دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 41
اتم از نظر فلسفه و شیمی
عقیده یونانیها
فلاسفه قدیم یونان اولین افرادی بودند که درباره طبیعت اجسام فکر می‌کردند، آنها عقیده داشتند که مواد مختلفی که جهان هستی را تشکیل میدهند از ترکیب چند عنصر ساده تشکیل شده است.
دیمقراطیس (Democritus) (پنج قرن قبل از میلاد) عقیده داشت که تعداد این عناصر چهارده تا بوده و هر یک از تعداد بیشماری از ذرات بسیار کوچک غیر قابل تجزیه به نام اتم تشکیل شده‌اند. این چهار عنصر اساسی عبارت بودند از: هوا- آب- خاک- آتش.
امروزه می‌دانیم که مواد در گیاهان به وسیله گاز کربنیک (کربن + اکسیژن) از هوا با آبی (اکسیژن + هیدروژن) که از زمین دریافت می کند تولید میشود و اشعه خورشید فقط انرژی لازم برای به وجود آوردن مواد مختلط آل از این اجزای ساده را تامین می‌کند.
وزن اتمی و ظرفیت
امروز، مهمترین حقیقت، درباره تشکیل مواد مرکب مختلف از عناصر ساده، تحت قانون نسبتهای ثابت می‌باشد. این قانون می‌گوید هر ترکیب شیمیایی از عناصر ساده وقتی ایجاد میشود که عناصر ساده تحت نسبتهای معین با هم ترکیب شوند و در غیر این صورت یا ترکیب صورت نمی‌گیرد و یا مقداری از عناصر زیاد خواهد آمد.
بنابراین هر گاه مخلوط گاز اکسیژن و هیدروژن را در محفظه‌ای با دیوار ضخیم وارد کنیم، با استفاده از یک جرقه الکتریکی میتوان یک ترکیب نسبتاً شدید شیمیایی (یا انفجار) به وجود آورده و از آنجا آب نتیجه گرفت.
باید دانست که قانون نسبتهای ثابت به وسیله شیمیدان مشهور انگلیسی جان دالتون (John Dalton) پیشنهاد شد و او اولین کسی است که فرضیه اتمی را در مورد ترکیبات شیمیایی ارائه داده است. در این قانون چنانکه دیده میشود برای تشکیل یک ترکیب شیمیایی از آمیزش اتمهای عناصر ساده مختلف استفاده میشود. برای توضیح بیشتر باید گفت که در آب اکسیژنه یا همان هیدروژن پر اکسید، نسبت هیدروژن به اکسیژن بوده و برای هر اتم اکسیژن یک اتم هیدروژن وجود دارد، و حال آنکه در آب برای هر دو اتم هیدروژن یک اتم اکسیژن در نظر گرفته میشود.
طبیعت الکتریکی ماده
یونهای مثبت و منفی
باید گفت که آب مقطر یک هادی بسیار فقیری به حساب می‌آید. اما وقتی در چنین آبی مقداری اسید یا نمک حل کنیم در این صورت قدرت هدایت الکتریکی‌اش را قابل توجه کرده‌ایم.
برعکس هادیهای فلزی، عبور جریان الکتریکی در محلول آب مربوط به یک پدیده شیمیایی است و به طبیعت محلولی که در آن می‌ریزیم بستگی دارد مثلا هر گاه ما جریان الکتریکی را از محلولی که دارای اسید نیتریک (HNO3) است عبور دهیم حبابهای گازی روی دو الکترود تشکیل شده و به تدریج به سمت سطح مایع می‌آیند. این گازها را میتوان در دو لوله‌ای که در انتهای آن دو شیر وجود دارد جمع‌آوری نمود، چنانکه در شکل نیز دیده میشود این لوله‌ها درست روی الکترودها قرار دارند و می‌بایستی قبلا آنها را پر از آب کرده سپس بطور وارونه روی الکترودها قرار داد. (شکل 3a).
حال با کمی دقت می‌بینیم گازی که از قطب منفی ساطع میشود گاز هیدروژن می‌باشد و برای مطمئن شدن میتوان شیر بالای لوله را باز نموده و گاز بیرون آمده را با کبریتی مشتعل کنید، در عمل اشتعال، هیدروژن با اکسیژنهای هوا ترکیب شده و ملکولهای آب را تشکیل می‌دهد.
بد نیست بدانیم که ملکولهای آب (H2O) شدیداً به هم پیوسته بوده و اصلا دوست ندارند که به یونهای مثبت و منفی تجزیه شوند. در حقیقت در درجه حرارت معمولی اتاق از هر 107 ملکول یک ملکول به یونهای (OH-), (H+) تجزیه میشود. با این حساب حق داریم بگوییم که آب تقطیر شده هادی بسیار فقیری است. اما در وقتی که از اسید نیتریک به عنوان محلول در آب استفاده می‌کنیم (از بازها و نمکها نیز به همان اندازه میتوان استفاده نمود) در این صورت ملکولهای آن به آسانی به یونهای (OH3-) , (H+) تجزیه می‌شوند، بنابراین تعداد بیشماری از این یونها در محلول به وجود آمده و وقتی تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار بگیرند جریان الکتریکی قابل ملاحظه‌ای را به وجود می‌آورند.
وقتی یک اختلاف سطح الکتریکی به قطبین آند و کاتد سیستم اعمال کنیم در این صورت یونهای مثبت هیدروژن جذب قطب منفی (کاتد) شده و یونهای منفی (NO3) جذب قطب (آند) می‌گردند. در نتیجه حرکت این یونها جریان الکتریکی در محلول آب ایجاد میشود، جریانی که قبلا امکان نداشت در آب خالص جریان پیدا کند. حال وقتی که یونهای (NO3-) , (H+) به الکترودهای مربوطه خود می‌رسند بارهای الکتریکی خود را رها کرده (که جذب فلز الکترودها میشود) هیدروژن به صورت حبابهای قشنگی به سطح مایع آمده و (NO3) خنثی طبق فرمول زیر با آب ترکیب شده و اسید نیتریک جدید با مقداری گاز اکسیژن می‌دهد:
2NO3 + H2O → 2HNO3 + O
قانون فاراده
مایکل فاراده که نامش روی مطالعاتی که در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی انجام داده و ثبت شده است، اولین کسی است که در مورد عمل الکترولیز قانون وضع نموده است. او قبل از هر چیز اظهار کرد که برای نمک محلول مقدار ماده‌ای که روی الکترودها (قطبین پیل) می‌نشیند متناسب با شدت جریان عبور داده شده از محلول و مدتی که این جریان از محلول می‌گذرد می‌باشد.
والانس گرم در شیمی نسبت وزن اتمی به ظرفیت را نامند. بنابراین قانون دوم فاراده می‌گوید: وقتی از ظرفهای الکترولیز فقط جریان یکسانی می‌گذرد مواد آزاد شده در آنها متناسب با والانس گرم آنها خواهد بود.
مقدار بار و جرم الکترون
کارتامسون راه را برای فیزیکدان امریکایی رابرت میلیکان هموار ساخت تا او بتواند بار الکترون را با دستگاه ساده‌ای اندازه بگیرد.
میلیکان می‌توانست با اندازه‌گیری میزان ته نشست، بدون وجود میدان الکتریکی بین صفحات، وزن قطرات روغن را اندازه بگیرد.
بد نیست بدانیم که اشعه ماورای بنفش می‌تواند الکترونها را از ملکولهایی که سر راه قرار دارند بکند، میلیکان از این خاصیت استفاده کرده اشعه ماورای بنفش را بین دو صفحه دستگاه تابانید و از اینجا سبب شد تا قطرات روغن دارای بار الکتریکی گردیده که در موقع برخوردشان با ملکولهای باردار هوا هر لحظه مقدارش تغییر می‌کند و حال با تغییر پتانسیل اعمال شده بین صفحات، میلیکان می‌توانست قدرت میدان را طوری تنظیم کند تا قطره کوچک روغن بی‌حرکت در فضای بین دو صفحه قرار بگیرد. تحت چنین شرایطی تعادلی، می‌دانیم نیرویی که میدان الکتریکی به سمت بالا به قطره روغن وارد می‌کند درست برابر وزن قطره بود و از اینجا خواهیم داشت:
Eq+ = mg
اشعه آندی و هم جاها
مطالعه اشعه کاتدی در لوله تامسون سبب کشف الکترونها گردید، اشعه آندی (Canal Rays) که دسته یونهای مثبت گازها را تشکیل می‌دهد، خود دستگاهی را که تامسون برای این منظور استفاده کرده بود تقریبا نظیر دستگاه قبلی است.
مدل اتمی رادرفورد
باید گفت که رادرفورد اولین کسی بود که افتخار داشت برای اول بار فرضیه صحیحی درباره ساختمان و مدل اتمی ارائه دهد. رادرفورد فیزیکدان نیوزلندی بود (1937- 1871) که بعد از این کوششهای مؤثر در فیزیک ملقب به لرد رادرفورد شد. بد نیست بدانیم که رادرفورد وقتی وارد فعالیتهای فیزیک شد که این علم در حال تحولی قطعی و عظیم بود یعنی وقتی که پدیده رادیو اکتیویته طبیعی بتازگی کشف شده بود و او اولین کسی بود که متوجه شد پدیده رادیواکتیو نشان دهنده تجزیه خود بخود اتمهای سنگین ناپایدار می‌باشد.
در آن موقع معلوم شد که عناصر رادیو اکتیو از خود به ترتیب زیر سه نوع اشعه ساطع می‌کنند:
- امواج الکترومانیتیک با فرکانس خیلی زیاد که اشعه γ (گاما) نامیده شد.
- دسته‌ای از الکترونهای سریع که اشعه β (بتا) نام گرفت.
- بالاخره اشعه α (آلفا) که به وسیله رادرفورد به صورت جریانی از یونهای سریع هلیوم نشان داده شد.
انتشار ترمویونیک " Thermo- Ionic Emission "
در ساختمان و طرز کار لامپهای الکترونی دیده‌ایم که در اثر حرارت زیاد رشته لامپ که آن را سرخ می‌کند، از سطح کاتد لامپ تعداد زیادی الکترون کنده شده و در لامپ به جریان می‌افتد این پدیده که ابتدا به وسیله فیزیکدان انگلیسی ریچاردسن (Richardson) مورد بررسی قرار گرفته و به اثر ریچاردسن نیز معروف است به آسانی به وسیله نظریه الکترونی فلزات که از طرفی شبیه پدیده تبخیر در مایعات است، بیان می‌گردد.
همانطور که در مایعات ملکولها در اثر نیروی کشش سطحی که به آنها وارد میشود نمی‌توانند از سطح مایع به بیرون پرتاب شوند، الکترونها نیز در فلزات به وسیله نیروی جاذبه الکتریکی که بین هسته اتم و الکترون وجود دارد، نگهداری می‌شوند، اما در درجه حرارت کافی حتی کسری از انرژی سینتیک الکترونهای آزاد داخل فلزات کافی است که این سد را شکسته و آن الکترون را از قید اتمش خارج نماید. باید گفت برای فلزات مختلف، درجات حرارت مختلف لازم است که الکترونهای آنها را آزاد نماید زیرا از طرفی درجه حرارت به نیروی الکتریکی التصاقی بین الکترون و یون مثبت اتم نیز بستگی دارد. یعنی هر چه این نیرو زیادتر باشد درجه حرارت بیشتری لازم است.
چنانکه در مایعات دیده میشود، عمل تبخیر در اتر و الکل آسانتر از آب صورت گرفته و تبخیر روغنها به مراتب آرامتر و مشکلتر صورت میگیرد. چنین وضعی برای فلزات نیز وجود دارد چه، بعضی فلزات خیلی سریع و آسان از خود الکترون میدهند مانند فلز سزیوم و بعضی کمی کندتر مثل تنگستن و بعضی نیز خیلی به کندی چون فلز پلاتین.
کوانتم انرژی تشعشعی
بلای حاصل از اشعه ماورای بنفش
اشعه‌ای که از یک جسم گرم ساطع میشود مخلوطی است از طول موجهای مختلف و زیاد کردن درجه حرارت (درجه مطلق T) سبب ازدیاد سریع مقدار انرژی اشعه منتشر شده (که متناسب با توان چهارم درجه حرارت مطلق است) و کوتاه شدن طول موج منتشره (که با عکس درجه حرارت مطلق متناسب است) می‌گردد.
حال با مقایسه منحنیهایی که توزیع تشعشعات انرژی را با طول موجهای مختلف و در درجات مختلف حرارت نشان می‌دهد با منحنیهایی که مربوط به توزیع انرژی (یا سرعت) در ملکولها یک گاز را دلالت می‌کند، سبب میشود تا ببینیم که یک تشابه قطعی بین آن دو وجود دارد. و در هر دو حالت، منحنیها ماکزیمم مشخصی را نشان میدهند که وضعیت آن با تغییر درجه حرارت تغییر پیدا می‌کند.
اختلاف در اندازه مطالبات انرژی بین تشعشع موج بلند (با فرکانس کم) و موج کوتاه (با فرکانس زیاد) مربوط به کاربرد اصل توزیع مساوی انرژی می‌گردد. اگر برای مثال فرض کنیم که قرار باشد شش تومن را بین شش نفر توزیع کنیم، صرف نظر از مینیمم تقاضا، بهترین تقسیم عبارت از تقسیم یک تومن به هر نفر خواهد بود. حال فرض می‌کنیم که آقای A یک تومن بگیرد و آقای B دو تومن الی آخر. بنابراین با این نسبت آقای F باید شش تومن دریافت دارد و بدیهی است دور از انسانیت است که تمام شش تومن را به آقای F تقدیم داشته و دیگران را از تقسیم آن مبلغ بی‌نصیب گذاریم. همچنین مناسب نیست که پنج تومن به آقای E (مینیمم تقاضایش) داده و یک تومن بقیه را به آقای A بدهیم، بنابراین دیده میشود که منطقی‌ترین تقسیم شش تومن این است که یک تومن را به آقای A و دو تومن را به آقای B و سه تومن دیگر را به آقای C تقدیم داریم و آقایان F, E, D را به واسطه تقاضای زیاد غیر منطقیشان (حرص و طمع) محروم گذاریم.
ایجاد اشعه ایکس و کاربردهای ناشی از آن
مشابه آنچه در مورد الکترون مجرد اتم هیدروژن گفتیم، الکترونهای لایه خارجی اتمهای دیگر نیز می‌توانند تحت تأثیر میدانهای قوی الکتریکی یا حرارت قرار گرفته و با وقتی اشعه با فرکانس و انرژی کافی جذب می‌کنند، از مداری به مدار بالاتر جهش نمایند. و در برگشتشان به مدار اولیه این الکترونها فرکانسی را تشعشع می‌نمایند که مربوط به مشخصه اتم مربوطه می‌گردد. مثلا در اتم هیدروژن فرکانسهای الکترون خارجی در اثر پرش از مداری به مدار دیگر حدود نور مرئی مادون قرمز یا ماورای بنفش یا اشعه ایکس می‌باشد اما اختلاف انرژی که به بیرون ساطع می‌گردد به مراتب بزرگتر از انرژی است که مربوط به الکترونهای لایه خارجی گشته و از آنجا اشعه ایکس حاصل دارای فرکانس خیلی زیاد می‌باشد.
اساس کار لامپهای اشعه ایکس نیز همانند لامپهای اشعه کاتدی بوده و الکترونهای منتشر شده از کاتد در محیط خلایی به وسیله اختلاف سطحی حدود هزارها ولت شتاب گرفته و به صفحه آند برخورد می‌کنند. این برخورد آنقدر شدید و انرژیتیک است که بعضی از الکترونهای داخلی صفحه آند را به بیرون پرتاب می‌کند و در این صورت اتمهایی که به این ترتیب الکترونهای داخلی خود را از دست میدهند، جای آنها به وسیله اتمهای لایه خارجی پر میشود و اختلاف انرژی حاصل بین دو لایه خارجی و داخلی قابل ملاحظه بوده و مقدارش برای فلزات سنگی به مراتب بیشتر است.
این اختلاف انرژی قابل ملاحظه که با رابطه E = hv نشان داده میشود به صورت تشعشع فتونهای انرژیتیک با فرکانس خیلی زیاد منتشر شد.
اصل پائولی
چون الکترونهای اتم همیشه تمایل دارند از مدارهای بالاتر به مدارهای پایین‌تر جهش نمایند در این صورت ازدیاد انرژی را به صورت کوانتا (ذرات) منتشر کرده، بنابراین حالت طبیعی برای یک اتم وقتی است که الکترونهایش حول هسته مرکزی در طول مدارهای اولیه بوهر در گردش باشند.
اتمهایی که عدد اتمی آنها زیاد است محیط اطراف هسته‌اش متراکم‌تر میشود زیرا می‌بایستی الکترونهای بیشتری اطراف هسته منزل داده و دیگر اینکه شعاع مدارها به علت وجود یک میدان الکتریکی قوی در هسته کمتر و کمتر می‌گردند. اگر آنچه گفتیم حقیقت داشته باشد، در این صورت حجم اتم باید با ازدیاد عدد اتمی بسرعت تقلیل پیدا کند، برای مثال اتم سرب می‌بایستی به مراتب کوچکتر از اتم آلومینیم باشد.
اما تجربیات گوناگون این موضوع را تایید نمی‌کند و اگرچه حجمهای اتمی تغییرات تناوبی را نشان می‌دهد، با این وصف برای سیستم تناوبی عناصر حجم یکسان می‌باشد.
حال برای جلوگیری از این تراکم الکترونها در مدار درونی، لازم بود فرضیه جدیدی پیشنهاد گردد که خوشبختانه آقای پائولی (Pauli) درا ین امر پیشقدم شد، و بر طبق فرضیه‌اش (فرضیه انحصاری پائولی) هر مدار کوانتم در یک اتم فقط می‌تواند به وسیله دو الکترون اشغال شود و بیشتر ممکن نیست و این الکترونها حول محورشان حرکت چرخشی مانند فرفره انجام میدهند. همچنین اصل پائولی نشان می‌دهد که این دو الکترون در حول یک مدار گردش کرده و جهت چرخش به دور محورشان مخالف یکدیگر می‌باشد.
جنبه ذره بودن و موجی بودن آنقدر متقابلا متناقض به نظر می‌رسد که نمی‌توانیم بگوییم که واقعاً دسته اشعه نورانی یا الکترون کدامیک از آنها می‌باشد، دانشمندان امروز عقیده دارند هیچ کدام از آنها واقعاً صحیح نیست. امروز دنیا، دنیای فتون و اتم است که مانند گلوله‌های کوچک و امواج خیلی ریزی که در مخازن آب به وجود می‌آید، در نظر گرفته میشود. دنیای فتون و اتم را نمی‌توان آنطور که دنیای حجیم مادی سابق را تعریف کرده‌ایم، تعریف کنیم. محصلین فیزیک از طریق معادله‌های ریاضی، و حل آنها جواب درستی در مورد ذره‌ای یا موجی بودن پرتوها میدهند اما متاسفانه به این معادله‌ها هیچ مدل یا تصویری نمی‌توان نسبت داد. ما باید بیاموزیم که نه در مورد چگونگی درستی مدلها سؤال کنیم و نه در مورد هیچ نوع مدلی فکر کنیم.
یک روش پیچیده ریاضی برای حل این مسئله به وسیله فیزیکدان اطریشی شرودینگر (E. Schroedinger) پیشنهاد شده که امروزه رشته‌ای را در فیزیک به نام مکانیک موجی (Wave Mechanics) بوجود آورده است.
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
