راترفورد، وجود ذرات بدون بار را در هستة اتم مسلم مي دانست [آزمايش اول راترفورد] لكن اينكه چرا علي رغم دو برابر بودن بار الكتريكي هليم نسبت به هيدروژن، جرم اتمي آن چهار برابر است مدتها براي دانشمندان ابهام بود تا اينكه چادويك (Chadwick) وجود ذرات پيشنهادي راترفورد را ثابت كرده و جرم آنها را نيز اندازه گرفت كه قدري بيشتر از پروتون است.



پرتوزائي هسته

پرتو ايكس – راديواكتيويته

كشف پرتوايكس و پديده راديواكتيويته از خاطرات دستيابي هاي اتفاقي تاريخ علوم است. وقتي رونتگن (Roentgen) در يك اتاق تاريك مشغول مطالعه درخشش برخي از اجسام در اثر برخورد با پرتو كاتدي بود متوجه شد ورقه آغشته به جسم مورد آزمايش كه در فاصله دوري از لوله پرتو كاتدي قرار داشت نيز درخشش دارد حتي وقتي لوله پرتو كاتدي را به اتاق ديگر برد باز هم درخشش ورقه را در اتاق تاريك مشاهده كرد. رونتگن نام اين پرتو را كه مي توانست از شيشه و ديوار بگذرد پرتوايكس ناميد كه از آند سرچشمه مي گيرد و برخلاف پرتو كاتدي كه جرياني از ذرات با بار منفي بود، جنس آن همانند انرژي نوراني است معذك هر دوي اينها پرتوهاي الكترومغناطيس اند. هرگاه پاره اي از الكترون هاي اتم [به ويژه نزديك ترين الكترونها به هسته اتم] در اثر تحريك، انرژي جذب كنند موقتاً از هسته دور مي شوند ولي پس ازحذف محرك، الكترون ها به مكان اوليه برگشته و انرژي جذب شده را به صورت پرتوايكس با فركانس اختصاصي آن اتم از دست مي دهد. پس از كشف پرتوايكس، بكرل (Becquerel) تصيم گرفت كه تحقيق نمايد آيا ايجاد خاصيت فلورسانس در برخي از مواد شيميايي تحت تأثير نور شديد خورشيد، با پرتوايكس ارتباط دارد يا نه. در حين اين مطالعه در يك روز ابري، فيلم حساس عكاسي را كه بطور كاملا ًمحفوظ داخل پاكت بسته اي در كشوي ميز كارش بود ، به كار گرفت. هنگام ظهور فيلم متوجه لكه هاي سياهي در آن شد و دريافت كه قطعه اورانيومي كه سهواً در كشوي ميز بر روي پاكت قرار داشته، نوعي پرتو نامرئي از خود خارج ساخته كه درست در همان محل ايجاد لك نموده است. آزمايشات بعد نشان داد كه اين تشعشع با فلورسانس ارتباط ندارد. مادام كوري مطالعات زيادي بر روي اين پرتو انجام داد و اين پديده را راديواكتيويته (Radio activity) و مولد آن را راديواكتيو ناميد.



بررسي هستة اتم با راديواكتيو

آزمايش اول راترفورد (Rutherford)

راترفورد، يك قطعه راديوم را كه راديواكتيو است در داخل محفظه اي از سرب كه داراي يك منفذ براي خروج پرتو مي باشد قرار داد. پس از عبور دادن پرتو از يك ميدان قوي مغناطيسي مشاهده كرد كه صفحه فلورسنت در انتهاي دستگاه در سه نقطه روشن شد. نتيجه گرفت كه پرتو فوق از سه جزء تشكيل گرديده است. راترفورد پرتوي را كه به طرف بار منفي منحرف شده، داراي دو بار مثبت و جرمي معادل 4 برابر هيدروژن يا در واقع از جنس هستة هليم بود، آلفا (α) ناميد و پرتوي را هم كه به طرف بار مثبت منحرف شده و همانند پرتو كاتدي جرياني از الكترون هاي با بارمنفي بود بتا (β) ناميد. پرتو سوم كه توسط ميدان مغناطيسي هيچگونه انحرافي پيدا نكرده بود. شباهت بسيار زيادي به پرتو ايكس داشت ولي بسيار نافذتر از آن بود.آن را پرتو گاما (γ) نام نهاد كه نه جرمي داشت ونه بار الكتريكي.





آزمايش دوم راترفورد

بار دوم راترفورد در مقابل پرتو آلفاي خروجي از منبع، يك ورقه نازك از طلا را قرار داد مشاهده نمود كه تقريباً9/99%ذرات α ازورقه عبور كرده و صفحه فلورسنت مقابل را درنقطه اي روشن مي نمايد.از طرفي پرتو مختصري در نقطه ديگري، صفحه فوق را روشن مي سازد و پرتو مختصر ديگري با180درجه انحراف صفحه ديگري را كه روبروي صفحه قبل بود روشن ميكند. وي نتيجه گرفت كه تمام بار مثبت و نيز جرم يك اتم در هسته بسيار كوچك آن متمركز است كه از طريق فضاي بازي با الكترون هافاصله دارد. به اين علت پرتو اول كه از فضاي باز عبور كرده مستقيماً به صفحه مقابل مي رسد، پرتو دوم كه از نزديكي هسته عبور نموده به علت همنامي بار مثبت آن با هسته قدري منحرف گرديده و بالاخره پرتو سوم كه دقيقاً به هسته تابيده 180 درجه منحرف گشته است.

مدل اتمي راترفورد

هر اتم مركب از دو بخش است يكي هسته كه شامل بيشترين جرم و تمام بار مثبت اتم است و ديگري الكترون ها كه بيشترين حجم اتم را اشغال نموده و مقدار بار آن معادل بار مثبت هسته ميباشد درمقياس مدل اتمي راترفورد اگر هسته اتم به اندازه يك توپ تنيس باشد، قطر اتم بيشتر از 5/1 كيلومتر خواهد بود.





نمادهاي اتمي

نماد شيميايي هر عنصر[X] با دو عدد نشان داده مي شود. در سمت چپ در قسمت پائين "عدداتمي" و در قسمت بالا "عدد جرمي" نوشته مي شود. X

1- عدد اتمي Z

اين عدد تعداد واحدهاي بار مثبت هسته را نشان مي دهد. از جايي كه فقط پروتون ها هستند كه

بار مثبت دارند، لذا در واقع عدد اتمي تعداد پروتون ها را نيز مشخص مي كند. از طرف ديگر چون بار الكتريكي اتم خنثي است بنابراين تعداد پروتون ها در واقع به تعداد الكترون ها بوده و در نتيجه عدد اتمي تعداد الكترون ها را نيز نشان مي دهد.

2- عدد جرمي A

جرم الكترون تقريباً صفر است. مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها عددجرمي اتم مي گويند كه نبايدبا جرم اتمي اشتباه كرد.عدد جرمي، يك عدد صحيح است كه تعداد "پروتون +نوترون" ( نوكلئون ) را نشان مي دهد در حالي كه جرم اتمي [كه اغلب به آن اتمي گفته مي شود] عبارتست از ميانگين جرم اتمي ايزوتوپ هاي هر عنصر بر حسب amu مثلاً در يك نمونه گاز كلر،75% اتم ها، جرم اتمي amu 35 و 25% جرم اتمي amu 37 دارد كه ما، جرم اتمي كلر را ميانگين اين دو يعني amu 5/35 به حساب مي آوريم.



ايزوتوپ (Isotope)

تمام اتم هاي يك عنصر معين، عدداتمي يكساني دارند. در برخي از عناصر جرم اتم ها با هم فرق مي كند، يعني عدداتمي آنها يكسان ولي عددجرمي آنها متفاوت است اين عناصر را ايزوتوپ مي گويند. مثل دو ايزوتوپ و كه در هر دو، تعداد پروتون 17 عدد است در حاليكه اولي 18 نوترون و دومي 20 نوترون دارد، پس تفاوت ايزوتوپ ها در تعداد نوترون هسته آنها است.از جائيكه خواص شيميايي يك اتم عمدتاً به عده پروتون و نوترون آن اتم بستگي دارد.



بنابراين قاعدتاً ايزوتوپ ها خواص شيميايي مشابهي خواهند داشت. تعداد ايزوتوپها در عناصر مختلف متفاوت است. عنصري ممكن است يك ايزوتوپ داشته باشد مثل سديم، بريليم، فلوئور و عنصر ديگري بيشتر، مثلاً قلع كه 10 ايزوتوپ دارد. براي تعيين انواع ايزوتوپهاي يك عنصر از دستگاه "طيف سنج جرمي" استفاده مي شود.

طيف خطي وگسترده – مدل اتمي بوهْر(Bohr)

برخي از منابع انرژي تابشي [مثل منبع تابش ليزري] ممكن است طول موج واحدي داشته باشند. پرتوهاي ناشي از اين موج ها را منوكروماتيك يا تك رنگ(monochromatic)ميگويند، معذلك بيشتر منابع پرتوزاي معمولي مانند چراغ هاي روشنايي و يا ستاره ها توليد پرتوهايي را ميكنند كه طول موج هر پرتو با پرتو چسبيده به آن متفاوت است و زماني كه منتشر مي شوند ايجاد يك طيف (spectrum) را مي نمايند.كه حد فاصل هر پرتو از ديگري به صورت يك خط مشخص نيست و در ناحيه جدايي، هر دو پرتو به گونه اي در هم ادغام شده اند. به اين پرتوها، "پيوسته طيف" (continuous spectrum) ميگويند. مانند رنگين كماني كه روزهاي باراني در آسمان بوجود مي آيد. بوهْر نه تنها وجود طيف خطي را توجيه كرد بلكه درهم فشرده نشدن اتم ها را نيز بيان نمود. او معتقد بود كه انرژي يك الكترون در يك اتم محدود و ثابت است و تنها راهي كه يك الكترون مي تواند انرژي خود را تغيير دهد، جهش از يك سطح انرژي معين به سطح معين ديگر است، لذا اگر الكترون در موقعيتي قرار گيرد كه سطح انرژي پائين تر از آن وجود نداشته باشد ديگر نمي تواند انرژي از دست بدهد، در نتيجه اتم ها درهم فشرده نمي شوند. در مورد طيف خطي: به نظر مي رسد كه الكترون ها در اثر كسب انرژي از يك منبع به سطوح انرژي بالاتر مي روند، بعداً وقتي كه به سطح انرژي پائين تر سقوط مي كنند انرژي مكتسبه را به صورت نور با طول موج واحد و مشخصي منتشر مي سازند.

چون ذرات كوچكي مثل الكترون از نظر حركت، از قوانين نيوتن و از نظر تأثير ذرات بار دار متحرك به يكديگر از قوانين الكتروديناميك كلاسيك پيروي نمي كنند. از اين رو اصول جديدي براي توجيه آنها لازم است. بوهْر با فرضيه خود اساس مكانيك كوانتايي را تشكيل داد. بوهْر مدل اتمي خود را متكي بر سه اصل زير پيشنهاد كرد:

1- الكترون هاي هر عنصر مي توانند در مدارهاي مشخصي كه آنها را مدارهاي مجاز ميگويند حركت نمايند. در اين حالت برخلاف نظريه الكترومغناطيس كلاسيك، تشعشعي ازخود خارج نمي سازند. هرالكترون فقط در يك مدار بستة(orbite)دايره اي شكل به شعاع r كه داراي انرژي مشخص و مختص به خود است در حركت مي باشد. نام نزديك ترين مدار به هسته را k و بقيه را به ترتيب N,M,L.......... ناميد. [امروزه ما مدارها را سطوح يا ترازهاي انرژي مي شناسيم و آنها را با عددهاي 1و2و3و........ نام مي بريم.] به اعتقاد بوهْر در هر مدار حداكثر 2n2 الكترون مجاز به حركت است.

2- مدارهاي مجاز كه پايداري حركت به دور هسته را تأمين ميكنند مدارهايي هستند كه در آنها ميزان گشت آورمقدار حركت الكترون معادل مضرب صحيحي از است.

اگر سيمي به طول L را كه از دو طرف بسته شده و در طول آن n موج ساكن باطول موج قرار دارد به شكل حلقه درآيد. مقدار محيط اين حلقه همان طول محيط سيم است و برابر است با: r π L = 2

از طرفي در طول سيم n عدد موج داريم يعني L = nλ حال اگر طرفين دو تساوي را بجاي هم قرار دهيم خواهيم داشت:

2πr Nλ= يا λ = اگرمقدارλ را در رابطه دوبروي (de Broglie) [صفحه ] يعني P = mv =بگذاريم معادله حركت الكترون بدست مي آيد

يعني هرالكترون درمدارمجازمانندامواج ساكن مادي به عمل مي نمايد mvr = n

وقتي الكترون در مدار خود قرار دارد، عنصر هيچگونه انرژي از خود منتشر نمي كند. لكن اگر اتمي را در يك قوس الكتريكي يا شعله چراغ گرم كنيم الكترون ها انرژي جذب كرده و به لايه هاي بالاتر جهش مي كنند. [الكترون را در اين حالت برانگيخته مي نامند] در چنين حالتي اگر الكترون از مدار بالا به مدارپائين ترسقوط كند اختلاف انرژي دو مدا را به صورت يك كوانتاي نوري با انرژي آزاد مي سازد كه نظير يك خط طيفي در طيف نشري هيدروژن است .بسته به اينكه الكترون به كدام مدار جهش يافته و دربازگشت به كدام مدار سقوط كند مقدار و در نتيجه v متفاوت بوده و لذا خطوط طيفي متمايزي خواهيم داشت. =hv



نقص هاي مدل اتمي بوهر

1- مدل اتمي بوهر در مورد اتم هيدروژن[و مشابه آن مثلHe]كه يك هسته ويك الكترون دارد صادق است و در مورد اتم هاي چند الكتروني نارسا مي باشد.

2-اين مدل در مورد چگونگي پيوندهاي شيميايي و انرژي كوانتايزه توجيهي ندارد.