مواد رادیواکتیویته

مواد رادیواکتیو

مواد رادیواکتیو به موادی گفته می‌شود که بدون اینکه به وسیله نور یا بمباران الکترونی تحریک شوند از خود نور ساطع می‌کنند . می توان گفت وقتی نسبت نوترون به پروتون بیشتر از 5/1 شود، هسته ی عنصر مورد نظر ناپایدار شده و خاصیت رادیواکتیوی پیدا می کند، یعنی برای رهایی از این ناپایداری و سنگینی که در آن وجود دارد، با ساطع کردن پرتوهایی دچار تلاشی می شود تا به پایداری نسبی برسد. هسته‌های ناپایدار رادیواکتیو خود به خود دچار تغییراتی می‌شوند که در اثر آن تغییرات ، ترکیبات هسته‌ای پایدارتر به‌وجود می‌آیند .بعضی از هسته‌های ناپایدار به طور طبیعی وجود دارند و بعضی دیگر ساخته دست انسانند .

برای مثال آلومینیوم عنصری پایدار است. تا حدود یک قرن پیش تصور بر این بود که تمام عناصر پایدار هستند.

در مواد پرتوزا یا رادیو اکتیو فرایند پرتوزایی رخ می‌دهد. پرتوزایی (رادیواکتیویته) به فرآیندی گفته می‌شود که به وسیله آن هسته‌های ناپایدار اتمی دچار واپاشی هسته‌ای می‌شوند. چنین فرایندی معمولاً یک پرتو یون ساز با مقدار بالایی انرژی (کار مایه) پدید می‌آورد.

گاهی این انرژی را می‌توان به صورت نیروی هسته‌ای مهار کرد یا می‌تواند به‌وسیله آلودگی پرتوزایی در زیست بوم رها شود که بسیار مخاطره آمیز خواهد بود.

هسته‌هایی که ترکیب نوترونها و پروتونهایشان پایدار نیست دست خوش واپاشی می‌شوند. این گونه هسته‌ها به طور ذاتی ناپایدار بوده و با گذشت زمان تغییر نموده و به هسته‌های جدیدی تبدیل می‌شوند. به این فرآیند شکافت هسته‌ای می‌گویند که ضمن تبدیل به هسته یا هسته‌هایی کوچک تر و پایدارتر پرتوهای پرانرژی به اطراف پراکنده می‌شود. چنین هسته‌ای را پرتوزا یا رادیواکتیو می‌گویند. ناپایداری هسته می‌تواند به دلیل فزونی نوترون‌ها، پروتون‌ها و یا هر دو باشد.

مواد رادیواکتیو سه نوع پرتو با ذرات پر انرژی از خود ساطع می‌کنند ، پرتوهای آلفا ، بتا و گاما. این سه نوع پرتو از نظر بار ، جرم ، انرژی و قدرت نفوذ در اجسام مختلف با هم فرق دارند.

 پرتوهای آلفا دارای ذرات باردار مثبت ، پرتو بتا حامل ذرات باردار منفی و پرتو گاما متشکل از ذرات بدون بار هستند. مواد رادیواکتیو به دلیل ناپایداری که دارند با تابش این پرتوها به هسته‌های پایداری تبدیل می‌شوند.

از جمله عناصر رادیواکتیو طبیعی می‌توان به اورانیم U، توریم Th، پولونیوم Po ، رادیم Ra و بعضی از ایزوتوپهای عناصر پایدار نام برد. این عناصر به طور طبیعی وجود دارند. و اما مواد رادیواکتیو مصنوعی موادی هستند که در طبیعت وجود ندارند، بلکه آنها را در آزمایشگاه به وجود می‌آورند. به عنوان مثال یک ایزوتوپ از پلاتین به نام Pt 197 در طبیعت یافت نمی‌شود، اما می‌توان آنرا با اضافه کردن یک نوترون در فرآیندی به نام گیراندازی نوترون تولید کرد. این محصول ناپایدار بوده و با گسیل یا نشر یک ذره‌ی بتا به طلای 197 تباهی می‌یابد. عناصر رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی هر دو با گسیل یک یا جند ذره تباهی می‌یابند و به عناصر دیگر تبدیل می‌شوند، و تفاوت آنها به خاطر وجود یا عدم وجود در طبیعت است.

تمام عناصری که در آزمایشگاه ساخته می‌شوند، به کمک واکنشهای هسته‌ای بوده و عمر آنها کوتاه است. از جمله می‌توان به عناصر 110 تا 116 جدول اشاره نمود. البته عناصر با اعداد اتمی113 و 115 هنوز ساخته نشده‌اند و در جدول تناوبی جای آنها خالی است. این عناصر عبارتند از: Uun , Uuu , Uub , Uuq , Uuh

مواد رادیواکتیو به طور کلی سمی هستند. این مواد برای حیات ضرر دارند. یعنی به انحاَء مختلف در سطح بسیار بسیار بالا ایجاد مسومیت می‌کنند و در نهایت وارد بدن انسان که می‌شوند، حتی اگر شخص مسموم زنده بماند، باعث تغییرات ژنتیکی در فرد می‌شوند. یعنی اینکه مولکول‌ها را روی آن حلقه‌های DNA و RNA تحت تأثیر قرار می‌دهند و باعث میوتیشن (جهش) یا تغییرات ژنتیکی می‌شوند.

 مهم‌ترین مسئله‌ای که مواد رادیواکتیو ایجاد می‌کنند، تغییرات ژنتیکی است. در اطراف راکتورهای اتمی اگر دقت و احتیاط نشود، مثلا می‌بینیم که مارمولک‌هایی با سه پا، با دو سر و یا مارمولک‌های بی دست و پا و انواع قورباغه‌هایی که به اصطلاح دفورمه شده و تغییر شکل دادند، پیدا می‌شود. این تغییرات یعنی در ژنتیک آن جانور دستکاری شده. البته اگر دوز  این مواد بالا باشد، باعث مسمومیت و مرگ فرد، گیاه و جانور می‌شود.

 وقتی که در چرنوبیل، در اتحاد شوروی سابق، در راکتورهای اتمی اختلال ایجاد شد، ما دیدیم که در غرب انگلستان یعنی حدود ۵۰۰۰ کیلومتر آنطرف‌تر به طرف غرب، دولت انگلستان مجبور شد که گوسفندهای بی‌شماری را بکشد و دفن بکند. چون علف‌های آن منطقه به مواد رادیواکتیو آغشته شده بودند. گوسفند‌ها از آنها خورده بودند و این گوسفندها دیگر برای مصرف انسان جایز نبودند. فقط و فقط تغییرات و جهش ژنتیکی در یک نسل انجام نمی‌شود، بلکه وقتی در کروموزوم‌های شخصی این تغییرات ژنتیکی ایجاد شد، این را به فرزندش منتقل می‌کند و فرزند منتقل به فرزند. بنابراین انسان و حیات بر روی زمین برای این ساخته نشده‌اند که بتوانند این تغییرات را تحمل بکنند. مواد رادیواکتیو با حیات بر روی زمین سازگاری ندارد.

* جالب است بدانید که به گزارش خبرنگار سایت پزشکان بدون مرز  ،  در سال ۱۹۵۰ از دویست و پنجاه کودک ۴تا ۵ ساله ومادران آنها هنگام بارداری در معرض تشعشع بمب اتمی قرار گرفته بودند آزمایش بعمل آمد ۲۷ کودک دارای نواقص شدیدجسمی (نقص قلب،  انواع بیماری های ریوی و مری) و ۶ کودک سر بسیار بزرگ داشتند. و فهم و شعور آنها کم بود مادران این کودکان هنگام انفجار بمب در داخل مدار ۱۲۰۰ متری بودند. کودکانی که در معرض تشعشع قرارداشتند در رشد جسمی و عقلی آنها نیز اختلالات بوجود آمد هر قدر سن کودک هنگام انفجار کمتر بود اختلال بیشتر در اوظاهر می گردید.

تشعشعات مواد رادیو اکتیو

 این تشعشعات شامل تشعشعات الکترومغناطیسی مانند اشعة x و γ و تشعشعات اتمی نظیر اشعه x ، الکترون ها، پروتونها و نوترونها می باشد.

 اجسام رادیواکتیو ایزوتوپهایی از یک عنصر می باشند که در حالت تعادل قرار ندارند و با جذب یا دفع یک یا چند نوکلئون و تشعشع انرژی اضافی، بحالت تعادل درمی آیند. عناصر رادیواکتیو ممکن است با شکسته شدن نیز به عناصری با حالت پایدارتر تبدیل شوند. اجسام رادیواکتیو سه نوع اشعه β،  xو γ از خود منتشر می سازند.

 امروزه خاصیت رادیواکتیویته را با ایجاد عدم تعادل در هسته های پایدارتر بطور مصنوعی نیز درست می کنند. منابع تولید اشعه رادیواکتیو می توانند طبیعی یا مصنوعی باشند. رادیواکتیویته طبیعی از تشعشعاتِ کیهانی و دیگر منابع طبیعی بوجود می آید که میزان و آثار سوء آنها، در مقایسه با مواد رادیواکتیو مصنوعی، ناشی از فعالیت های انسانی، ناچیز است.

ü    در واکنش های هسته ای ماده ای که پرتو گسیل می کند را ماده مادر یا ماده اولیه می نامند و فرآورده یا آن ماده ای که پس از واپاشی بر جای می ماند را ماده دختر می نامند.

نیمه عمر

نیمه عمر مواد رادیواکتیو، یک عنصر، مدت زمانی است که طول می کشد تا یک ماده پرتوزا نیمی از قدرت خود را از دست بدهد، به طور مثال نیمه عمر کربن-14 حدود 5600 سال می باشد یا اورانیم 238 دارای نیمه عمر 5 میلیارد سال است، یعنی 5 میلیارد سال طول می کشد تا اورانیوم 238 نیمی از خاصیت رادیواکتیویته خود را از دست دهد، پس بنابراین یک عنصر اورانیوم 238 حدود 10 میلیار سال طول می کشد تا به طور کلی خاصیت رادیواکتیویته خود را از دست دهد.

از آنجایی که مواد پرتوزا قابلیت نفوذ در بافت های زنده را نیز دارند، بنابر این میزان تابش های هسته ای اطراف ما همواره می بایست آزمایش و بررسی شوند که این کار(اندازه گیری میزان پرتوهای الفا، بتا و گاما در اطراف زندگی) توسط دستگاهی به نام گایگر-مولر اندازه گیری می شود که این نام از نام سازندگانش اقتباس شده است.

واحدهای سنجش مواد پرتوزا :

 کوری :

 کوری بیانگر تحولات و میزان کاهشی است که در یک ثانیه در مقدار معینی از رادیوایزوتوپ رخ می دهد و معادل فعالیت یک گرم رادیوم است.

 گری :

 مقدار دز جذب شده که یک ژول انرژی را به یک کیلوگرم انتقال می دهد یک گری نامیده می شود.

 مقدار معادل :

 از نظر کیفی, پرتوها روی بدن آثار بیولوژیک متفاوتی دارند یعنی یک مقدار مشخص از یک نوع پرتو ممکن است اثر  بیولوژیک کمتر یا بیشتری از یک نوع دیگر باشد. کمیتی  که این تفاوت را معلوم می کند دز معادل نام دارد.

 DE = D * RBE

  شناخت پرتوها و ذرات یونساز:

  ۱- ذره α :

 ذرات α دارای جرم زیاد می باشند. مسیر حرکتشان مستقیم  است.

 انرژی خود را از دست می دهند و سرانجام با جذب دو الکترون به اتم  هلیم تبدیل می شوند. ذرات  با توجه به انرژی خود بین ۲ تا ۱۰ سانتی متر در هوا نفوذ می کنند. در آب و محیطهای جامد نفوذ کمتری دارند و بدین ترتیب با یک ورقه نازک فلزی و حتی صفحه کاغذ می توانند از حرکت آنها جلوگیری کرد.

  ورود آنها از بیرون به بدن چندان خطرناک نیست اما اگر از طریق استنشاق وارد بدن شوند بسیار خطرناکند.

 ۲- ذره β :

 انرژی ذرات β که از هسته های رادیو اکتیو خارج  می شوند متفاوت است و بدین دلیل برد آنها اختلاف دارد. قدرت نفوذ آنها زیاد است. مسیر آنها بدلیل انحراف های پی در پی مستقیم نمی باشد این ذرات در هنگام عبور به مرور انرژی خود را از دست می دهند و موجب یونیزه کردن اتمها می شوند.

 ۳- پرتو γ :

 این پرتو معمولاً از هسته اتم رادیواکتیو که به حالت پایدار   می رود بدست می آید. قدرت یونیزاسیون اشعه γ ضعیف است ولی قدرت نفوذ آن بسیار زیاد است و بدلیل نفوذ در عمق بافت بدن خطرات زیادی دارد. پرتوهای β با صفحه آلومینیومی به ضخامت چند میلی متر متوقف می شوند در حالیکه برای جلوگیری از پرتوهای γ از بلوک های ضخیم سربی استفاده می شود.

  ۴- پرتو X :

 این پرتوها دارای انرژی کافی برای یونسازی و تحریک اتمها و مولکولهای جسم جاذب می باشد و از طریق کاهش ناگهانی سرعت الکترونهای سریع یا خارج کردن یک الکترون از مدار اتم  بوسیله الکترون های سریع (که باعث جذب الکترون دیگر در مدار مزبور و صدور فوتون می شود) تولید می گردد.

 ۵- نوترون:

 پرتو نوترون فاقد بار الکتریکی است و به صورت نوترون های سریع و حرارتی ممکن است آثاری داشته باشد.

در حدود یک قرن پیش دانشمندان متوجه شدند که بعضی عناصر ایزوتوپ‌هایی دارند که رادیواکتیو (پرتوزا) هستند. مثلاً هیدروژن را در نظر بگیرید، در مورد این عنصر سه ایزوتوپ شناخته شده‌است:

۱ - هیدروژن معمولی (H) در هسته اتم حود یک پروتون دارد وبدون هیچ نوترونی. البته واضح است چون نیازی نیست تا خاصیت چسبانندگی خود را نشان دهد چرا که پروتون دیگری وجود ندارد.

۲ - هیدروژن دوتریم(D)که یک پروتون ویک نوترون دارد و در طبیعت بسیار نادر است. اگرچه عمل آن بسیار شبیه هیدروژن نوع اول است برای مثال می‌توان از آن آب ساخت اما میزان بالای آن سمی است.

هر دو ایزوتوپ یاد شده پایدار هستند اما ایزوتوپ دیگری از هیدروژن وجود دارد که ناپایدار است!

۳ - ایزوتوپ سوم هیدروژن(تریتیوم و رادیو اکتیو)(T)که شامل دو نوترون و یک پروتون است. همان طور که قبلا گفته شد این نوع هیدروژن ناپایدار است. یعنی اگر بازهم ظرفی برداریم واین بار درون آن را با این نوع از هیدروژن پر کنیم و یک میلیون سال دیگر به سراغ آن بیائیم متوجه می‌شویم که دیگر هیدروژنی نداریم و همه آن به هلیم ۳ تبدیل شده‌است (۲ پروتون و یک نوترون).

می‌توان گفت که هر چه هسته اتم سنگین‌تر شود تعداد ایزوتوپ‌ها بیشتر می‌شود و هر چه تعداد ایزوتوپ‌ها بیشتر شود امکان بوجود آمدن هسته‌های ناپایدار نیز بیشتر خواهد شد و در نتیجه احتمال وجود نوع رادیواکتیو نیز بیشتر می‌شود.

در طبیعت عناصر خاصی را می‌توان یافت که همه ایزوتوپ‌هایشان رادیواکتیو باشند. برای مثال دو عنصر سنگین طبیعت که در بمب‌ها ونیروگاه‌های هسته‌ای از آنها استفاده می‌شود را نام می‌بریم: اورانیوم و پلوتونیوم.

تاریخچه کشف مواد پرتوزا

هانری بکرل، دانشمند فرانسوی، زمانی که مشغول تحقیق بر روی مواد دارای خاصیت فسفرسانس بود متوجه شد که تاثیر نور مرئی و سنگ معدن اورانیوم(سولفات پتاسیم اورانیوم) بر روی یک فیلم عکاسی بسته بندی شده همانند است   ( بعدها مشخص شد که سنگ معدن اورانیوم از خود پرتوهای آلفا و گاما گسیل کرده و چون پرتوهای گاما همان پرتوهای X پرانرژی هستند و از جنس نور یا امواج الکترومغناطیسی اند، بنابر این اورانیوم، چنین تاثیری بر روی فیلم عکاسی بسته بندی شده وی گذاشته)، در همین حین ماری کوری خاصیت پرتوزایی را کشف کرد و با تعداد محدودی ماده پرتوزا مانند پولونیم(فلز ضعیف) و رادیم(فلز قلیایی خاکی) آشنا گردید و نام های کنونی چون رادیواکتیو(پرتوزا) یا رادیواکتیویته(پرتوزایی) را وی برگزید ومنتشر ساخت، در آن زمان، اطلاعات بشر در مورد این مواد بسیار کم بود و رادرفورد در پی اکتشافات تازه ای درمورد این مبحث نوین بود.

ارنست رادرفورد در سال 1895 به آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت جی.جی امسون مشغول به کار شود، تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت، رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود دو تابش رادیواکتیو ناهمانند شناسایی کرد، او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود اما برای متوقف کردن بخش دیگر برگه های بس ضخیم تری لازم بود. او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود را اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود، در سال 1900 بوسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیکدان فرانسوی) کشف شد، این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زیاد بود تابش جدید، پرتو گاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم فرآیند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و بر جای ماندن اتمی سبکتر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها عنصر از شرته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.

رادرفورد در سال 1904 نخستین کتاب خود به نام فعالیت تشعشعی را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود را منتشر کرد  و به سرعت دست به کار تدوین نظریه های تازه در باره ساختار اتم شد.

سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است و به همین علت، او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.

پرتوزایی مصنوعی

در سال 1934 ایران کوری، دختر ماری و پی یر، و شوهرش فردریک ژولیو، پرتوزایی مصنوعی را کشف کردند. آنان نشان دادند که می توان از ذرات آلفا، که راذرفورد آنها را به عنوان تکه هایی از هسته ی اتمها که عناصر پرتوزای طبیعی گسیل می کردند شناسایی کرده بود، برای بمباران عناصر غیر پرتوزا و القای پرتوزایی در آنها استفاده کرد

ü  چندی نگذشت که لئوزیلارد در دانشگاه کلمبیا شکافت هسته ای را در واکنشهای زنجیره ای مشاهده کرد. بور که در آن هنگام در دانشگاه پرینستون بود، حساب کرد که فقط شکل نادری از اورانیم، یعنی ایزوتوپ 235-U آن که در طبیعت تنها 1% اورانیم طبیعی را تشکیل می دهد، موجب واکنشی زنجیره ای می شود. برای ساخت یک رآکتور زنجیره ای باید 235-U تغلیظ می شد. این کار عملی بود، و بالاخره انجام شد .ایالات متحده موفق شد گوی سبقت را در این زمینه از آلمان برباید.

کاربرد مواد رادیو کتیو

میدانیم برای تعیین عمر آثار باستانی , فسیلها و حتی سن سنگها و صخره ها از ویژگی خاص مواد رادیو اکتیو یعنی نیمه عمر این مواد استفاده می شود .اغلب دانش اموزان کنجکاوند بدانند این روش عمر سنجی به چه طریق انجام می شود. عمر سنجی با مواد رادیو اکتیو را به سه دسته می توان تقسیم کرد

1- عمر سنجی با کربن 14

ایزوتوپ کربن 14 در میان هسته های پرتو زای طبیعی منحصر به فرد است , زیرا نیمه عمر آن 5730 سال است که در مقایسه با سن بر آورد شده ی زمین ( حدود 4 میلیارد سال ) خیلی کوتاه است . به ازای هر اتم کربن 14 حدود 1011 × 6/7 اتم کربن معمولی در جو وجود دارد. ولی وقتی یک موجود زنده میمیرد , کزبن 14 محتوای آن وا می پاشد و جای آن گرفته نمی شود.در نتیجه با اندازه گیری غلظت نسبی کربن 14 در ماده ی مرده ی با منشا آلی , میتوان زمانی را که آن موجود اخذ co2 جوی را متوقف کرده است تعیین کرد .

2-گرما لیانی

اگر یک نمونه کوچک از سفال باستانی را به صورت پودر در آوریم و آنگاه تا حدود 500 درجه ی سانتیگراد گرمش کنیم , علاوه بر تابش جسم سیاه , مقدار کمی هم نور که به سهولت قابل اندازه گیری است , از آن گسیل می شود. اگر همین نمونه را مجدداًگرم کنیم , فقط تابش جسم سیاه مشاهده می شود. نور اضافی که در خلال گرم کردن اولیه مشاهده می شود گرمالیانی نامیده می شود.این نور از حالتهای بر انگیخته ی با عمر خیلی طولانی در بعضی از کانیهای خاک رس تابش می شود.

وقتی خاک رس را گرم می کنیم بعضی از کانیهای خاک رس با جذب انرژی از واپاشی ناخالصیهای پرتو زا نظیر اورانیم , توریم و پتاسیم 40 در سفالی ها احتمالاً از خاک اطراف , بر انگیخته می شوند . این حالتهای بر انگیخته با عمر خیلی طولانی با گسیل نور به حالت پایه وا می پاشندکه نور حاصل را گرمالیانی می گوییم .

3- عمر سنجی به روش اورانیم 238 و سرب 206

سرب طبیعی چهار ایزوتوپ داردکه عبارتند از سرب 204 و 206 و 207 و 208 این چهار ایزوتوپ جز سرب 204 جملگی محصولات نهایی واپاشی ایزوتوپ اورانیم یا توریم اند . اگر نمونه ای از یک سنگ یا صخره که هم حاوی اورانیم و هم شامل سرب است ایزوتوپ سرب 204 نداشته باشد , به احتمال قریب به یقین سرب موجود در آن نمونه حاصل واپاشی اورانیم و توریمی است که در ابتدای تشکیلش وجود داشته است و اینکه در آن زمان زمین شناختی دور , این صخره کلاً فاقد هر سربی بوده است. بنابر این نسبت اورانیم 238 به سرب 206 و نسبت توریم 232 به سرب 208 معیاری از عمر زمین شناختی صخره به شمار می آید.

مواد رادیو اکتیو در علم پزشکی

 سودمندترین رادیو ایزوتوپها در پزشکی هسته ای رادیوایزوتوپهای تابش کننده گاما می باشند ،زیرا پرتوهای تابش شده از این مواد در درون بدن را می توان از بیرون بدن به سادگی تشخیص داد. اندازه های کاربردی مواد رادیواکتیو در روشهای تشخیص از دید جرم بسیار اندک است - نزدیک به میکروگرم - بگونه ایکه این مواد بر روند کارهای فیزیولوژیک بدن اثری ندارند.

 در یک ژنراتور یک رادیوایزوتوپ دختر با نیم عمر کوتاه که کاربرد پزشکی دارد از یک رادیوایزوتوپ مادر که نیم عمر طولانی دارد به دست می آید

در ایران نیز  سازمان انرژی اتمی ایران وظیفه تامین پرتوداروهای مورد نیاز برای درمان بیماران را بر عهده داشته‌است.

 به عنوان مثال P ( با عدد جرمی 32 یک گسیلنده بتا با نیمه عمر 3/14 روز ) برای درمان یک نوع بیماری خونی ( Polycythema ) به کار می رود . این عنصر پس از تغذیه توسط بیـــمار ، در مغز استخوان جمع می شود و تولید سلولهای قرمز خون را کند می کند و به این ترتیب در درمان برخی بیماری های خونی موثر است.

مدل اتمی رادرفورد

آزمایش دوم رادرفورد

با توجه به آزمایش رادرفورد دربمباران ورقه طلا با ذره ی آلفا، به این پرسش ها پاسخ دهید:

الف)از انجا که مواد پرتو زا هرسه پرتوی آلفا ،بتا ،گاما رانشر می کنند ،چگونه رادفورد توانست ورقه ی طلا راتنها با پرتوی آلفا بمباران کند؟

ب) چرا دراین آزمایش از ورقه ی طلا استفاده شد؟

آ) برخی فلز ها مانند Bi  21483 هرسه پرتوهای یاد شده رانشر می کنند اما فلزهایی هم چون رادیم واورانیم با نشر پرتوی آلفا تلاشی می یابند

U   →  42  He  + 23090 Th  23492                                                                       Ra  →  He  42 + 22286 Rn                                                                22688 

بنا به برخی منابع رادرفورد از رادیم به عنوان منبع تولید پرتوی آلفا استفاده کرده ودرمنابعی دیگر اشاره شد ه که از اورانیم برای این منظور بهره گرفته است .

ب) برای این انتخاب دو دلیل به این شرح وجود داشت :

- از آنجا که ذره های آلفا جرم وبار زیادی داشتند باید برای متوقف کردن آن ها از فلزهایی استفاده می شد که جرم اتمی بسیار بزرگتری نسبت به جرم ذره های آلفا داشتند .

- طلا فلزی چکش خواراست ومی توان از آن ورقه های بسیار نازک تهیه کرد .به ضخامت ورقه های طلادرآزمایش رادرفورد cm  ^۱۰-۵×۶ گزارش شده است .

- و شاید دلیل سوم این که رادرفورد به دنبال یک فلز سنگین بود که تعداد الکترونهای زیادی دارد و می خواست میزان پراکندگی ذرات آلفا را در این اتم سنگین با تعداد الکترونهای زیاد بررسی نماید.

مجموع این عوامل سبب شد را رادرفورد بیشتر آزمایشات خود را بر روی ورقه ی نازک طلا انجام دهد.

؟ : بنا به مدل اتمی تامسون ،چرا ذره های آلفا با انحراف اندکی ازورقه ی طلا می گذرند ؟

ذره های آلفا حدود 7 هزارباراز الکترون ها سنگین ترند پس هنگام برخور دبا الکترون ها باید بدون انحراف از میان آن ها بگذرند .درست مانند برخورد یک توپ بزرگ با توپ های کوچکی که درمسیر آن قرار گرفته اند وبه دیگر سخن ذره های کوچکی هم چون الکترونها تاثیری درپراکندگی ذره های  آلفا ندارند اما دافعه های میان بارهای مثبت اتم وذره های آلفا می تواند سبب انحراف اندکی درمسیر این ذره ها شود .

؟ : آیا درشناسایی ساختار اتم، رادرفورد تنها ازورقه ی طلا استفاده کرد ؟

خیر هنگامی که او نتایج آزمایش رابا پیش بینی های خود متفاوت دید، آزمایش رابا اتم های دیگرازجمله پلاتین ،مس، نقره نیز تکرارکرد وبه این نتیجه رسید که هرچه وزن اتمی عنصر به کار رفته بیش تر باشد، تعداد ذره های آلفا که به سمت تابش باز می گردند، افزایش می یابد .

؟ : با توجه به مدل هسته ای اتم ،به این پرسش ها پاسخ دهید ؟

الف) چرا وجود دافعه میان پروتون ها سبب ناپایداری هسته نمی شود ؟ 

ب‌)  چرا درعنصرهایی باعدداتمی بالاتر از 20 تعداد نوترون ها بیش تر است ؟

ت‌)  چراعنصرهایی که عدد اتمی بالاتر از83 دارند،ناپایدارند؟

الف) در این زمینه می توان به دو دلیل اشاره کرد نخست این که درفاصله های بسیار کم حدود کم تراز cm 13 ^{– 10}قانون کولن صادق نیست ونیروی قوی هسته ای سبب می شود که نو کلئون ها درکناریک دیگر باقی بمانند. این نیروی به کمک ذره های مبادله کننده به نام گلوئون است که چنین اثری از خود نشان می دهد و دلیل دیگر این است که بنا به نظریه ی هیدکی یوکاوا فیزیکدان ژاپنی ، پروتون ونوترون های درون هسته در نتیجه مبادله ی مزون – ذراتی با جرم ۲۷۰ برابرجرم الکترون  -  به سرعت به یک دیگر تبدیل  می شوند که به پایداری هسته می انجامد .                         

ب) نوترون ها ذره هایی خنثی هستند ومیان آن ها نیروی دافعه ای الکترواستاتیک وجود ندارد. اما وجود آن ها نیرو ی هسته ای راتقویت می کند وسبب پایداری هسته می شود .        

 ت) با افزایش تعداد نوترون ها فاصله ی میان نوکلئون ها فزونی می یابد و درنتیجه نیروی دافعه ی الکترواستاتیک  میان بارهای مثبت به حدی می رسد که می تواند منجر به تلاشی هسته ی اتم های پرتو زا شود.

 

 

 

 

 

مختصری از شرح حال رادرفورد

ارنست رادرفورد در تاریخ سی ام ماه اوت سال 1871 در حومه برایت واتر شهر نلسون واقع در ساحل شمالی جزیره جنوبی زلاند نو به دنیا آمد. او چهارمین فرزند از دوازده فرزند جیمز و مارتا رادرفورد، نیوزلندی های نسل اول بود که از کودکی از اسکاتلند به زلاند نو آورده شده بودند. خانواده رادرفورد یک خانواده پرجمعیت دوازده بچه ای بود که اعضای آن همه در انجام کارهای روزمره خانواده مشارکت می کردند. اهل خانه همه افرادی جدی، کلیسا رو، خوشحال و بافرهنگ بودند.

علاقه مندی رادرفورد به علوم در مرحله زودی بروز کرد. او ده ساله بودکه کتاب پرطرفداری به نام «خواندنیهای اولیه فیزیک» تألیف معلمی به نام بالفور استوارت به دست آورد. کتاب استوارت مشابه کتابهای خودآموز فیزیک امروزی بود که در آنها نحوه به نمایش در آوردن اصول پایه فیزیک با استفاده از اشیاء ساده موجود درخانه مانند سکه، شمع، سنگ وزنه و وسایل آشپزخانه به خواننده یاد داده می شود. رادرفورد جوان سخت شیفته آن کتاب شده بود. نخستین بورس از بورس های تحصیلی متعدد زندگی خود را در سال 1887 که 16 ساله بود به دست آورد. بورس تحصیلی دومی وی را قادر به ثبت نام در کالج کنتربوری شهر کریستچرچ کرد که مؤسسه ای بود که در سال پیش از تولد خود او بوجود آمده بود.

 وی رشته های تحصیلی اصلی خود را فیزیک و ریاضیات انتخاب کرد که از بخت مساعد در هر دوی آنها معلمان خوبی هم داشت. رادرفورد در پایان دوره آموزشی سه ساله خود درجه کارشناسی ریاضی و فیزیک- ریاضی و (بطور کلی) علوم فیزیکی به پایان رسانید. نکته قابل ذکر در رابطه با زندگی خصوصی وی در ایام اقامت در کریستچرچ، اینکه وی در آنجا با ماری نیوتن دختر صاحبخانه خود آشنا و پایبند عشق او شد. رادرفورد در پی انتشار دو مقاله مهم درباره فعالیت تشعشعی مواد در سال 1895،برخلاف دوم شدن در گزینش، جایزه مهمی به شکل یک بورس تحصیلی دریافت کرد. مقررات اعطای جایزه، حق انتخاب مؤسسه آموزشی را به خود برنده جایزه می داد، که رادرفورد آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج به مدیریت جی.جی. تامسون (صاحب نظر پیشتاز جهان در زمینه الکترومغناطیس) را برگزید.

در آن سال ویلهلم کنراد رونتگن فیزیکدان آلمانی موفق به کشف اشعه ایکس شد. کشف مهم دیگری که منجر به شروع کار اصلی رادرفورد شد، کشف هانری بکرل فرانسوی در سال 1898 بود. رادرفورد در سال 1895 به آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت جی.جی. تامسون مشغول به کار شود. تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت. رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود، دو تابش رادیواکتیوی ناهمانند شناسایی کرد. او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود، اما برای متوقف کردن بخش دیگر، برگه های بس ضخیم تری لازم بود.

او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد، اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود در سال 1900 بوسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیکدان فرانسوی) کشف شد. این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زیاد بود. تابش جدید، پرتوگاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم: فرایند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و برجای ماندن اتمی سبک تر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است. از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها یک عنصر از رشته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.

رادرفورد در سال 1903 به عضویت انجمن سلطنتی لندن درآمد و در سال 1904 نخستین کتاب خود به نام «فعالیت تشعشعی» را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود، منتشر کرد. شهرت رو به افزون رادرفورد در جوامع علمی سبب شد که از طرف دانشگاه ها تصدی کرسی های استادی زیادی به وی پیشنهاد شود. او در سال 1907 به انگلستان بازگشت تا تصدی مقام مذکور را در دانشگاه منچستر به عهده بگیرد. رادرفورد در دانشگاه منچستر رهبر گروهی شد که به سرعت دست به کار تدوین نظریه های تازه درباره ساختار اتم شد. آن دوره پرثمرترین دوره زندگی دانشگاهی او بود.

رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل سال 1907 در شیمی نقطه اوج آن بود. این نشان افتخار را البته برای کارهایی که در کانادا در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند. بزرگترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچسترکشف ساختار هسته اتم بود. پیش از رادرفورد اتم به گفته خود او «یک موجود نازنین سخت و قرمز و یا به حسب سلیقه خاکستری بود اما اینک یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم بود».

رادرفورد در سال 1937 در اثر یک فتق محتقن (گونه ای تورم ناشی از انسداداعضای درونی) درگذشت. او در آن هنگام شصت و شش ساله و هنوز سرزنده و قوی بود. سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است. او آشکارا بزرگترین فیزیکدان آزمایشگر زمان خود بود و از زمان مایکل فارادی به بعد دیگر فیزیکدان آزمایشگری به بزرگی او نیامده بود. ده ها انجمن علمی و دانشگاه به او عضویت و درجات دانشگاهی افتخاری دادند. او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.

مدل اتمی رادرفورد

مدل اتمی رادرفورد مدلی از ساختمان اتم است که ارنست رادرفورد در سال ۱۹۱۱ میلادی ارائه کرد. پیش از مدل رادرفورد تصور دانشمندان از ساختمان اتم  براساس مدل اتمی تامسون بود. مدل تامسون اتم را به صورت مجموعه‌ای از پروتون ‌ها که در میان الکترون‌ها پراکنده هستند در نظر می‌گرفت. این مدل به مدل کیک کشمشی معروف شد. چهارده سال پس از تامسون یعنی در سال ۱۹۱۱ رادرفورد پس از آزمایش معروف ورقه طلای خود مدل دیگری را پیشنهاد کرد.

رادرفورد یک ورقه ی نازک طلا را با یک منبع پرتوزا از جنس آلفا که داخل محفظه سربی قرار گرفته بود، بمباران کرد. او مشاهده کرد که بیشتر ذره‌ های آلفا بدون انحراف از ورقه عبور کردند، نتیجه گرفت که بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد. تعداد زیادی از ذره ‌های آلفا با زاویه ی اندکی از مسیر اولیه منحرف شدند نتیجه گرفت که یک میدان الکتریکی قوی در اتم برقرار است. و تعداد بسیار اندکی از ذره‌های آلفا با زاویه بیش از 90 درجه از مسیر اولیه منحرف شدند نتیجه گرفت که اتم طلا هستهٔ بسیار کوچک و سنگین دارد. و به این ترتیب مدل اتم هسته دار خود را ارائه داد.

نارسایی های مدل اتمی رادرفورد

1ـ مدل اتمی رادرفورد الکترون ها را در حال چرخش بدور هسته فرض کرد. در حالیکه الکترون ذره ی دارای بار الکتریکی است و بر اساس قوانین الکترودینامیک حرکت شتابدار ذرات دارای بار الکتریکی از جمله الکترون با انتشار امواج الکترومغناطیسی و در نتیجه کاهش انرژی ذره ی متحرک همراه است. بنابراین الکترون ضمن چرخش بدور هسته باید به تدریج و مارپیچ وار به هسته نزدیک شده و جذب هسته شود. در این صورت مدل اتمی رادرفورد ارزش خود را از دست می دهد.

2ـ می دانیم که طیف نشری اتم ها خطی است و در حالیکه اگر الکترون بتدریج به هسته نزدیک شود، باید طیف آن پیوسته باشد. که آزمایش ها خلاف آن را نشان می دهد.

چادویک چگونه نوترون را کشف کرد؟

در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد .در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده است که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره‌ی فرضی نام نوترون (به معنای خنثی) راپیشنهاد کرد . تحقیق در یافتن نوترون تا سال 1932 به دو دلیل نامؤفق ماند .اول آنکه دانشمندان نمی توانستند ماده ی طبیعی بیابند که گسیل کننده ی نوترون باشد و دیگر آنکه روش هایی که برای آشکارسازی ذرات اتمی به کار برده می شد ، همگی به آثار بار الکتریکی ذرات بستگی داشت.

در سال 1930 بث و بکر دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شوند، تابش هایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از نوع پرتوهای گاما هستند زیرا این پرتوها فاقد بار الکتریکی بودند . فردریک ژولیو و ایرن کوری به بررسی جذب تابش مذکور در پارافین پرداختند(پارافین ماده ی غنی از هیدروژن است) . آنها دریافتند که تابش حاصل ا زبریلیم وقتی به پارافین برخورد می کند، تعداد بسیاری هسته ی هیدروژن (پروتون) از پارافین می راند .چادویک به مطالعه ی انرژی پروتون های رانده شده پرداخت و بر اساس قوانین پایستگی و اندازه حرکت در فیزیک کلاسیک ، این فرض را بنا نهاد که ماهیت تابش حاصل از بمباران بریلیم نوترونی است که بار صفر و جرم برابر یک دارد . به عبارت دیگر وقتی بریلیم با ذره ی آلفا بمباران شود ، واکنش هسته ای صورت می گیرد و نوترون تولید می‌شود:

وقتی نوترون ها به درون پارافین راه می یابند، گاه و بی گاه با هسته های هیدروژن برخوردهای رودرو پیدا می کنند و به دلیل یونشی که ایجاد می کنند پروتون هایی پس زده مشاهده می شود . چنین نوترون هایی بنا به فرض چادویک به علت آنکه بار الکتریکی ندارند می توانند در اجزای ماده ی متراکمی همچون سرب نفوذ کنند بدون آنکه انرژی خود را از دست بدهند .

از سال 1932 به بعد درباره ی خواص و برهم کنش بین نوترون ها و اتم ها پژوهش های بسیاری به عمل آمده و شاخه ای به نام فیزیک نوترونی بوجود آمد . فیزیک نوترونی با تولید نوترون ها ، آشکارسازی آنها و برهم کنش آنها با هسته های اتمی و با ماده ی توده ای سروکار دارد .این پژوهش ها در میان پژوهش های دیگر به کشف شکافت هسته ای انجامید .

همانطور که می‌دانید اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند ، پس تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند تا اتم خنثی باشد. اما بعد از اینکه الکترون و پروتون و جرم آنها شناخته شد دانشمندان متوجه شدند که جرم اتم خیلی بیشتر از جمع جرم الکترونها و پروتونهای موجود در آن اتم است. به این دلیل آقای ارنست رادرفورد در سال 1920 نتیجه گرفت که برای توجیه جرم کل اتمها ذرات بدون باری باید در هسته وجود داشته باشند. چون این ذرات بدون بارند ، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل بود. ولی در سال 1932 ، آقای جیمز چادویک نتیجه‌ی کارهای خود را در باره‌ی اثبات وجود این ذره که نوترون ( از واژه لاتین به معنای خنثی ) نامیده شد ، منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده‌های به دست آمده از بعضی از واکنشهای هسته‌ای مولد نوترون ، جرم نوترون را محاسبه کند. جرم نوترون g24-10 * 6726/1 است که اندکی بیشتر از جرم پروتون می‌باشد.

چادویک در رساله خود تحت عنوان «وجود نوترون» می‌گوید: «اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر تابش کوانتومی {پرتو گاما} نیست، بلکه مرکب از ذره‌هایی است با جرم بسیار نزدیک به جرم پروتون، تمام اشکالات مربوط به برخورد از میان می‌رود، هم در مورد فرکانس آنها و هم در مورد انتقال انرژی به جرمهای متفاوت. برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار مؤثری ندارند. باید فرض کنیم که هر یک از آنها ترکیب نزدیک به هم از یک پرتون و یک الکترون است، و همان «نوترونی» است که رادرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داد.» پس، بر طبق فرضیه چادویک، وقتی عنصری همچون بریلیم با ذره آلفا بمباران شود واکنش هسته‌ای صورت می‌گیرد که نوترون تولید می‌کند.

نوترونی که بنا بر فرض چادویک بار صفر و جرمی برابر 1 دارد. کشف نوترون با جرم نزدیک به یک واحد بدون بار الکتریکی، نظر رادرفورد را مبنی بر اینکه هسته اتمی از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأیید کرد. این فرضیه بعد از مدتی کوتاه در سال 1932 به وسیله‌ هایزنبرگ به عنوان مبنای یک تئوری هسته‌ای مفصل تر قرار گرفت و هنوز هم مبنای تلاش هایی است که برای بیان خواص و ساختار هسته به عمل می‌آید. بر طبق فرضیه پروتون –  نوترونی هسته بک اتم با عدد اتمی z و عدد جرمی A مرکب از Z پروتون و A-Z نوترون است.

با کشف نوترون در سال 1932 این تصور حاصل شد که اجزای اصلی ساختمان ماده سه ذره «بنیادی» است: پروتون، نوترون و الکترون.

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.

ایزوتوپ و مدل اتمی بور

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 .

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 .

یون ها

یون ها

یون ها اتم هایی هستند که الکترون اضافه یا کمبود الکترون دارند. یک اتم معمولی، در حالت خنثی است. یعنی تعداد الکترون های آن با تعداد پروتون هایش برابر است . وقتی اتم ها به یون تبدیل می‌شوند، خواص آنها شدیدا تغییر می کند. مثلاً مجموعه‌ای از مولکولهای برم قرمز است. اما یونهای برم در رنگ بلور ماده مرکب هیچ دخالتی ندارند. یک قطعه سدیم شامل اتم‌های سدیم نرم است. خواص فلزی دارد و بر آب به شدت اثر می‌کند. اما یونهای سدیم در آب پایدارند.  مجموعه بزرگی از مولکولهای کلر، گازی سمّی به‌رنگ زرد مایل به سبز است، ولی یونهای کلرید مواد مرکب رنگ ایجاد نمی‌کنند و سمّی نیستند. به همین لحاظ است که یونهای سدیم و کلر را به صورت نمک طعام می‌توان بدون ترس از واکنش شدید روی گوجه فرنگی ریخت.وقتی اتم‌ها به صورت یون در می‌آیند، ماهیت آنها آشکارا تغییر می‌کند.

 الکترووالانس

الکترووالانس فقط یک کلمه دیگر برای چیزهایی است که الکترون خود را از دست می دهند و به یون تبدیل می شوند.

اگر شما به جدول تناوبی نگاه کنید ممکن است که ببینید تمام عناصری که سمت چپ قرار دارند به یون با بار مثبت و عناصری که در سمت راست قرار دارند به یون با بار منفی تبدیل می شوند.

این بدین معنی است که سمت چپ تمایل به مثبت بودن و سمت راست تمایل به منفی بودن دارند. والانس یک مشخصه برای نشان دادن تمایل اتم ها برای ارتباط با دیگر اتم هاست.

انواع پیوندها

 سه نوع پیوند اصلی وجود دارند. کووالانس و الکترووالانس و پیوند فلزی.

پیوند کوالانسی : این پیوند میان  نافلز و نافلز  و یا نافلز و هیدروژن تشکیل می شود .مانند : cl₂ ، HCl (در این نوع پیوندها اتم ها با به اشتراک گذاشتن الکترون ها به آرایش گاز بی اثر تبدیل می شوند. )

پیوند الکترووالانس : این پیوند مبان فلز و نافلز و یا فلز و بنیان تشکیل می شود. مانند : MgO  ، CaCO ₃ (در این نوع  پیوند ها اتم فلزات با از دست دادن الکترون، به کاتیون تبدیل می شوند و نافلزات با گرفتن الکترون ،به آنیون تبدیل شده و به آرایش گاز بی اثر تبدیل می شوند . میان یون های حاصل نیروی جاذبه ی قوی الکتروستاتیکی ایجاد می شود که به آن پیوند یونی گفته می شود. )

 

پیوند فلزی

پیوند یونی

دانشمندان پیوند یونی را پیوند الکترووالانس نیز می نامند. پیوند یونی، گروه های یون های بارداری هستند که به وسیله نیروی الکتریکی در کنار هم نگه داشته می شوند. دانشمندان این گروه ها را تجمع های های یونی نامیده اند. در حضور یون های دیگر، پیوندهای الکترووالانس بدلیل وجود جاذبه و نیروهای الکتریکی بیرونی ضعیفتر هستند.

 به عنوان نمونه به سدیم کلراید نگاه کنید. نمک، پیوند قوی ای دارد. تقریبا شکسته شدن پیوندهای یونی آن غیر ممکن است. هر چند اگر شما نمک را در مقداری آب بریزید پیوندهای آن به علت جاذبه الکتریکی آب به سرعت می شکند. حال شما یون های سدیم (+Na) و کلراید (-Cl) دارید. به خاطر داشته باشید به طور نرمال پیوندهای یونی قوی تر هستند اما در آب بسیار ضعیف می باشند.

 

   

 تاثیر یون ها در بدن انسان

بر اساس گفته‌ای یک روانشناس، تیکهای عصبی که عمدتاً ریشه‌های روانپزشکی دارند، ناشی از کمبود برخی یون‌ها و املاح معدنی در بدنند.

دکتر حسین ابراهیمی مقدم، گفت: تیک‌های عصبی جزء اختلالاتی هستند که عمدتا ریشه روانپزشکی دارند. ساده‌ترین تیک‌ها، تیک‌های چشمی (معمولا پلک فرد می‌پرد) و همچنین تیک‌های آوایی هستند که صوتی یا به صورت صاف کردن صدا نشان داده می‌شود.

دسته دیگر تیک‌ها در عضلات بدن نمایان می‌شود که شکستن قلنج به طور مرتب و یا انداختن شانه‌ها به طور مرتب از تیک‌های عضلات بدن است. برخی از تیک‌ها نیز ترکیبی از یک یا چند تیک است.

اصولا  تیک‌های عصبی با استرس و عوامل فشارآفرین آغاز می‌شود. با این حال، کمبود بعضی یون‌ها مانند منیزیم در به وجود آمدن تیک‌ها نقش دارد و برای پیشگیری از تیک‌های عصبی از املاح معدنی باید استفاده کرد.