتم های اکسیژن دارای هشت پروتون هستند. به تعداد پروتون های موجود در یک اتم، عدد اتمی آن عنصر گفته می شود. تعداد پروتون ها نیز رفتار شیمیایی عنصر را تعیین می کند. عناصر به منظور افزایش تعداد اتمی در جدول تناوبی عناصر چیده شده اند.

بیشتر بخوانید : زندگی نامه آیزاک نیوتن

سه کوارک هر پروتون را تشکیل می دهد – دو کوارک “بالا” (هر یک با دو سوم بار مثبت) و یک کوارک “پایین” (با یک بار منفی یک سوم) – که همه آن ها توسط سایر ذرات زیر اتمی به نام گلون ها نگهداری می شوند. گلون ها بدون جرم هستند.

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

الکترون ها

الکترون ها در مقایسه با پروتون ها و نوترون ها بسیار کوچک هستند و بیش از ۱۸۰۰ برابر کوچکتر از پروتون یا نوترون محسوب می شوند. به گفته آزمایشگاه جفرسون الکترون ها در حدود ۰٫۰۵۴٪ به اندازه نوترون ها جرم دارند.

جوزف جان تامسون فیزیكدان انگلیسی الكترون را در سال ۱۸۹۷ كشف كرد. الکترون ها بار منفی دارند و از نظر الکتریکی به پروتون هایی با بار مثبت جذب می شوند. الکترون ها هسته اتمی را در مسیری به نام اوربیتال orbital احاطه می کنند. وجود اوربیتال اولین بار توسط اروین شرودینگر فیزیکدان اتریشی در دهه ۱۹۲۰ مطرح شد. امروزه این مدل به عنوان مدل کوانتومی یا مدل ابر الکترونی شناخته می شود. مدارهای داخلی اطراف اتم کروی هستند اما مدارهای بیرونی بسیار پیچیده تر از مداری های درونی محسوب می شوند.

پیکربندی الکترون اتم به مکان الکترون ها در یک اتم معمولی اشاره دارد. مطابق با گزارشات آزمایشگاه ملی لوس آلاموس آمریکا،  شیمیدانان می توانند با استفاده از پیکربندی الکترونی و اصول فیزیک، خصوصیات یک اتم مانند ثبات، نقطه جوش و هدایت را پیش بینی کنند.

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

نوترون ها

طبق گفته انجمن فیزیك آمریکا، وجود نوترون ها توسط رادرفورد تئوریزه شد و در سال ۱۹۳۲ توسط چادویك شاگرد او كشف شد. نوترون ها در طول آزمایشات و وقتی که اتم ها روی یک ورقه نازک بریلیم شلیک شدند پیدا شدند. نوترون، ذرات زیر اتمی بدون بار آزاد ثبت و معرفی شده اند.

نوترون ها ذرات قابل شارژ در تمام هسته های اتمی هستند (به جز هیدروژن). جرم نوترون کمی از پروتون بزرگتر است. مانند پروتون ها، نوترون ها نیز از کوارک ها ساخته می شوند – یکی کوارک “بالا” (با بار مثبت ۲/۳) و دو کوارک “پایین” (هر یک با بار منفی یک سوم).

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

آشنایی با تاریخ اتم (اتم چگونه کشف شد؟)

طبق گفته اندرو جی ون ملسن Andrew G. Van Melsen، نویسنده کتاب “از اتموس تا اتم: تاریخچه مفهوم اتم” (دكوشن ، انتشارات دانشگاه دوكسن، ۱۹۵۲) تئوری اتم و نظریات پیرامون وجود ذره ای بسیار کوچک که همه چیز از آن تشکیل شده است حداقل به ۴۴۰ قبل از میلاد مسیح بر می گردد و شواهد و مدارک نسبتاً قوی می گویند که دموکریتوس، دانشمند و فیلسوف یونانی نخستین کسی بود که به وجود این ذرات بسیار ریز اشاره کرد و می توان او را اولین کسی دانست که نظریه خود را بر اساس وجود اتم ها بنا کرده است.

توضیحات دموكریتوس درباره اتم با سنگ آغاز می شود. یک سنگ تراشیده شده که به دو نیمه تقسیم شده باشد؛ دموكریتوس در این مثال بیان می کند این سنگ آنقدر به قطعات ریزتری تقسیم می شود که دیگر بیش از آن نمی توان آن را خردتر و کوچکتر کرد. اصطلاح اتم نیز از همین جا گرفته شد که به معنای  “غیر قابل تفکیک” است و دموكریتوس نتیجه گرفت باید نقطه ای باشد که یک موجود (هر شکل ماده) بیش از آن دیگر قابل تقسیم نیست.

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

توضیحات دموكریتوس بیان می کردند که :

• اتم ها جدا از یکدیگر وجود ندارند.
• اتم ها به صورت نامحدود در همه جا موجودند.
• اتم ها قادر به حرکت هستند.
• اتم ها می توانند با هم ترکیب شوند تا ماده ایجادی را کنند اما برای تبدیل شدن به یک اتم جدید ادغام نمی شوند.

تفسیری که دموكریتوس از اتم ها به دست آورد تا حد زیادی جالب و قابل توجه بود اما آن زمان شمشیر ارسطو تیزتر از شمشیر سایر اندیشمندان هم عصرش بود و لذا عقیده او مبنی این که همه موجودات عالم از چهار عناصر آب، خاک، آتش و هوا ایجاد شده است بیش از تفسیر دموكریتوس مورد توجه قرار گرفت و تئوری اتم هایی که دموكریتوس از آن حرف می زد برای مدت مدیدی به کنار گذاشته شد.

بیشتر بخوانید : انرژی تاریک چیست؟

به گفته دپارتمان شیمی دانشگاه پوردو، جان دالتون شیمیدان انگلیسی در سال ۱۸۰۳ وقتی که نظریه اتمی خود را مطرح کرد تا حد زیادی آن را بر اساس نظریات دموكریتوس بنیان نهاده بود برای مثال اتم ها غیرقابل تفکیک و غیر قابل تجزیه هستند و اتم های مختلفی برای ایجاد مواد مختلف در کنار هم قرار می گیرند و ماده جدید را پدید می آورند.

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

الحاقات دالتون به این تئوری شامل ایده های زیر بود:

• تمام اتم های یک عنصر خاص یکسان هستند.
• اتم های یک عنصر دارای وزن و خصوصیات متفاوتی نسبت به اتم های یک عنصر دیگر هستند.
• اتم ها نمی توانند ایجاد یا از بین بروند و بر این اساس ماده جدیدی از ایجاد یا از بین رفتن آن ها خلق شود.
• پیوند چند اتم با هم ترکیب آن ها را به وجود می آورد.

به گفته بنیاد میراث شیمیایی ایالات متحده، جوزف تامسون فیزیکدان انگلیسی که الکترون را در سال ۱۸۹۷ کشف کرد ، ثابت کرد که اتم ها قابل تقسیم هستند. وی با مطالعه خواص تخلیه الکتریکی در لوله های پرتوی کاتدی توانست وجود الکترون ها را مشخص کند. در سال ۱۸۹۹ ، تامسون توضیحی از نسخه خود را از اتم منتشر کرد ، که معمولاً با عنوان “مدل پودینگ آلو” شناخته می شود. مدل اتم تامسون شامل تعداد زیادی الکترون معلق در چیزی بود که بار مثبت را تولید می کند و به اتم شارژ خنثی می دهد. مدل او شبیه پودینگ آلو بود که نوعی دسر محبوب در بریتانیا است و از این جهت آن را مدل پودینگ آلو نامیده اند.

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

دانشمند بعدی برای اصلاح و پیشرفت بیشتر مدل اتمی، رادرفورد بود که  در سال ۱۹۱۱ بیان داشت که اتم شامل یک هسته با بار مثبت است که الکترون ها در مدارهایی به گرد آن می چرخند. این مدل زمانی پدید آمد که رادرفورد و دستیارانش ذرات آلفا را روی ورقهای نازک طلا شلیک کردند. به گفته آزمایشگاه جفرسون ، یک ذره آلفا از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است که همه آن ها به کمک نیرو هسته ای قوی – یکی از چهار نیروی اصلی حاکم بر طبیعت – هسته را به هم می چسباند و آن در کنار هم قرار می دهد.
رادرفورد توانست اندازه هسته اتم طلا را به طور تقریبی تخمین بزند و آن را حداقل ۱۰،۰۰۰ برابر کوچکتر از اندازه کل اتم شناسای نماید. بنابرین بخش بزرگی از اتم شامل فضای خالی می شود. مدل اتم رادرفورد هنوز به عنوان یک الگوی اساسی به رسمیت شناخته می شود و حتی امروزه مورد استفاده قرار می گیرد.

اتم چیست – ساختار اتم چگونه است

دانشمندان دیگری هم بودند که مدل های دیگری از اتم را ارئه کردند برای مثال مدل نیلز بور (که براساس مدل رادرفورد ساخته شده است تا خواص الکترون ها را بر اساس طیف هیدروژن بگنجاند)، مدل اروین شرودینگر (توسعه مدل کوانتومی اتم)، ورنر هایزنبرگ و و غیره.