عدد اتمی

واحد کربنی

اگر جرم اتم را با گرم اندازه گیری کنیم پس جرم اتم سدیم 23 گرم است و با این حساب بزرگی هر اتم سدیم باید چیزی به اندازه ی یک گردو باشد !

چون اتم بی نهایت کوچک است هم چنین جرم پروتون و نوترون با هم یکی نیست عدد جرمی نمی تواند ملاک خوبی برای شیمیدان ها در زمینه هایی مثل حل مساله ، محاسبه بازده و... باشد پس باید به دنبال راهی بود که بتوان به هر اتم جرمی رو نسبت داد. بر اساس یک توافق بین المللی ،  برای سنجش جرم اتم ، به جای گرم ،از واحدی به نام واحد کربنی استفاده می شود .

منظور از واحد کربنی ، یک دوازدهم جرم اتم کربن  است . یعنی اگر یک اتم کربن را مانند یک کیک ! به 12 برش تقسیم کنیم ، یک برش از آن یک واحد کربنی است که برای سنجش جرم اتم ها به کار می رود .

مثلا وقتی می گوییم جرم اتمی سدیم 23 است یعنی جرم یک اتم سدیم معادل جرم 23 واحد کربنی است یا  جرم اتمی لیتیم 7 است یعنی اگر در یک کفه ی ترازو یک اتم لیتیم بگذاریم در کفه ی دیگر باید 7 واحد کربنی قرار دهیم تا تعادل برقرار شود .

نکته : جرم اتمی یک عنصر با عدد جرمی اتم آن عنصر تقریبا برابر است.

میگویند تا بحال استاندارد های مختلفی برای تنظیم جرم بیان شده مثلا در ابتدا جرم اتم هیدروژن را یک فرض کرده و جرم بقیه عناصر را از روی اون حساب کردند اما بعد از کشف ایزوتوپ ها فیزیکدانان  تصمیم گرفتند که واحد جرمی رو یک- شانزدهم جرم فراوان ترین ایزوتوپ اکسیژن یعنی  در نظر  بگیرند اما به علت وجود کمی ایزوتوپ این دو مقیاس اندکی تفاوت پیدا کرد  سرانجام در سال 1961 فیزیکدانان و شیمیدانان به توافق رسیدند که واحد جرم اتمی را یک -دوازدهم  جرم فراوان ترین ایزوتوپ کربن انتخاب کنند.

عدداتمی

عدد اتمی (Z)، اصطلاحی است که در شیمی و فیزیک برای بیان تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم به کار می‌رود. عدد اتمی سمت چپ پایین علامت اختصاری عنصر نوشته می‌شود: ۱H (هیدروژن)، ۸O (اکسیژن)، ۶C (کربن)

عدد اتمی اصولاً شماره محل هر اتم در جدول تناوبی است. وقتی مندلیف، عناصر شیمیائی شناخته شده را بر اساس تشابهاتشان در شیمی مرتب کرد، متوجه شد که قرار دادن دقیق آنها بر اساس جرم اتمی، ناهماهنگیهای را بوجود می‌آورد. او متوجه شد که اگر ید و تلوریوم بر اساس جرم اتمی شان قرار بگیرند، ترتیبشان غلط به نظر می‌رسد و وقتی در جدول در جای مناسب قرار خواهند گرفت که جابجا شوند. با قرار دادن آنها بر اساس نزدیکتر بودن خواص شیمیائی، شماره آنها در جدول تناوبی همان عدد اتمی آنها بود. به نظر می‌رسید که این عدد تقریباً با جرم اتم نسبت دارد. اما همانطور که تفاوت جرم - خواص شیمیایی نشان داد، بازتاب خاصیت دیگری به جز جرم بود. عجیب بودن این ترتیب، بالاخره بعد از تحقیقات هنری موزلی در سال ۱۹۱۳ تشریح شد. موزلی کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب پرتو ایکس عناصر، و محل صحیح آنها در جدول تناوبی وجود دارد. بعداً نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته - به عبارت دیگر تعداد پروتونها - است و این بار الکتریکی است که خواص شیمیائی عناصر را بوجود می‌آورد و نه جرم اتمی.

عدد جرمی : عدد جرمی (A) تعداد نوکلئون‌ها (پروتون و نوترون) را مشخص

می‌کند و تقریباً برابر با جرم اتم هست اما واحد آنها فرق می‌کند زیرا جرم اتمی بر واحد گرم بر مول است اما عدد جرمی بر واحد A muیا واحد کربنی است. برای نشان دادن ساختار هسته‌ای اتم در بالا سمت چپ کنار علامت اختصاری (حروف لاتین) عنصر شیمیایی، عدد جرمی (جمع تعداد پروتون و نوترون) و عدد اتمی (Z تعداد پروتون‌ها) پایین سمت چپ نوشته می‌شود:

چونکه برای هر عنصری عدد اتمی یکسان اما عدد جرمی متفاوت هست بطور مختصر عدد جرمی سمت راست علامت اختصاری عنصر نوشته می‌شود:

H-۱، H-۳، He-۴، U-۲۳۵، U-۲۳۸.

امروزه مدت زیادی نگذشته که ثابت شده تمامی مواد از مولکولها ، مولکولها هم از اتمها ، اتمها از هسته‌ها و الکترونها و هسته‌ها از پروتونها و نوترونها تشکیل شده‌اند اما پروتونها و نوترونها والکترونها از چه چیزی ترکیب یافته‌اند؟ این ذزات ، ذرات بنیادی یعنی ذرات غیر قابل تجزیه نام دارند. با فرض اینکه تجزیه بیشتر آنها باعث می‌شود که به ذرات دیگری تبدیل شود.

 

دید کلی بر ذرات بنیادی

در اواخر قرن بیستم دانشمندان درباره ساختمان پنهانی ذرات بنیادی به یک مطالعه سیستماتیک و مداوم پرداختند. این مطالعه ابتدا از نوکلئونها (اجزای هسته) یعنی پروتونها و نوترونها شروع شد. عموما در فیزیک هسته‌ای این کار می‌توانست در دو خط اصلی ادامه یابد.

بررسی پدیده‌های شامل ذرات بنیادی با فیزیک هسته‌ای

کوشش برای شکستن یا خرد کردن یک ذره بنیادی در صورت امکان و تبدیل آن به اجزاء تشکیل دهنده‌اش ، اگر اجزاء تشکیل دهنده‌ای داشته باشد. برای این منظور ذرات مشابه دیگر را با سرعتهای حتی المقدور نزدیک به سرعت نور شتاب داده و این گلوله‌های شتاب دار را به ذرات بنیادی موجود در اتمهای دیگر برخورد می‌دهند. برای مثال برای بمباران هیدروژن یونیزه شده (یعنی پروتون) از پروتونهای شتابدار یا برای بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفای دیگر استفاده گردد.

انرژی لازم برای این عمل فقط می‌تواند به کمک شتاب دهنده‌های قوی ذرات باردار فراهم شود تولید ذرات باردار شتابدار برای دسترسی به انرژیهای دهها میلیون و بالاخره دهها هزار میلیون الکترون ولت زمانی یک کار بزرگ تلقی می‌شد.

بررسی ساختمان ذرات بنیادی

این روش بر اساس پدیده آشنای نوری قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده کوچکتر باشد طول موج نور تابانده شده به این ماده بایستی کوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آسانی از اطراف جسم عبور کرده و چیزی دیده نمی‌شود. و اگر از طول جسم کوچکتر باشد موج منعکس شده بازتاب نور و جسم روشن شده و قابل رویت می‌گردد.

دیدگاه موجی ذرات

دوبروی (De Broglie) کشف کرد که هر چه ذرات سریعتر حرکت کنند خواص موجی بیشتری از خود نشان می‌دهد. پس از این کشف تهیه نوعی میکروسکوپ الکترونی ممکن گردید که در آنها الکترون با انرژی 100Ken شتاب داده می‌شد. این میکروسکوپ رویت اجسام با قطر چند انگستروم را میسر می‌سازد. که هر آنگستروم برابر 8-10 سانتیمتر می‌باشد. مطابق نظریه دوبروی هر چه ذرات سنگینتر بوده و سریعتر حرکت کند ، طول موج معادل آن کوتاهتر خواهد بود. این مطالب نشان می‌دهد اگر الکترونی تا انرژی چند صد میلیون الکترون ولت شتاب داده شود، طول موجش آنقدر کوچک می‌شود که متناسب با اندازه ذرات هسته‌ای شده و می‌تواند برای بررسی ساختمان هسته اتمی بکار رود.  عکس پیدا نشد

ساختار فیزیک ذرات بنیادی

از بازتاب و پخش این فیزیک امواج برای اندازه گیری ذرات داخل هسته استفاده می‌شود. اگر الکترونی تا انرژی یک یا دو هزار میلیون الکترون ولت شتاب یابد طول موج الکترون چندین مرتبه کوچکتر از قطر ذرات هسته‌ای می‌شود. این فیزیک امواج تحقیق ساختمان پروتونها و نوترونها را ممکن می‌سازد. از روزی که دانشمندان به یک توپخانه اتمی قوی مسلح شدند، ذرات جدید اتمی یکی پس از دیگری کشف گردید.

انرژی معادل با یک میلیون الکترون ولت موجب کشف الکترون مثبتی به نام پوزیترون شد. شتاب دهنده‌هایی با صدها میلیون الکترون ولت تهیه مصنوعی مزونها را ممکن ساخت. مزونها اولین بار در پرتوهای کیهانی کشف شدند. توسعه شتاب دهنده‌های با انرژی بسیار زیاد موجب کشف ضد ذرات گردید. ضد ذرات تشکیل دهندگان اصلی ضد ماده می‌باشد که عمده‌ترین انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غیره.

بسیاری از ذرات کشف شده ، ذرات ناپایدارند آنها پس از یک دوره زمانی بسیار کوتاه تجزیه شده و به تعدادی ذرات کوچکتر و پایدارتر تبدیل می‌شود این ذرات کوچکتر پایدارتر شامل: الکترونها ، نوترونها ، اشعه گاما و یا نوترینوها می‌باشند.

ذرات ناپایدار ممکن است به ضد ذرات معادل خود که اصولا پایدارترند ، تبدیل می‌گردند.

همانگونه تا بحال معلوم شده هیچ یک از ذرات بنیادی شناخته شده نمی‌توانند به اجزاء کوچکتر شکسته شوند. آنها همگی به نام ذرات بنیادی معرفی شده است به همین دلیل نشان می‌دهد که ساختمانی ندارند.

تقسیم بندی ذرات ناپایدار

ذرات ناپایدار به دو گروه به صورت زیر تقسیم می‌شوند:

یک دسته از آن شامل ذرات سنگینتر از الکترون ولی سبکتر از پروتون است که مزون (Meson) نام دارند.

گروه دیگر شامل ذرات سنگینتر از پروتون است که هیپرون (Hyperon) خوانده می‌شوند. هیپرونها فقط به ذرات هسته‌ای از جمله پروتونها و نوترونها تجزیه می‌شوند.

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.