ایزوتوپ ها

ایزوتوپ ها

ایزوتوپ به معنای هم خانه می باشد زیرا شماره ی هر خانه در جدول تناوبی نشان دهنده ی تعداد پروتون های آن است .

 ایزوتوپ ها به علت داشتن الکترون و پروتون برابر خواص شیمیایی یکسان و به علت داشتن جرم متفاوت برخی خواص فیزیکی وابسته به جرم آن ها با یکدیگر متفاوت است .

 فراوانی یا در صد ایزوتوپ ها در طبیعت متفاوت است برای مثال ازهراتم کلر(Cl)موجوددرطبیعت3اتم به صورت کلر_35و 1اتم به صورت کلر_37می باشد

جرم اتمی : شیمیدان ها ابتدا جرم اتم ها را بصورت نصبی محاسبه می کردند برای مثال جرم یک اتم اکسیژن 1/33برابر جرم اتم کربن بدست می آمد این گونه محاسبات در کارهای آزمایشگاهی با مشکل مواجه می شود لذا مجبور شدند جرم خاصی را به یک اتم اختصاص بدهند و جرم سایر اتم ها را به کمک نسبت های محاسبه شده بدست آوردند

برای این کار ابتدا هیدروژن ، سپس اکسیژن و ایزوتوپ کربن – 12 به عنوان استاندارد جرمی اتمی انتخاب شدند چون در هر اتم کربن 12 دقیقاً 6 پروتون و 6 نوترون وجود دارد و جرم آن برابر 12 در نظر می گیرند .

نکته : چون جرم اتم ها به صورت نصبی محاسبه می شود واحد ندارد اما به تجربه ثابت شده است که استفاده از واحد مناسب سودمند است به این خاطر شیمیدان ها برای جرم اتم ها یا برای جرم اتمی amu یا واحد جرمی اتمی استفاده می کنند .

نکته : با توجه به واحد جرم اتمی جرم یک اتم کربن حدود amu 12 خواهد بود که تقریباً برابر عدد جرمی است.

نکته : سه مفهوم عدد جرمی ، جرم اتمی و جرم مولی با یکدیگر متفاوت هستند عدد جرمی مجموع پروتون ها ونوترون ها است و همیشه یک عدد صحیح است اما جرم اتمی جرم یک اتم بر اساس واحد کربنی است در مقابل جرم مولی یک مول یا جرم  6/022 ×1023 ذره می باشد .                                                  

جرم اتمی میانگین : به علت وجو ایزوتوپ های مختلف با فراوانی های متفاوت برای محاسبه جرم اتمی عناصر از جرم اتمی میانگین استفاده می شود .

تعریف طیف :

 به نوارهای تک رنگ طیف گفته می شود که تقسیم بندی آن بصورت زیر است :

جذبی خطی و  جذبی پیوسته       یا        نشری خطی و  نشری پیوسته

نکته : در طیف جذبی انرژی جذب می شود و در طیف نشری انرژی بصورت نو و طول موج مشخص آزاد می شود از طرفی در طیف خطی میان رنگ ها مرز مشخصی وجود دارد مانند : طیف نشری خطی عناصر . اما در طیف پیوسته میان نوارهای تک رنگ مرز مشخصی وجود ندارد مانند طیف نور خورشید و یا رنگین کمان .

نکته: اولین باررابرت بونزن شیمیدان معروف آلمانی دستگاه طیف بین رااختراع کرد.بونزن دراین دستگاه مقداری نمک ترکیب مس داردرشعله ی آن به کاربردومشاهده کردرنگ آبی شعله سبزمی شود.باعبوردادن این رنگ سبزازیک منشوردردستگاه طیف بین الگویی به دست آمدکه بونزن آن راطیف خطی نامیدوبه علت نشری بودن به طورکلّی طیف نشری خطی عناصرنام گرفت.

تذکر:طیف نشری خطی عناصر منحصر به فرد است و مانند اثر انگشت برای هر عنصر مشخص و معین است .

نکته : تجزیه ی نور سفید توسط منشور بوسیله ی نیوتون انجام گرفت .

کشف دستگاه طیف بین : رابرت بونزن که چراغ بونزن نیز از اختراعات وی می باشد محلول یک ترکیب شیمیایی مانند کات کبود را به شعله ی  چراغ بونزن افزود و رنگ آبی شعله  به رنگ سبز تبدیل شد در نتیجه این رنگ سبز را از منشوری عبور داد و طیف های حاصل  از منشور را بر روی فیلم عکاسی ظاهر کرد به این ترتیب طیف نشری خطی عنصر مس به دست آمد و این مجموعه به نام دستگاه طیف بین مشهور شد .

نکته : ازکارهای مهم بونزن می توان به اختراع چراغ بونزن اشاره کرد. هم چنین باروش طیف بینی بونزن وهمکارانش عناصرروبیدیم (Rb) وسزیم (Cs)کشف شدند. درحین بررسی سنگ معدن لیتیم (Li) بونزن وهمکارانش دریافتند که خطهای سرخ وآبی درطیف لیتیم وجوددارد. باتوجه به بررسی های بعدی مشخص شدکه رنگ آبی مربوط به سزیم ورنگ سرخ مربوط به روبیدیم است.

طیف نشری خطی هیدروژن :

هنگامی که دریک لوله ی تخلیه ی الکتریکی که حاوی گازهیدروژن می باشدودرفشارکم قرارگرفته است،ولتاژزیادی به کار ببریم، دراثرتخلیه الکتریکی گازموجوددرلوله بارنگ صورتی روشن می درخشد. با عبور این نور از یک  منشور طیف نشری خطی هیدروژن به وجود می آید که بررسی این طیف تأثیربسیارمهمی درکامل ترشدن ساختاراتم داشته است.

نکته1 :  اولین با آنگسترم «فیزیکدان سوئدی» توانست 4 خط طیف نشری هیدروژن را به دست آورد. 9سال بعد نیز توانست  طول موج آنها را به صورت  دقیق اندازه گیری کند.

نکته2 :به هنگام تخلیه الکتریکی،مولکول های دواتمی هیدروژن دراثرانرژی زیادبه اتم های هیدروژن که انرژی جنبشی بیشتری دارد،می شکند.

بنفش< آبی < سبز < نارنجی → طول موج

بنفش > آبی > سبز > نارنجی → انرژی

بنفش > آبی > سبز > نارنجی → میزان انحراف

اصول مدل اتمی بور:

چون رادرفورد نتوانست طیف نشری خطی هیدروژن را توضیح دهد در سال 1913 نیلزبور« فیزیکدان دانمارکی»وجود ارتباطی معنادارمیان طیف نشری خطی هیدروژن وساختاراتم ،آن رابراساس فرض های زیر ارائه کرد:

1:  تک الکترون اتم هیدروژن در یک مسیر دایره ای شکل به نام مدار به دور هسته گردش می کند به این علّت به مدل بور مدل سیاره ای می گویند .

2: انرژی الکترون ها با فاصله ی آنها از هسته رابطه ی مستقیم دارد به عبارت دیگر با دورشدن الکترون از هسته انرژی آن افزایش و پایداری الکترون کاهش می یابد

3: تک الکترون مجاز است در فاصله های معین و ثابتی پیرامون هسته گردش کند  و مقادیری انرژی معینی را می پذیرد یا از دست می دهد به  هر یک از این مقادیر انرژی مشخص الکتون تراز انرژی می گویند نعداد این تراز ها در مدل بور 7 در نظر گرفته شده است . 

4: الکترون هیدروژن معمولاً در پایین ترین تراز انرژی یا نزدیکترین تراز به هسته n=1 قراردارد، به طوری که این تراز راحالت پایه می گویند. اگراین الکترون مقدارمعینی انرژی کسب کند ازحالت پایه به حالت برانگیخته که انرژی بیشتری دارد، انتقال می یابد. الکترون ها درحالت برانگیخته ناپایدار است. لذا هنگام بازگشت به حالت پایه انرژی جذب شده ی خود را به صورت نور پس می دهد.

نکات مهم:

1-            مدل اتمی بورفقط برای هیدروژن وسیستم های تک الکترونی درست می باشد.

2-           به انرژی که به صورت یک بسته ی انرژی مبادله می شود، انرژی کوانتومی یاپیمانه ای می گویند.

3-          هریک ازترازهای انرژی به صورت کوانتومی یاکوانتیده می باشند، یعنی هرکدام انرژی مشخصی راشامل می شوند.

بور به هر یک از تراز های انرژی عدد خاصی نسبت داد و آن را به نام کوانتومی اصلی نام گذاری کرد بطوری که (n=1) پایدارترین تراز انرژی مجاز برای الکترون می باشد .

اگر الکترون مقادیر انرژی بیشتری را جذب کند و به تراز انرژی فرضی n=∞ منتقل می شود لذا از جاذبه ی هسته خارج می شود. به این ترتیب اتم الکترون خودراازدست می دهد وفرایند یونش اتفاق می افتد.

کوانتومی بودن خواص از جمله ویژگی های دنیای مولکول ها ، اتم ها ، ذره های زیر اتمی می باشد .

برای آن ها که می خواهند بیشتر از این ها بدانند!

موزلی و عدد اتمی :

هنری موزلی در سال 1913 با استفاده از طیف سنجی که براگ ابداع کرده بود ، طیف اختصاصی پرتوهای X بسیاری از عناصر را بادقت زیادی مورد مطالعه قرار داد .و از برسی طیف خطی پرتوهای اختصاصی X عناصر دریافت که از عنصری به عنصر دیگر، هر خط طیفی به اندازه معینی در طیف جابجا می شود ، به طوری که اگر این عناصر را به ترتیب شماره خانه آن ها در جدول تناوبی (که در آن زمان عدد عنصر در جدول یا عدد اتمی نامیده می شد) ، در نظر بگیریم محل این خط در مقیاس طول موج دستگاه طیف نما ، به اندازه معینی به سمت طول موج های کوتاه تر جابجا می شود .موزلی تلاش نمود تارابطه بین شماره خانه آن عنصر در جدول تناوبی و محل هر خط طیفی پرتوهای X آن را دریابد .سرانجام دریافت که جذر فرکانس هر خط طیفی از هر عنصر تابعی از عدد اتمی آن است.

V فرکانس خط طیفی مشخص از پرتوهای X یک عنصر ، Z شماره خانه عنصر در جدول تناوبی و a,b اعداد ثابتی اند که به جنس عنصر مورد مطالعه ارتباطی ندارد بلکه در مورد تمام عناصر برای هر خط طیفی مقدارمشخصی دارند .

موزلی با توجه به این که از هر عنصری به عنصر بعدی ، طول موج هر خط طیفی از پرتوهای X کوتاهتر می شود ، به عبارت دیگر فوتون های X که تابش می شود ، دارای انرژی بیشتری است و این رویداد نشانه آن است که برای جداکدن الکترون از لایه های درونی اتم به انرژی بیشتری نیاز دارد به این نتیجه رسیده بودکه از عنصری به عنصر بعد در جدول تناوبی ، بر مقدار بار مثبت هسته اتم و در نتیجه ، بر مقدار نیروی جاذبه بین هسته و الکترون افزوده می شود .

بدین ترتیب ثابت کرد آنچه بور به عنوان بار مثبت هسته و یا تعداد پروتون های اتم هر عنصر در نظر گرفته بود ، دقیقا با شماره ی خانه آن عنصر در جدول تناوبی که به عدد اتمی آن عنصر موسوم بود ، مطابقت دارد . از این رو مفهوم عدد اتمی عنصر را نه به معنی شماره خانه آن عنصر در جدول تناوبی ، بلکه به معنی تعداد پروتون های موجود در اتم آن ، یعنی به همان مفهومی که امروزه متداول است تغییر داد . بدین ترتیب موزلی از طریق بررسی طیف اختصاصی پرتوهای X عناصر توانست عدد اتمی دقیق آن ها را حساب کند.

توجیه طیف نشری خطی هیدروژن توسط نیلزبور :

بور با کوانتیده در نظر گرفتن تراز های انرژی وهمچنین کوانتومی در نظر گرفتن مبادله ی انرژی هنگام جابچایی الکترون میان ترازهای انرژی توانست طیف نشری خطی هیدروژن را توضیح دهد.

نکته مهم :

احتمال وجود سایر انتقال ها وجود دارد امّا چون در ناحیه مرئی قرار نمی گیرند ما رنگ آنها را متوجه نمی شویم و فقط انتقال های مربوط به n=1 را مشاهده می کنیم .

اگر الکترون با کسب انرژی به تراز بی نهایت انتقال یابد از جاذبه ی هسته خارج می شود و فرایند یونش اتفاق می افتد و اتم مورد نظر به کاتیون تبدیل می شود

امتیازات مدل بور :

1-             سطوح انرژی دراطراف هسته ی اتم هاراکوانتومی درنظرگرفت.

2-           طیف نشری خطی هیدروژن را به درستی توضیح داد .

3-          ارائه ی عدد کوانتومی اصلی یا  nبرای هر تراز انرژی.

4-          توانست تعدادکلّ الکترون هادرهرترازیا گنجایش هرترازازلحاظ الکترونی مشخص کند.

5-           فرایند یونش رابه درستی توضیح داد.

ایراد های مدل بور:

6-           نتوانست طیف نشری خطی عناصر دیگر را توضیح دهد .

7-          برای حرکت الکترون ها مدار دایره ای در نظر گرفته بود در حالی که امروزه می دانیم مسیر مشخصی برای هر یک از الکترون وجود دارد .

8-          برای هر سطح انرژی از واژه ی تراز انرژی استفاده کرده است در صورتی که امروزه از واژه کامل تر لایه های الکترونی استفاده می شود .