در قرن بیستم گفته شده که انسان قدرت اتم را مهار کرد. ما بمب‌های اتمی ساختیم و با انرژی هسته‌ای برق تولید کردیم. حتی اتم را به تکه‌های کوچکتر به نام ذرات زیر اتمی (Subatomic Particles) تقسیم کردیم.
اما واقعاً اتم چیست؟ از چه چیزی ساخته شده است؟ شکل آن چگونه است؟ جستجوی ساختار اتم بسیاری از حوزه‌های شیمی و فیزیک را به هم پیوند داده و شاید یکی از بزرگترین دستاوردهای علم مدرن باشد. در این مقاله، داستان جذاب نحوه کشف‌هایی را دنبال خواهیم کرد که در زمینه‌های مختلف علم به دیدگاه فعلی ما از اتم انجامید. ما به پیامدهای دانستن ساختار اتم و اینکه چگونه این ساختار می‌تواند به فناوری‌های جدید منجر شود، خواهیم پرداخت.
اتم چه چیزی است؟ میراث زمان‌های باستان تا قرن نوزدهم
نگرش مدرن به اتم از بسیاری از زمینه‌های شیمی و فیزیک شکل گرفته است. ایده اتم از علوم و فلسفه‌های یونان باستان و نتایج شیمی قرن‌های هجدهم و نوزدهم ناشی می‌شود:
- مفهوم اتم
- اندازه‌گیری‌های جرم اتمی
- رابطه تکراری یا دوره‌ای بین عناصر
مفهوم اتم
از زمان یونانیان باستان تا به امروز، ما به این فکر کرده‌ایم که ماده عادی از چه چیزی ساخته شده است. برای درک این موضوع، یک نمایش ساده از کتابی به نام “شیمی غیرعادی چیزهای عادی (The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things)، ویرایش سوم” اثر کارل اچ. اسنایدر (Carl H. Snyder) ارائه می‌دهیم:
۱. یک توده از گیره‌های کاغذ (همه از نظر اندازه و رنگ یکسان) را بردارید.
۲. توده را به دو توده مساوی تقسیم کنید.
۳. هر یک از توده‌های کوچکتر را به دو توده مساوی تقسیم کنید.
۴.مرحله ۳ را تا جایی تکرار کنید که به توده‌ای برسید که فقط یک گیره کاغذ در آن باشد. آن یک گیره کاغذ هنوز هم کار خود را به عنوان یک گیره کاغذ انجام می‌دهد (یعنی کاغذهای شل را کنار هم نگه می‌دارد).
۵. حالا، یک قیچی بردارید و آن یک گیره کاغذ را نصف کنید. آیا نصف گیره کاغذ می‌تواند همان کار را به عنوان گیره کاغذ واحد انجام دهد؟
اگر همین کار را با هر عنصری انجام دهید، به یک قسمت غیرقابل تقسیم خواهید رسید که مانند گیره کاغذ تکی، همان خواص عنصر را دارد. این قسمت غیرقابل تقسیم، اتم (Atom) نامیده می‌شود.
ایده اتم نخستین بار توسط دموکریتوس (Democritus) در سال ۵۳۰ قبل از میلاد مطرح شد. در سال ۱۸۰۸، یک معلم و دانشمند انگلیسی به نام جان دالتون (John Dalton) نظریه اتمی مدرن را پیشنهاد داد. نظریه اتمی مدرن (Modern Atomic Theory) به سادگی بیان می‌کند:
- هر عنصر از اتم‌ها تشکیل شده است – توده‌ای از گیره‌های کاغذ.
- تمام اتم‌های هر عنصر یکسان هستند – همه گیره‌های کاغذ توده یک اندازه و رنگ یکسان دارند.
- اتم‌های عناصر مختلف متفاوت هستند (اندازه، خواص) – مانند اندازه‌ها و رنگ‌های مختلف گیره‌های کاغذ.
- اتم‌های عناصر مختلف می‌توانند با هم ترکیب شوند تا ترکیباتی را تشکیل دهند – شما می‌توانید اندازه‌ها و رنگ‌های مختلف گیره‌های کاغذ را به هم متصل کنید تا ساختارهای جدیدی بسازید.
- در واکنش‌های شیمیایی، اتم‌ها ساخته، نابود یا تغییر نمی‌کنند – هیچ گیره کاغذ جدیدی ظاهر نمی‌شود، هیچ گیره کاغذی گم نمی‌شود و هیچ گیره کاغذی از یک اندازه یا رنگ به اندازه یا رنگ دیگری تغییر نمی‌کند.
- در هر ترکیب، تعداد و نوع اتم‌ها ثابت می‌ماند – تعداد کل و نوع گیره‌های کاغذی که با آنها شروع می‌کنید، همانند زمانی است که تمام می‌شوند.
نظریه اتمی دالتون پایه‌گذار شیمی در آن زمان بود. دالتون اتم‌ها را به عنوان کره‌های کوچکی با قلاب‌هایی بر روی آنها در نظر می‌گرفت. با این قلاب‌ها، یک اتم می‌توانست با دیگری در نسبت‌های مشخص ترکیب شود. اما برخی عناصر می‌توانستند ترکیبات مختلفی بسازند (به عنوان مثال، هیدروژن + اکسیژن می‌توانست آب یا پراکسید هیدروژن (Hydrogen Peroxide) بسازد). بنابراین، او نمی‌توانست در مورد تعداد هر اتم در مولکول‌های مواد خاص چیزی بگوید. آیا آب یک اکسیژن با یک هیدروژن دارد یا یک اکسیژن با دو هیدروژن؟ این نکته زمانی حل شد که شیمیدان‌ها توانستند اتم‌ها را وزن کنند.
اصطلاحات مهم
- اتم – کوچک‌ترین بخش یک عنصر که خواص شیمیایی خود را حفظ می‌کند
- ترکیب (compound) – ماده‌ای که می‌تواند از طریق واکنش‌های شیمیایی به عناصر تجزیه شود
- الکترون – ذره‌ای که در حال چرخش به دور هسته اتم با بار منفی (جرم = ۱۰۲۸×۹٫۱۰ گرم) است
- عنصر – ماده‌ای که نمی‌توان آن را از طریق واکنش‌های شیمیایی تجزیه کرد
- یون – اتمی با بار الکتریکی (یعنی بار مثبت یا منفی اضافی)
- مولکول – کوچک‌ترین بخش یک ترکیب که خواص شیمیایی خود را حفظ می‌کند (شامل دو یا چند اتم)
- نوترون – ذره‌ای در هسته اتم با بار صفر (جرم = ۲۴-۱۰× ۱٫۶۷۵ گرم)
- هسته – هسته متراکم و مرکزی یک اتم (شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها)
- پروتون – ذره‌ای در هسته اتم با بار مثبت (جرم = ۲۴-۱۰× ۱٫۶۷۳ گرم)
وزن اتم‌ها چه قدر است؟
توانایی وزن کردن اتم‌ها به مشاهده‌ای از یک شیمیدان ایتالیایی به نام آمادئو آووگادرو (Amadeo Avogadro) برمی‌گردد. آووگادرو در حال کار با گازها (نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن، کلر) بود و متوجه شد که وقتی دما و فشار یکسان باشد، این گازها در نسبت‌های حجمی معین ترکیب می‌شوند. به عنوان مثال:
- یک لیتر نیتروژن با سه لیتر هیدروژن ترکیب می‌شود تا آمونیاک (NH3) تشکیل دهد.
- یک لیتر هیدروژن با یک لیتر کلر ترکیب می‌شود تا هیدروژن کلرید (HCl) بسازد.
آووگادرو گفت که در دما و فشار یکسان، حجم‌های مساوی گازها دارای تعداد مساوی مولکول هستند. بنابراین، با وزن کردن حجم‌های گازها، او می‌توانست نسبت‌های جرم‌های اتمی را تعیین کند. به عنوان مثال، یک لیتر اکسیژن ۱۶ برابر سنگین‌تر از یک لیتر هیدروژن بود، بنابراین یک اتم اکسیژن باید ۱۶ برابر جرم یک اتم هیدروژن باشد. کارهایی از این نوع، منجر به ایجاد یک مقیاس جرم نسبی (Relative Mass Scale) برای عناصر شد که در آن، همه عناصر نسبت به کربن (که به عنوان استاندارد انتخاب شده بود -۱۲) سنجیده شدند. هنگامی که مقیاس جرم نسبی ایجاد شد، آزمایش‌های بعدی توانستند جرم بر حسب گرم یک ماده را به تعداد اتم‌ها مرتبط کنند و یک واحد جرم اتمی (Atomic Mass Unit (amu)) پیدا شد؛ amu۱ یا دالتون برابر با ۲۴-۱۰ × ۱٫۶۶ گرم است.
در این زمان، شیمیدان‌ها جرم‌های اتمی عناصر و خواص شیمیایی آنها را می‌دانستند و یک پدیده شگفت‌انگیز به چشم آنها آمد!
خواص عناصر یک الگوی تکرار شونده را نشان داد
در زمانی که جرم‌های اتمی کشف شده بودند، یک شیمیدان روسی به نام دیمیتری مندلیف (Dimitri Mendeleev) در حال نوشتن یک کتاب درسی بود. برای کتابش، او شروع به سازماندهی عناصر بر اساس خواصشان کرد و عناصر و جرم‌های اتمی تازه‌کشف‌شده را روی کارت‌هایی قرار داد. او عناصر را بر اساس جرم اتمی به ترتیب افزایش مرتب کرد و متوجه شد که عناصر با خواص مشابه در فواصل منظم یا دوره‌ای (Periods) ظاهر می‌شوند. جدول مندلیف دو مشکل داشت:
- برخی از جاها در “جدول تناوبی” او خالی بود.
- زمانی که عناصر بر اساس خواصشان گروه‌بندی می‌شدند، بیشتر عناصر دارای جرم اتمی در حال افزایش بودند، اما برخی از آنها در ترتیب درستی قرار نداشتند.
برای توضیح این جاهای خالی، مندلیف گفت که این جاها به دلیل عناصر کشف نشده است. در واقع، جدول او به‌خوبی وجود گالیوم و ژرمانیوم را پیش‌بینی کرد که بعداً کشف شدند. با این حال، مندلیف هرگز نتوانست توضیح دهد که چرا برخی از عناصر در ترتیب درستی قرار ندارند یا چرا عناصر باید این رفتار دوره‌ای را نشان دهند. این موضوع باید منتظر می‌ماند تا زمانی که ما درباره ساختار اتم اطلاعات بیشتری به دست آوریم.
در بخش بعدی، ما به بررسی چگونگی کشف درون اتم خواهیم پرداخت!
ساختار اتم: علم اوایل قرن بیستم
برای شناخت ساختار اتم، باید به موارد زیر توجه کنیم:
- اجزای اتم چیست؟
- این اجزا چگونه مرتب شده‌اند؟
در پایان قرن نوزدهم، اتم به عنوان یک کره کوچک و غیرقابل تقسیم تصور می‌شد (نظر داالتون). اما یک سری کشفیات در زمینه‌های شیمی، برق و مغناطیس، رادیواکتیویته و مکانیک کوانتومی در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم این دیدگاه را تغییر داد. در اینجا آنچه این زمینه‌ها به ما ارائه دادند آورده شده است:
- اجزای اتم: شیمی و الکترومغناطیس —> الکترون (اولین ذره زیراتمی) پرتوافشانی (Radioactivity) —> هسته پروتون نوترون
- چگونه اتم مرتب شده است – مکانیک کوانتومی همه این‌ها را کنار هم می‌گذارد: طیف‌های اتمی —> مدل بوری (Bohr model) اتم، دوگانگی موج-ذره (Wave-Particle Duality) —> مدل کوانتومی اتم
شیمی و الکترومغناطیس: کشف الکترون
در اواخر قرن نوزدهم، شیمیدان‌ها و فیزیکدان‌ها در حال مطالعه رابطه بین برق و ماده بودند. آنها جریان‌های الکتریکی با ولتاژ بالا را از طریق لوله‌های شیشه‌ای پر شده با گازهای کم‌فشار (جیوه، نئون، زنون)، مشابه آنچه در چراغ‌های نئون دیده می‌شود عبور می‌دادند. جریان الکتریکی از یک الکترود (کاتد (Cathode)) از طریق گاز به الکترود دیگر (آند (Anode)) منتقل می‌شد که به آن پرتوهای کاتدی (Cathode Rays) می‌گفتند. در سال ۱۸۹۷، یک فیزیکدان بریتانیایی به نام جی. جی. تامسون (J. J. Thomson) مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام داد و نتایج زیر را به دست آورد:
- او متوجه شد که اگر لوله در یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی قرار گیرد، پرتوهای کاتدی می‌توانند منحرف یا حرکت کنند (این همان روشی است که لوله‌های پرتو کاتدی (Cathode Ray Tube (CRT)) در تلویزیون‌ها کار می‌کنند).
- با اعمال یک میدان الکتریکی به تنهایی، یک میدان مغناطیسی به تنهایی، یا هر دو به طور ترکیبی، تامسون توانست نسبت بار الکتریکی به جرم پرتوهای کاتدی را اندازه‌گیری کند.
- او متوجه شد که نسبت بار به جرم پرتوهای کاتدی در هر ماده‌ای که درون لوله قرار داشت یا هر کاتدی که استفاده می‌شد، یکسان بود.
تامسون نتیجه‌گیری‌های زیر را انجام داد:
- پرتوهای کاتدی از ذرات بسیار کوچک و دارای بار منفی تشکیل شده‌اند که او آنها را الکترون (Electrons) نامید.
- الکترون‌ها باید از درون اتم‌های گاز یا الکترود فلزی ناشی می‌شدند.
- از آنجا که نسبت بار به جرم یکسانی برای الکترون‌ها در هر ماده‌ای وجود داشت، الکترون‌ها بخشی اساسی از تمام اتم‌ها هستند.
- از آنجا که نسبت بار به جرم الکترون بسیار بالا بود، الکترون‌ها باید بسیار کوچک باشند.
بعداً، یک فیزیکدان آمریکایی به نام رابرت میلیکان (Robert Milikan) بار الکتریکی یک الکترون را اندازه‌گیری کرد. با این دو عدد (بار، نسبت بار به جرم)، فیزیکدان‌ها جرم الکترون را مقدار ۲۸-۱۰ × ۹٫۱ گرم محاسبه کردند. برای مقایسه، یک سکه آمریکایی (پنی) دارای جرم ۲٫۵ گرم است؛ بنابراین، ۱۰۲۷ × ۲٫۷ یا ۲٫۷ میلیارد میلیارد میلیارد الکترون به اندازه یک سکه وزن خواهند داشت!
دو نتیجه دیگر از کشف الکترون به دست آمد:
- از آنجا که الکترون دارای بار منفی است و اتم‌ها از نظر الکتریکی خنثی هستند، باید یک بار مثبت در جایی در اتم وجود داشته باشد.
- از آنجا که الکترون‌ها بسیار کوچکتر از اتم‌ها هستند، باید ذرات دیگری با جرم بیشتر در اتم وجود داشته باشد.
از این نتایج، تامسون مدلی از اتم را پیشنهاد کرد که شبیه به یک هندوانه بود. بخش قرمز بار مثبت و دانه‌ها الکترون‌ها بودند.
پرتوافشانی: کشف هسته، پروتون و نوترون
در حدود همان زمان که آزمایش‌های تامسون با پرتوهای کاتدی انجام می‌شد، فیزیک‌دانانی مانند هنری بکرل (Henri Becquerel)، ماری کوری (Marie Curie)، پیر کوری (Pierre Curie) و ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) در حال مطالعه پرتوافشانی بودند. پرتوافشانی با سه نوع پرتو منتشر شده مشخص می‌شد (برای جزئیات بیشتر به “چگونه پرتوافشانی کار می‌کند” مراجعه کنید):
- پرتوهای آلفا (Alpha) – دارای بار مثبت و سنگین. ارنست رادرفورد نشان داد که این پرتوها هسته یک اتم هلیوم هستند.
- پرتوهای بتا (Beta) – دارای بار منفی و سبک (که بعداً نشان داده شد الکترون‌ها هستند).
- پرتوهای گاما – بدون بار و بدون جرم (یعنی انرژی).
آزمایشی از پرتوافشانی که بیشترین کمک را به دانش ما درباره ساختار اتم کرد، توسط رادرفورد و همکارانش انجام شد. رادرفورد یک ورقه نازک طلا را با یک پرتو آلفا بمباران کرد و بر روی یک صفحه فلوئورسنت به بررسی پرتوها پرداخت و متوجه موارد زیر شد:
- بیشتر ذرات به طور مستقیم از ورقه عبور کرده و به صفحه برخورد کردند.
- برخی (۰٫۱ درصد) از آنها در مقابل (در زوایای مختلف) ورقه منحرف یا پراکنده شدند، در حالی که برخی دیگر در پشت ورقه پراکنده شدند.
رادرفورد نتیجه‌گیری کرد که اتم‌های طلا عمدتاً فضای خالی دارند که اجازه می‌دهد بیشتر ذرات آلفا عبور کنند. با این حال، یک منطقه کوچک از اتم باید به اندازه‌ای متراکم باشد که بتواند ذرات آلفا را منحرف یا پراکنده کند. او این منطقه متراکم را هسته (Nucleus) نامید (برای یک شبیه‌سازی عالی از این آزمایش مهم به “آزمایش رادرفورد” مراجعه کنید)؛ هسته، بیشتر جرم اتم را تشکیل می‌دهد. بعدها، وقتی رادرفورد نیتروژن را با ذرات آلفا بمباران کرد، یک ذره مثبت که سبک‌تر از ذره آلفا بود، منتشر شد. او این ذرات را پروتون (Protons) نامید و متوجه شد که آنها یک ذره بنیادی در هسته هستند. پروتون‌ها دارای جرمی برابر با ۲۴-۱۰× ۱٫۶۷۳ گرم هستند که حدود ۱۸۳۵ برابر بزرگ‌تر از یک الکترون است!
با این حال، پروتون‌ها نمی‌توانستند تنها ذرات موجود در هسته باشند، زیرا تعداد پروتون‌ها در هر عنصر مشخص (که توسط بار الکتریکی تعیین می‌شود) کمتر از وزن هسته بود. بنابراین، یک ذره سوم با بار خنثی باید وجود می‌داشت! این ذره سوم، نوترون (Neutron)، توسط جیمز چادویک (James Chadwick)، یک فیزیکدان بریتانیایی و همکار رادرفورد، کشف شد. چادویک با بمباران ورقه بریلیوم با ذرات آلفا، تشعشعات خنثی را مشاهده کرد که از آن خارج می‌شد. این تشعشعات خنثی می‌توانست پروتون‌ها را از هسته سایر مواد خارج کند. چادویک نتیجه‌گیری کرد که این تشعشعات یک جریان از ذرات خنثی با جرمی تقریباً برابر با پروتون هستند؛ نوترون دارای جرمی برابر با ۲۴-۱۰× ۱٫۶۷۵ گرم است.
حالا که اجزای اتم شناخته شده‌اند، چگونه آنها برای تشکیل یک اتم مرتب شده‌اند؟ آزمایش ورقه طلا رادرفورد نشان داد که هسته در مرکز اتم قرار دارد و اتم عمدتاً فضای خالی است. بنابراین، او اتم را به صورت هسته‌ای با بار مثبت در مرکز و الکترون‌های با بار منفی که به دور آن می‌چرخند، تصور کرد، مانند سیاره‌ای با قمرهایش. اگرچه او هیچ مدرکی نداشت که نشان دهد الکترون‌ها به دور هسته می‌چرخند، مدل او معقول به نظر می‌رسید؛ با این حال، یک مشکل وجود داشت. همین‌طور که الکترون‌ها در دایره حرکت می‌کنند، انرژی خود را از دست می‌دهند و نور ساطع می‌کنند. از دست دادن انرژی باعث می‌شود الکترون‌ها کند شوند. پس، مانند هر ماهواره‌ای، الکترون‌های کندشده باید به هسته سقوط کنند. در واقع، محاسبه شده بود که یک اتم رادرفورد (اتم مدل رادرفورد) فقط چند میلیاردم یک ثانیه قبل از فروپاشی دوام خواهد آورد! (ولی در واقعیت اینگونه نبود-م) چیزی در این میان گم شده بود!
مکانیک کوانتومی: قرار دادن همه چیز در کنار هم
در همان زمانی که کشفیات مربوط به پرتوافشانی انجام می‌شد، فیزیک‌دانان و شیمیدانان در حال مطالعه چگونگی تعامل نور با ماده بودند. این مطالعات زمینه‌ساز علم مکانیک کوانتومی (Quantum Mechanics) شد و به حل ساختار اتم کمک کرد.
مکانیک کوانتومی رموز اتم را مشخص کرد: مدل بور
فیزیک‌دانان و شیمیدانان به بررسی ماهیت نوری پرداخته‌اند که هنگام عبور جریان‌های الکتریکی از لوله‌های حاوی عناصر گازی (هیدروژن، هلیوم، نئون) و همچنین زمانی که عناصر در شعله (مانند سدیم، پتاسیم، کلسیم و غیره) گرم می‌شدند، تولید می‌شود. آنها نور ناشی از این منابع را از طریق یک طیف‌سنج (دستگاهی که شامل یک شکاف باریک و یک منشور شیشه‌ای است) عبور دادند.
اکنون، زمانی که نور خورشید را از یک منشور عبور می‌دهید، طیف پیوسته‌ای از رنگ‌ها مانند رنگین‌کمان به دست می‌آید. با این حال، زمانی که نور حاصل از این منابع مختلف از یک منشور عبور داده شد، پس‌زمینه‌ای تاریک با خطوط مجزا مشاهده شد.
هر عنصر یک طیف منحصر به فرد داشت و طول موج هر خط درون یک طیف دارای انرژی خاصی بود (برای جزئیات بیشتر در مورد رابطه بین طول موج و انرژی، به بخش “چگونه نور کار می‌کند” مراجعه کنید).
در سال 1913، یک فیزیکدان دانمارکی به نام نیلز بور (Niels Bohr) یافته‌های رادرفورد را با طیف‌های مشاهده‌شده ترکیب کرد و مدلی جدید از اتم را ارائه داد که یک جهش بزرگ در تفکر بود. بور پیشنهاد کرد که الکترون‌های در حال چرخش در اطراف اتم تنها می‌توانند در سطوح انرژی خاصی (یعنی فاصله‌هایی) از هسته وجود داشته باشند، نه در سطوح پیوسته‌ای که ممکن است از مدل رادرفورد انتظار می‌رفت. زمانی که اتم‌ها در لوله‌های گاز انرژی را از جریان الکتریکی جذب می‌کردند، الکترون‌ها تحریک می‌شدند و از سطوح انرژی پایین (نزدیک به هسته) به سطوح انرژی بالا (دورتر از هسته) پرش می‌کردند. الکترون‌های تحریک‌شده به سطوح اصلی خود بازمی‌گشتند و انرژی را به صورت نور ساطع می‌کردند. به دلیل تفاوت‌های خاص بین سطوح انرژی، تنها طول موج‌های خاصی از نور در طیف مشاهده می‌شد (یعنی خطوط).
مزیت اصلی مدل بور این بود که کار می‌کرد. این مدل چندین مورد را توضیح داد:
طیف‌های اتمی – که در بالا ذکر شد.
رفتار دوره‌ای عناصر – عناصر با خواص مشابه دارای طیف‌های اتمی مشابه بودند.
- هر مدار الکترونی با اندازه یا انرژی مشابه (لایه (Shell)) می‌توانست تنها تعداد معینی الکترون را در خود جای دهد. به عنوان مثال، لایه اول می‌توانست دو الکترون، لایه دوم هشت الکترون، لایه سوم 18 الکترون، لایه چهارم 32 الکترون و الی آخر تا رسیدن به لایه هفتم، در خود جای دهد.
- زمانی که یک لایه پر می‌شد، الکترون‌ها در سطوح بالاتر پیدا می‌شدند.
- خواص شیمیایی به تعداد الکترون‌های موجود در لایه بیرونی بستگی داشت. عناصر با لایه‌های بیرونی پر، واکنش‌پذیر نیستند. سایر عناصر برای کامل کردن لایه بیرونی خود، الکترون دریافت می‌کنند یا از دست می‌دهند.
به نظر می‌رسد که مدل بور همچنین برای توضیح رفتار لیزرها مفید است، گرچه این دستگاه‌ها تا اواسط قرن بیستم اختراع نشدند.
مدل بور مدل غالب بود تا اینکه کشف‌های جدیدی در مکانیک کوانتوم صورت گرفت.
مکانیک کوانتوم
شاخه‌ای از فیزیک است که به حرکت ذرات بر اساس خواص موجی آنها در سطح اتمی و زیراتمی می‌پردازد.
الکترون‌ها می‌توانند به شکل امواج رفتار کنند: مدل کوانتومی اتم
اگرچه مدل بور به خوبی توضیح می‌دهد که طیف‌های اتمی چگونه کار می‌کنند، اما چندین مشکل وجود داشت که فیزیک‌دانان و شیمیدانان را نگران می‌کرد:
- چرا الکترون‌ها باید در سطوح انرژی مشخصی محدود شوند؟
- چرا الکترون‌ها همیشه نور ساطع نمی‌کنند؟ وقتی الکترون‌ها در مدارهای دایره‌ای خود تغییر جهت می‌دهند (به عبارتی، شتاب می‌گیرند)، باید نور ساطع کنند.
- مدل بور می‌توانست طیف‌های اتم‌هایی با یک الکترون در لایه بیرونی را به خوبی توضیح دهد، اما برای اتم‌هایی با بیش از یک الکترون در لایه بیرونی چندان خوب نبود.
- چرا فقط دو الکترون می‌توانند در لایه اول جا بگیرند و چرا هشت الکترون در هر لایه بعدی؟ چه چیزی در مورد دو و هشت خاص بود؟
به وضوح، مدل بور چیزی را کم داشت!
در سال 1924، یک فیزیکدان فرانسوی به نام لوئی دِ بروی (Louis de Broglie) پیشنهاد کرد که مانند نور، الکترون‌ها می‌توانند به عنوان ذرات و امواج عمل کنند (برای جزئیات، به انیمیشن موج فازی د بروی مراجعه کنید). فرضیه دِ بروی به زودی در آزمایش‌هایی تأیید شد که نشان می‌داد پرتوهای الکترون می‌توانند مانند نور هنگام عبور از یک شکاف، شکسته یا منحرف شوند. بنابراین، امواج تولید شده توسط یک الکترون که در مدار خود حول هسته محبوس شده است، یک موج ایستا (Standing Wave) با طول موج، انرژی و فرکانس مشخصی را ایجاد می‌کند (یعنی سطوح انرژی بور) درست مانند اینکه یک رشته گیتار هنگام نواخته شدن، یک موج ایستا ایجاد می‌کند.
سپس سؤالی دیگر به دنبال ایده دِ بروی مطرح شد. اگر یک الکترون به عنوان یک موج حرکت کند، آیا می‌توان موقعیت دقیق الکترون را درون موج تعیین کرد؟ یک فیزیکدان آلمانی به نام ورنر هایزنبرگ (Werner Heisenberg) به این سؤال پاسخ منفی داد و آن را اصل عدم قطعیت (Uncertainty Principle) نامید:
- برای مشاهده یک الکترون در مدار خود، باید یک طول موج نوری بر روی آن بتابانید که کوچکتر از طول موج الکترون باشد.
- این طول موج نوری کوچک انرژی بالایی دارد.
- الکترون آن انرژی را جذب خواهد کرد.
- این انرژی جذب شده، موقعیت الکترون را تغییر خواهد داد.
ما هرگز نمی‌توانیم همزمان هم حرکت (Momentum) و هم موقعیت (Position) یک الکترون در یک اتم را بدانیم. بنابراین، هایزنبرگ گفت که نباید الکترون‌ها را به عنوان اجسام در مدارهای مشخصی حول هسته مشاهده کنیم!
با در نظر گرفتن فرضیه دِ بروی و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، یک فیزیکدان اتریشی به نام اروین شرودینگر (Erwin Schrodinger) در سال 1926 مجموعه‌ای از معادلات یا توابع موج را برای الکترون‌ها استخراج کرد. بر اساس نظر شرودینگر، الکترون‌های محبوس در مدارهای خود، امواج ایستایی را ایجاد می‌کنند و تنها می‌توان مکان احتمالی الکترون را توصیف کرد. توزیع این احتمالات مناطق فضایی حول هسته را تشکیل می‌دهد که به آنها اوربیتال (Orbital) گفته می‌شود. اوربیتال‌ها می‌توانند به عنوان ابرهای چگالی الکترون (Electron Density Clouds) توصیف شوند (به بخش اوربیتال‌های اتمی و مولکولی برای نگاهی به انواع مختلف مدارها مراجعه کنید). متراکم‌ترین ناحیه ابر جایی است که احتمال پیدا کردن الکترون بیشتر است و ناحیه کم‌چگال جایی است که احتمال پیدا کردن الکترون کمتر است.
توابع موج
تابع موج هر الکترون را می‌توان با مجموعه‌ای از سه عدد کوانتومی توصیف کرد:
- عدد اصلی (Principal number) (n) – توصیف کننده سطح انرژی است.
- عدد سمتی (Azimuthal number) (l) – نحوه حرکت الکترون در مدارات (جرم زاویه‌ای)؛ مانند سرعت چرخش یک سی‌دی (rpm). این عدد به شکل اوربیتال مربوط می‌شود.
- عدد مغناطیسی (Magnetic number) (m) – نحوه قرارگیری آن در فضا.
بعدها پیشنهاد شد که هیچ دو الکترونی نمی‌توانند در وضعیت یکسانی باشند، بنابراین یک عدد کوانتومی چهارم اضافه شد. این عدد به جهتی که الکترون در حین حرکت در مدار خود می‌چرخد (یعنی، چرخش در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف آن) مربوط می‌شود. تنها دو الکترون می‌توانند یک اوربیتال را به اشتراک بگذارند، یکی در حال چرخش به سمت عقربه‌های ساعت و دیگری به سمت خلاف آن.
اوربیتال‌ها اشکال مختلفی دارند و تعداد حداکثری در هر سطح به صورت زیر است:
- s (تیز (Sharp)) – کروی (حداکثر = 1)
- p (اصلی (Principal)) – دمبلی شکل (حداکثر = 3)
- d (پخشی (Diffuse)) – شکل چهارلوبی (حداکثر = 5)
- f (بنیادی (Fundamental)) – شکل شش‌لوبی (حداکثر = 7)
نام‌های اوربیتال‌ها از نام‌های ویژگی‌های طیفی اتم قبل از ابداع مکانیک کوانتومی آمده‌اند. هر اوربیتال می‌تواند فقط دو الکترون را در خود جای دهد. همچنین، اوربیتال‌ها دارای یک ترتیب خاص برای پر شدن هستند.
با این حال، برخی از هم‌پوشانی وجود دارد (هر کتاب شیمی جزئیات آن را دارد).
مدل حاصل از اتم به عنوان مدل کوانتومی (Quantum Model) اتم شناخته می‌شود.
سدیم ۱۱ الکترون دارد که در سطوح انرژی زیر توزیع شده‌اند:
۱. یک اوربیتال s – دو الکترون
۲. یک اوربیتال s – دو الکترون
۳. سه اوربیتال p – دو الکترون در هر کدام
۳. یک اوربیتال s – یک الکترون
در حال حاضر، مدل کوانتومی واقعی‌ترین دیدگاه درباره ساختار کلی اتم است. این مدل بسیاری از آنچه را که ما درباره شیمی و فیزیک می‌دانیم توضیح می‌دهد. اینجا برخی مثال‌ها آمده است:
- شیمی: جدول تناوبی – الگوی جدول و ترتیب آن به ترتیب الکترون‌ها در اتم اشاره دارد. عناصر، اعداد اتمی مختلفی دارند – تعداد پروتون‌ها یا الکترون‌ها در طول جدول افزایش می‌یابد زیرا الکترون‌ها در لایه‌ها قرار می‌گیرند. عناصر دارای جرم‌های اتمی متفاوتی هستند – تعداد پروتون‌ها به علاوه نوترون‌ها در طول جدول افزایش می‌یابد. ردیف‌ها – عناصر هر ردیف دارای تعداد یکسانی از سطوح انرژی (لایه‌ها) هستند. ستون‌ها – عناصر دارای تعداد یکسانی الکترون در لایه یا سطح بیرونی (از یک تا هشت) هستند. واکنش‌های شیمیایی (Chemical Reactions) – تبادل الکترون‌ها بین اتم‌های مختلف (اعطا، دریافت یا به اشتراک گذاری). این تبادل شامل الکترون‌های لایه بیرونی است که در تلاشند لایه بیرونی را پر کنند (یعنی، پایدارترین حالت اتم).
- فیزیک پرتوافشانی – تغییرات در هسته (یعنی، تجزیه) باعث انتشار ذرات رادیواکتیو می‌شود. راکتورهای هسته‌ای – شکستن هسته (شکافت) بمب‌های هسته‌ای – شکستن هسته (شکافت fission) یا تشکیل یک هسته (ترکیب fusion) طیف‌های اتمی (Atomic Spectra) – ناشی از الکترون‌های برانگیخته است که تغییر سطوح انرژی می‌دهند (جذب یا انتشار انرژی به صورت فوتون‌های نوری).
آیا می‌توانیم اتم‌ها را ببینیم؟
اتم‌ها آن‌قدر کوچک هستند که نمی‌توانیم آنها را با چشم‌های خود ببینیم (یعنی میکروسکوپی هستند). برای درک اندازه‌ها، این‌ها قطر تقریبی برخی اتم‌ها و ذرات هستند:
- اتم = ۱۰-۱۰ × ۱ متر
- هسته = ۱۵-۱۰ × ۱ تا ۱۴-۱۰ × ۱ متر
- نوترون یا پروتون = ۱۵-۱۰ × ۱ متر
- الکترون – به‌طور دقیق مشخص نیست، اما به‌طور تقریبی در حدود ۱۸-۱۰ × ۱ متر تخمین زده می‌شود.
شما نمی‌توانید یک اتم را با میکروسکوپ نوری ببینید. با این حال، در سال ۱۹۸۱، نوعی میکروسکوپ به نام میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (Scanning Tunneling Microscope (STM)) توسعه یافت. STM شامل موارد زیر است:
- نوک (Tip) بسیار کوچک و تیز که برق را هدایت می‌کند (پروب (Probe))
- دستگاه اسکن پیزوالکتریک (Piezoelectric) سریع که نوک به آن متصل است
- اجزای الکترونیکی برای تأمین جریان به نوک، کنترل اسکنر و دریافت سیگنال‌ها از حسگر حرکت
- کامپیوتری برای کنترل سیستم و انجام تجزیه و تحلیل داده‌ها (جمع‌آوری، پردازش و نمایش داده‌ها)
STM به این شکل کار می‌کند:
- جریانی به نوک (پروب) ایجاد می‌شود در حالی که اسکنر به سرعت نوک را بر روی سطح یک نمونه هادی حرکت می‌دهد.
- زمانی که نوک با یک اتم برخورد می‌کند، جریان الکترون‌ها بین اتم و نوک تغییر می‌کند.
- کامپیوتر تغییر در جریان را با موقعیت x,y اتم ثبت می‌کند.
- اسکنر به ادامه موقعیت‌یابی نوک بر روی هر نقطه x,y در سطح نمونه ادامه می‌دهد و برای هر نقطه جریانی را ثبت می‌کند.
- کامپیوتر داده‌ها را جمع‌آوری کرده و نقشه‌ای از جریان بر روی سطح که معادل نقشه‌ای از موقعیت‌های اتمی است، ترسیم می‌کند.
این فرآیند بسیار شبیه به یک گرامافون قدیمی است که در آن سوزن همان نوک و شیارهای صفحه وینیل همان اتم‌ها هستند. نوک STM بر روی کانتور اتمی سطح حرکت می‌کند و از جریان تونل‌زنی (Tunneling) به عنوان یک حسگر حساس برای تشخیص موقعیت اتمی استفاده می‌کند.
STM و نسخه‌های جدید این میکروسکوپ به ما اجازه می‌دهند که اتم‌ها را ببینیم. علاوه بر این، STM می‌تواند برای دستکاری اتم‌ها نیز استفاده شود، همان‌طور که در اینجا نشان داده شده است:
اتم‌ها می‌توانند جابجا و شکل‌دهی شوند تا دستگاه‌های مختلفی مانند موتورهای مولکولی (Molecular Motors) ساخته شوند (برای جزئیات بیشتر به “چگونه نانو فناوری کار می‌کند” مراجعه کنید).
به‌طور خلاصه، علم در قرن بیستم ساختار اتم را فاش کرده است. دانشمندان اکنون در حال انجام آزمایش‌هایی برای افشای جزئیات ساختار هسته و نیروهایی هستند که آنها را در کنار هم نگه می‌دارند.
