مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

اتم

تاريخچه اتم

دو هزار سال پیش دانشمندان یونانی کلمه اتم را برای کوچکترین جزء ماده بکار بردند. تقسیم پذیر بودن این اجزاء کوچک ماده در طول تاریخ ، همچنین در طول دوران تفکر اسلامی ، مورد بحث فلاسفه بوده است. اما بررسی علمی به معنی کمی و امروزی آن پیشرفت علم شیمی در قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم شروع میشود. لاوازیه برای ساده ترین جزء ماده کلمه عنصر را بکار برد. اکسیژن ، نیتروژن ، سرب و گوگرد شناخته شد. وی متوجه شد که واکنشهای شیمیایی به نوعی با وزن عنصرها ارتباط دارد.

این تحقیقات توسط دالتون شیمیدان معروف در اوایل قرن نوزدهم ادامه یافت. وی موفق شد نسبت وزن این عنصرها را با دقت بیشتری تعیین کند. از جمله نسبت وزن اکسیژن به هیدروژن را وی در این بررسیها ، عنصر هیدروژن را مبدا قرار می داد. اما هنوز ارتباط کامل این عناصر با یکدیگر و نیز ماهیت هریک از عناصر مشخص نبود. تا اواسط قرن نوزدهم میلادی ، به مدت بیش از پنجاه سال تحقیقات آزمایشگاهی و نظری فراوانی برای فهم این نسبتها و ماهیت عناصر انجام شد. در این میان فیزیکدانان از جهت دیگری علاقه مند به این مساله بودند.

از یک طرف مقدمات نظریه جنبشی گازها از اواسط قرن نوزدهم میلادی مطرح شده بود. در این مباحث فیزیکدانان می کوشیدند با فرض اینکه گازها مجموعه‌ای از ذرات هستند، که با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف محتوی گازها برخورد میکنند، به خواص آنها مانند دما و فشار دست یابند. از طرف دیگر نظریه الکترمغناطیس و خواص ذرات باردار کوچک که که الکترون نامیده شده بودند، در دست بررسی بود. کشف پرتو ایکس و رادیو اکتیویته نیز به مجموع این مباحث کمک میکرد تا نظریه اتمی ماده مورد پذیرش قرار گیرد. اما شناخت نهایی به دهه بیست کشیده شد و تا سال 1910 میلادی به درازا کشید. در این زمان هم الکترون به عنوان یک ذره کوچک کشف شده بود و هم نظریه کوانتومی نور ، و هم نسبت دقیق وزن عنصرها.

به این ترتیب شیمیدانان و فیزیکدانان نهایتاً پذیرفتند که کوچکترین بخش ماده اتم است و اتم ماده‌های مختلف با یکدیگر متفاوت‌اند. مثلاً اتم هیدروژن و اکسیژن که متفاوت هستند هرکدام می توانند با خودشان ترکیب شوند و یک مولکول هیدروژن یا اکسیژن ایجاد کنند همچنین با ترکیب دو اتم هیدرژن و یک اتم اکسیژن یک مولکول آب ایجاد میشود. به این ترتیب می بینیم که از پذیرش مفهوم اتم در فیزیک کمتر از نود سال میگذرد و کشف الکترون که بخشی از اتم است قبل از آن بوده است و به لحاظ تاریخی نقش اساسی در پذیرش مفهوم اتم داشته است.

بعد از آن نوبت به ذرات تشکیل دهنده الکترونها که کوارکها باشند میرسد، در این زمینه پژوهشهای عمیقی صورت گرفته الان هم در حال انجام هست به تعدد کوارکهایی کشف شده‌اند. این موضوع از مباحث داغ فیزیک نظری و ذرات بینادی ، کیهانشناسی و اختر فیزیک هم هست.

 

ساختار هسته اتم

می‌توان هسته اتم را به عنوان جرم نقطه‌ای و بار آن را به صورت بار نقطه‌ای در نظر گرفت. هسته شامل، تمامی بارمثبت و تقریباً تمامی جرم اتم است، در نتیجه مرکزی تشکیل می‌‌دهد که حرکت الکترونی حول آن رخ می‌‌دهد. هر چند هسته عمدتاً از طریق نیروی جاذبه کلنی خود با الکترونها ساختار اتمی را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد اما بعضی آثار نسبتاً دقیق را در طیف‌های اتمی می‌‌توان به آن نسبت داد.

 

اجزای اصلی هسته

ذراتی که تمامی هسته‌ها از آنها ترکیب یافته‌اند پروتونها و نوترونها هستند. در حالت کلی به این ذرات نوکلئون می‌‌گویند. خواص نوکلئونها

بار

پروتون هسته اتم H (ایزوتوپ سبک اتم هیدروژن) است. پروتون دارای یک بارمثبت است که از نظر بزرگی با بار الکترون برابر است. نوترون دارای بار e 10-13 (10-18 برابر بار الکترون است) ولی چون خیلی کوچک است آن را خنثی می‌‌گیریم و لذا در برهمکنشی با الکترون نیروی ضعیفی از خود نشان می‌‌دهد.

جرم

پروتون و نوترون دارای جرم تقریباً یکسان هستند، جرم نوترون از جرم پروتون اندکی (کوچکتراز 0.1 درصد) بیشتراست. این ذرات هر دو دارای انرژی سکون حدود یک گیگا الکترون ولت هستند.

اسپین

یک ویژگی مهم پروتون و نوترون اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی ، یا به اصطلاح اسپین هسته‌ای آنها است. اعداد کوانتومی اسپین هسته‌ای پروتون و نوترون هردو برابر ½ هستند.

گشتاور مغناطیسی هسته‌ای

گشتاور مغناطیسی پروتون در همان راستای اسپین هسته‌ای آن است، بزرگی گشتاور هسته‌ای ، مؤلفه گشتاور مغناطیسی پروتون را در امتداد راستای کوانتش فضایی برحسب مگنتون هسته‌ای به دست می‌‌دهد. گشتاور مغناطیسی نوترون درخلاف راستای اندازه حرکت زاویه‌ای آن است. گشتاور مغناطیسی غیر صفر نوترون حاکی از آن است که ، با وجود صفر بودن بار کل ، یک توزیع غیر یکنواخت بار در داخل آن وجود دارد.

نیروهای هسته‌ای

از آنجا که پروتونها در داخل هسته در فاصله کمی از همدیگر قرار دارند، نیروی رانشی کولنی بین آنها خیلی بزرگ است. برای آنکه هسته در حالت تعادل قرار گیرد، این نیرو را باید یک نیروی ربایشی دیگر (نیروی هسته‌ای) خنثی کند. این نیرو در قوی‌ترین حالت خود ، از نیروی کولنی خیلی قوی‌تر است. ولی ، نیروی هسته‌ای فقط در گستره محدودی قوی است. از جنبه‌های مهم نیروی هسته‌ای ، استقلال آن از بار است. نیروی مؤثر بین دو نوکلئون ، از اینکه دو پروتون ، دو نوترون و یا یک پروتون و یک نوترون باشند، متشکل است. نیروی بین دو نوکلئون با اسپین موازی نسبت به نیروی بین دو نوکلئون با اسپین پادموازی قویتر است.

 

پتانسیل یوکاوا

بر خلاف نیروی کولنی ، که بستگی به فاصله آن به صورت ساده r2/1 است، نیروی هسته‌ای بطور خیلی پیچیده‌ای به فاصله وابسته است. پتانسیل حاصل از این نیرو را پتانسیل یوکاوا گویند. پتانسیل تابع نمایی از فاصله هسته‌ای است. به علت این رفتار نمایی ، پتانسیل و نیرو سریعا با افزایش فاصله به صفر میل می‌‌کند.

 

شعاع هسته‌ای

شعاع هسته‌ای بطور تقریبی از نتایج آزمایشهای پراکندگی ذره آلفا محاسبه می‌‌شود. اگر چه توزیع این ذرات پراکنده تنها با برهمکنش کولنی برای فواصل بزرگتر از 14-10 متر توجیه می‌‌شود، اما وقتی ذرات آلفا تقریباً در این فاصله از مرکز هسته قرار می‌‌گیرند از قانون کولن تبعیت نمی‌‌کنند. در این حالت ، شعاع هسته‌ای را می‌‌توان به صورت آن فاصله‌ای از مرکز هسته تعریف کرد که در آن نیروی هسته‌ای از اهمیت برخوردار است. نتایج به دست آمده از پراکندگی نوترونی برای شعاع هسته بیانگر تابعیت شعاع هسته‌ای از عدد جرمی‌‌ هسته‌ای (A) است. که شعاع هسته با ریشه سوم عدد جرمی متناسب است.

 

اتم را بیشتر بشناسیم

برای شناسایی ساختمان اتم و هسته آن تعاریفی از اصطلاحات آن را می آوریم.

عدد اتمی:‌ عدداتمی هر عنصر برابر است با مجموع تعداد پروتونهای موجود در هسته اتمهای آن عنصر.

عدد جرمی:‌ مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هر عنصر.

ایزوتوپ:‌ اتمهای گوناگونی از یک عنصر با عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت.

ایزوتون:‌ اتمهایی با تعداد نوترون برابر.

ایزوبار:‌ اتمهایی با مجموع تعداد نوکلئونهای برابر.

اشعه رادیواکتیو:‌ این اشعه از تجزیه هسته اتم در سه نوع بوجود می آید.

اشعه‌ای با بار منفی از جنس الکترون ناشی شده از هسته که ذره بتا نام دارد.

اشعه‌ای با بار مثبت از جنس هسته اتم هلیوم که ذره آلفا نام دارد.

‌اشعه‌ای خنثی از جنس امواج الکترومغناطیسی با طول موج بسیار کم که اشعه گاما نام دارد.

 

سوپر اتمها

سوپر اتمها (ابر اتمها) خوشه‌هایی از اتمهای شیمیایی یک عنصر شیمیایی خاص هستند که می‌توانند ویژگیهای یک عنصر کاملا متفاوت دیگر را از خود نشان دهند. رفتار شیمیایی یک عنصر معمولا با افزوده شدن تنها یک اتم ، به طرز چشمگیری دگرگون می‌شود.

با افزودن ابر اتمها به جدول تناوبی ، دیگر جدول تناوبی نه یک فهرست مسطح ، بلکه جدولی سه بعدی خواهد بود که در آن از هر عنصر یک رشته ابر عنصر سر بر می‌آورد. ابر اتمها کاربردهای علمی نیز می‌توانند داشته باشند، آنها را می‌توان در ابر مولکولها گرد آورد و مواد کاملا جدیدی خلق کرد. می‌توان خصوصیات غیر عادی آنها را مهار کرد و به سوختهایی با کارایی بسیار زیاد دست یافت.

 

نيروگاههاي هسته اي وبمب هاي هسته اي چگونه كار ميكنند؟

اين روزها در مجلات,روزنامه ها,تلويزيون وغيره از همه چيز ميشنويم ولي بيشتر از همه فعاليت هاي صلح آميزوغير صلح آميز هسته اي است كه ذهنمان را مشغول ميسازد.در اينجا سعي بر آن است كه مطالب حتي الامكان به صورت عامه فهم وبه گونه اي كه حق مطلب ادا شود,براي شما توضيحاتي پيرامون بمب هاي هسته اي ,تشعشعات هسته اي ونيروگاههاي هسته اي عنوان شود.

قبل از اينكه به اصل موضوع بپردازيم خدمت دوستان خوبم بايد عرض كنم كه اين مطالب ممكن است براي عده اي از دوستان بسيار پيش پا افتاده وساده باشه به هر حال شما به بزرگي خودتون ببخشيد و اينو هم در نظر بگيريد كه مخاطب هاي اين وبلاگ ممكنه از هر قشري باشند پس ما هم مجبوريم كه ملاحظه حال اونا رو هم بكنيم....

ميدانيم كه دنياي اطرافمان از 92 عنصر موجود در طبيعت ساخته شده است. به اين شكل كه عناصر از اتم ها ساخته شده اند وتشكيل مولكول آن عنصر را ميدهند و اگر اين مولكولها در كنار يكديگرقرار گيرند ماده بوجود مي آيد. بسياري از مواد از عناصر مختلف تشكيل شده اند بنابراين اتم هاي مختلفي در آنها وجود دارد. لازم به ذكر است قطر اتم 10 به توان منفي ده متر ميباشد واندازه هسته در مركز اتم0001/0 بزرگي اتم كوچكتر است و يا به عبارتي دقيقتر قطر كامل هسته به طور ميانگين 10به توان منفي 15 متر ميباشد.

 

به طور كلي انرژي موجود در هسته به دو روش آزاد ميشود :

1 - روش شكافت هسته اي كه در آن يك اتم سنگين مانند اورانيوم تبديل به دو اتم سبكتر ميشود . ويا به عبارتي ديگر وقتي كه هسته اي سنگين به دو يا چند هسته با جرم متوسط تجزيه ميشود ميگويند شكافت هسته اي رخ داده است و وقتي هسته اي با عدد اتمي زياد شكافته شود , مقداري از جرم آن ناپديد وبه انرژي تبديل ميشود(طبق قانون نسبيت).

2 - روش همجوشي (گداخت هسته اي) ; كه در آن دو اتم سبك مانند هيد روژن تبديل به يك اتم سنگين مانند هليم ميشود. درست همانند اتفاقي كه در حال حاضر در خورشيد مي افتد, كه در هر دو حالت انرژي قابل توجهي آزاد مي شود.

در حال حاضر اكثر بمب هاي هسته اي ونيروگاههاي هسته اي بروش شكافت هسته عمل ميكنند .

حال دوباره به توضيحات مربوط اتم بر ميگرديم . در اينجا لازم است نكاتي را در مورد پايداري و ناپايداري توضيخ دهيم...

اگرما 13 پروتون را با 14 نوترون تركيب كنيم هسته اي خواهيم داشت كه اگر 13 الكترون در اطراف آن گردش كنند يك اتم آلومينيوم را ميسازند .حال اگر ميلياردها عدد از اين اتم ها را در كنار هم قرار دهيم آلومينيوم را مي سازيم(AL27) كه با آن انواع وسايل نظير قوطي ها و درب وپنجره ها و غيره... را ميتوان ساخت.

حال اگر همين آلومينيوم را در شيشه اي قرار دهيم ! وچند ميليون سال به عقب برگرديم اين آلومينيوم هيچ تغييري نخواهد كرد ,پس آلومينيوم عنصري پايدار است . تا حدود يك قرن پيش تصور بر اين بودكه تمام عناصر پايدار هستند. مساله مهم ديگر اينكه بسياري از اتم ها در اشكال متفاوتي ديده مي شوند . براي مثال : مس دو شكل پايدار دارد , مس 63 ومس 65 كه به اين دو نوع ايزوتوپ گفته مي شود .هر دوي آنها 29 پروتون دارند اما چون در عدد اتمي 2 واحد فرق دارند به سادگي مي توان فهميد كه تعداد نوترون هاي اولي 34 وديگري 36 است وهر دوي آنها پايدار هستند.در حدود يك قرن پيش دانشمندان متوجه شدند گه همه عناصر ايزوتوپ هايي دارند كه راديواكتيو هستند.مثلا : هيدروژن را در نظر بگيريد , در مورد اين عنصر سه ايزوتوپ شناخته شده است.

1 - هيدروژن معمولي يا نرمال (H1) در هسته اتم حود يك پروتون دارد وبدون هيچ نوتروني. البته واضح است چون نيازي نيست تا خاصيت چسبانندگي خود را نشان دهد چرا كه پروتون ديگري وجود ندارد.

2 - هيدروژن دوتريم كه يك پروتون ويك نوترون دارد و در طبيعت بسيار نادر است. اگرچه عمل آن بسيار شبيه هيدروژن نوع اول است براي مثال ميتوان از آن آب ساخت اما ميزان بالاي آن سمي است.

هر دو ايزوتوپ ياد شده پايدار هستند اما ايزوتوپ ديگري از هيدروژن وجود دارد كه ناپايدار است !

3 - ايزوتوپ سوم هيدروژن (تريتيوم) كه شامل دو نوترون و يك پروتون است. همان طور كه قبلا گفته شد اين نوع هيدروژن ناپايدار است . يعني اگر مجددا ظرفي برداريم واين بار درون آن را با اين نوع از هيدروژن پر كنيم و يك ميليون سال به عقب برگرديم متوجه ميشويم كه ديگر هيدروژني نداريم و همه آن به هليم 3 تبديل شده است (2 پروتون و يك نوترون) واين ها همه توضيحاتي ساده در مورد پايداري و ناپايداري بود.

در يك پاراگراف ساده ميتوان گفت كه هر چه هسته اتم سنگين تر شود تعداد ايزوتوپ ها بيشتر ميشود و هر چه تعداد ايزوتوپ ها بيشتر شود امكان بوجود آمدن هسته هاي ناپايدار نيز بيشتر خواهد شد و در نتيجه احتمال وجود نوع راديواكتيو نيز بيشتر ميشود.

در طبيعت عناصر خاصي را ميتوان يافت كه همه ايزوتوپ هايشان راديو اكتيو باشند.براي مثال دو عنصر سنگين طبيعت كه در بمب ها ونيروگاههاي هسته اي از آنها استفاده مي شود را نام ميبريم : اورانيوم و پلوتونيوم.

اورانيوم به طور طبيعي فلزي است سخت,سنگين,نقره اي و راديواكتيو,با عدد اتمي 92.سالهاي زيادي از آن به عنوان رنگ دهنده لعاب سفال يا تهيه رنگهاي اوليه در عكاسي استفاده ميشد و خاصيت راديواكتيو آن تا سال 1866 ناشناخته ماند و قابليت آن براي استفاده به عنوان منبع انرژي تا اواسط قرن بيستم مخفي بود.

 

عنصر شیمیایی

عنصر شیمیایی، در دانش شیمی، به ماده‌ای گفته می‌شود که اتم‌های آن تعداد پروتون‌های برابر در هسته‌ی خود داشته باشند. گاهی نیز برای سادگی، به عنصر شیمیایی صرفاً عنصر گفته می‌شود. به تعداد پروتون‌های درون هستهٔ یک اتم، عدد اتمی گفته می‌شود. به عنوان مثال، تمام اتم‌هایی که ۶ عدد پروتون در هستهٔ خود داشته باشند، عنصر شیمیایی کربن هستند. هم‌چنین تمام اتم‌هایی که تعداد پروتون‌های درون هستهٔ آن‌ها ۹۲ عدد باشد، عنصر اورانیوم به شمار می‌روند. هم اکنون تعداد عناصر شیمیایی در جدول تناوبی حدود ۱۱۵ عنصر برآورد می‌شود. فهرست عناصر بر پایه نام، علامت اختصاری و عدد اتمی موجود است. شکل زیر جدول تناوبی عناصر شناخته شده را نمایش می‌دهد. هر عنصر با عدد اتمی و علامتهای شیمیایی. عناصر در یک ستون («گروه») از لحاظ شیمیایی مشابه می‌باشند.

جدول تناوبي عناصر

 

گروه

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

ردیف

1

1 H

2 He

2

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

5

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

6

55 Cs

56 Ba

*

71 Lu

72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

7

87 Fr

88 Ra

**

103 Lr

104 Rf

105 Db

106 Sg

107 Bh

108 Hs

109 Mt

110 Ds

111 Uuu

112 Uub

113 Uut

114 Uuq

115 Uup

116 Uuh

117 Uus

118 Uuo

* لانتانیدها

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

** آکتینیدها

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

 

 

گروههای شیمیایی جدول تناوبی
قلیائی فلزیها	قلیائی خاکیها	لانتانیدها	آکتینیدها	فلزات انتقالی
فلزات ضعیف	شبه فلزات	غیر فلزات	هالوژنها	گازهایکامل

 

نتیجه

هم در طیف گسیلی و هم در طیف جذبی هر عنصر ، طول موجهای معینی وجود دارد که از ویژگیهای مشخصه آن عنصر است. یعنی طیفهای گسیلی و جذبی هیچ دو عنصری مثل هم نیست.

اتم هر عنصر دقیقا همان طول موجهایی از نور سفید را جذب می‌کند که اگر دمای آن به اندازه کافی بالا رود و یا به هر صورت دیگر بر انگیخته شود، آنها را تابش می‌کند.

 

 

 

منبع

برگرفته از سايت اينترنتي

www.daneshnamehroshd.ir

www.wikipediafa.org

 

فهرست مطالب

عنوان صفحه

تاريخچه اتم.. 1

ساختار هسته اتم.. 2

اجزای اصلی هسته. 3

نیروهای هسته‌ای.. 4

پتانسیل یوکاوا4

شعاع هسته‌ای.. 4

اتم را بیشتر بشناسیم.. 5

سوپر اتمها5

نيروگاههاي هسته اي وبمب هاي هسته اي چگونه كار ميكنند؟. 6

عنصر شیمیایی.. 9

جدول تناوبي عناصر. 10