اتم

یکاتم، کوچکترین جزء اصلی غیر قابل تقلیل یک سیستم شیمیایی می‌باشد .

ریشه لغوی

این کلمه ، از کلمهیونانیatomos، غیر قابلتقسیم ، که ازa-، بمعنیغیروtomos، بمعنیبرش، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم‌های شیمیایی یعنی اساسی‌تریناجزاء مولکول‌ها ومواد ساده می‌باشد

تاریخچه شناسایی اتم

مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبهرو هستیم، متشکل از اتم‌های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسطفیلسوفان یونانی ماننددموکریتوس (Democritus) ،لئوسیپوس (Leucippus) واپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یکراه حل واقعی برای اثبات آن ، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه درقرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جاندالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.

راجر بوسویچنظریهخود را بر مبنایمکانیکنیوتنی قرارداد و آنرا در سال1758تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

چاپ نمود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

براساسنظریهبوسویچ، اتمها نقاط بی‌اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می‌کنند. جان دالتون از نظریه اتمیبرای توضیح چگونگی ترکیبگازها در نسبتهای ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاشآمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم‌ها ومولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن ، اتم‌ها ، بصورت تجربی مشاهده شدند.

اندازه اتم

اتم‌ها ، از طرق ساده ، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه براین است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم ، معمولا میان 10pm تا 100pm متفاوت است.

ذرات درونی اتم

در آزمایش‌ها مشخص گردید که اتم‌ها نیز خود از ذراتکوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یکهسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها ونوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموجالکترون تشکیل شده است. معمولا اتم‌های با تعداد مساوی الکترون و پروتون ، از نظرالکتریکی خنثی هستند.

طبقه‌بندی اتم‌ها

اتم‌ها عموما برحسبعدداتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی می‌شوند. برایمثال ، اتم هایکربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتم‌های با عدد اتمی مشابه ،دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده وواکنششیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها درجدولتناوبی لیست شده‌اند.

اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان اما باجرماتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها) ،ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

ساده‌ترین اتم

ساده‌ترین اتم ، اتمهیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسیموضوعات علمی ، خصوصا در اوایل شکل‌گیرینظریه کوانتوم، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم‌ها

واکنش شیمیایی اتم‌ها بطور عمده‌ای وابسته به اثراتمتقابل میان الکترون‌های آن می‌باشد. خصوصا الکترون‌هایی که در خارجی‌ترین لایهاتمی قرار دارند، به نامالکترون‌های ظرفیتی، بیشترین اثر را در واکنش‌هایشیمیایی نشان می‌دهند. الکترون‌های مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر می‌باشند، ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی ، نقش ثانوی دارند.

 

 

 

 

 

پیوند میان اتم‌ها

اتم‌ها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند. لایه خارجی هیدروژن وهلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل بااستفاده مشترک از الکترونهای اتم‌های مجاور و یا با جدا کردن کامل الکترون‌ها ازاتمهای دیگر فراهم می‌شود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یکپیوندکووالانسی میان دو اتم تشکیل می‌گردد. پیوندهای کووالانسی قویترین نوع پیوندهایاتمی می‌باشند.

یون

هنگامیکه بوسیله اتم ، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می‌گردد،یون‌ها ایجاد می‌شوند. یون‌ها اتم‌هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو ن‌ها والکترون‌ها ، دارایبارالکتریکی ویژه می‌شوند. یون‌هایی که الکترون‌ها را برمی‌دارند،آنیون (anion)نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون‌ها را از دستمی‌دهدکاتیون (cation)نامیده شده و بار مثبت دارد.

پیوند یونی

کاتیون‌هاوآنیون‌ها بعلتنیروی کولمبیک (coulombic) میان بارهای مثبت و منفی ، یکدیگر را جذبمی‌نمایند. این جذبپیوندیونی نامیده می‌شود و از پیوند کووالانسی ضعیفتر است.

مرز مابین انواع پیوندها

همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتیایجاد میشود که در آن الکترون‌ها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می‌شوند،درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد می‌گردد که الکترون‌ها کاملا در انحصار آنیونقرار می‌گیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر ، هیچکدام از اینتوصیف‌ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کووالانسی ، الکترون‌ها بطورنامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم‌های بابار الکتریکی منفی‌تر می‌کنند که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواصیونی می‌گردد.

بطور مشابهی ، در پیوندهای یونی ، الکترون‌ها اغلب در مقاطعکوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت‌تر می‌چرخند که باعث ایجاد بعضی ازخواص کووالانسی در پیوند یونی می‌گردد .

 

اتم اولیه

ریشه لغوی و تاریخچه

کلمه اتم از واژه یونانی Atomos به معنی (تقسیم‌نا‌پذیر) گرفته شده ‌است. اعتبارنخستین نظریه اتمیرا بطور معمول ازیونانیان باستان می‌دانند اما ممکن است خاستگاه این مفهوم در تمدنهای پیش از یونانباشد. نظریه اتمی (لوسیپوس) و (موکرتیس) که در قرن پنجم قبل از میلاد مسیح‌می‌زیستند مدعی آن است که تقسیم پی‌درپی ماده در نهایت به اتمهایی می‌رسد که امکانتقسیم بیشتر ندارند.

ارسطودر قرن چهارم قبل از میلاد مسیح نظریه اتمی را نپذیرفت. او باور داشت که بطور فرضیماده بی‌پایان به ذرات کوچک و کوچکتر تقسیم می‌شود. این نظریه دو هزار سال بصورتاندیشه محض باقی ماند. رابرت بویلدر سال 1661 وایزاک نیوتوندر سال 1687 وجود اتمها راپذیرفتند.

 

 

 

 

 

 

نظریهاتمی دالتون

جان دالتوننظریه اتمی را بگونه‌ای طرح کردکه شاخص برجسته‌ای درتاریخ شیمیشد. این نظریه در سالهای 1803 تا 1808 نصج گرفت. در آن زماندانشمندان بسیاری معتقد بودند که ماده از اتم‌ها ترکیب یافته است اما دالتون از این هم پیشرفت. او طرحی برای نظریه اتمی بوجود آورد که می‌توانست قوانین تغییر شیمیایی راتوضیح دهد و با نسبت دادن جرمهای نسبی به اتمهای عناصر گوناگون به مفهوم نظریه اتمیصورت کمی داد.

اصول موضوع نظریه دالتون

1. عناصر از ذرات بی‌نهایت کوچکی کهاتم نامیده می‌شوند ترکیب یافته‌اند. تمام اتمهای یکعنصر یکسان و اتمهای عناصر گوناگون متفاوت‌اند.
2. درواکنشهایشیمیایی اتمها از هم جدا می‌شوند و به هم می‌پیوندند. در این واکنش هیچ اتمیایجاد نمی‌شود یا از میان نمی‌رود و هیچ اتمی از یک عنصر به عنصر دیگر تبدیلنمی‌شود.
3. یکمادهمرکب شیمیایی حاصل ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر است. یک ماده مرکب معین ازاتمهایی ترکیب یافته است که همواره نوع و نسبت آنها ثابت است.

تغییرات در نظریه اتمی دالتون

نظریه دالتون به مفهوم کلی آن امروزه نیزمعتبر است. لیکن اصل اول آن تغییر یافته است. دالتون می‌گفت که تمام اتمهای یک عنصرمعین ،جرماتمی یکسان دارند. امروزه ما می‌دانیم که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیاییبه هم شبیه و اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. علاوه بر این مامی‌توانیم یک جرم متوسط برای اتمهای هر عنصر در نظر بگیریم. در بسیاری از محاسباتاگر عنصر را از یک نوع اتم با جرم متوسط بدانیم اشتباهی بوجود نمی‌آید.

منشا نظریه اتمی دالتون

دالتون وجوه کمی نظریه خود را از درون دو قانونمربوط به تغییرات شیمیایی بیرون کشید:

1. قانون پایستاری جرممی‌گوید که در جریان یکواکنششیمیایی جرم تغییر محسوسی نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیحمی‌دهد.
2. قانون نسبتهای معینمی‌گوید که یک ماده مرکبخالص همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب می‌شوند. اصل سومنظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

الکترون

در نظریه دالتون و نظریه‌های یونانیان اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودنداما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد کهاتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه نتیجه آزمایشهایی بود که باالکتریسیته بعمل آمد. در سال 1807 و 1808 شیمیدان انگلیسیهمفریدیوی باتجزیه مواد مرکبتوسط الکتریسیته پنج عنصرپتاسیم ،سدیم ،کلسیم،استرونسیموباریمرا کشف کرد. دیویبا این کاربه این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند به هم متصلمی‌شوند.

در سال 1832 و 1833مایکلفارادی مجموعه آزمایشهای مهمی در زمینهبرقکافت شیمیاییانجام داد. در فرایندبرقکافت مواد مرکب بوسیله الکتریسیته تجزیه می‌شوند. فارادی رابطه بین مقدارالکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را برسی کرد و فرمول قوانینبرقکافت شیمیایی را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی جرج جانسون استونی در سال 1874به طرح این مطلب پرداخت که واحدهای باردار الکتریکی با اتم‌ها پیوستگی دارند. او درسال 1891 این واحدهای الکتریکی راالکترون نامید.

الکترونها درمیدان مغناطیسیوالکتریکی منحرف می‌شوند. بعدها مقداربار الکتروندر سال 1909توسط رابرت . ا . میلیکان محاسبه شد. الکترون یک واحد بار منفی یعنیدارد. جرم الکتروننیز از رابطه q به q/m محاسبه شد و مقداربدست آمد.

پروتون

هرگاه یک یا چند الکترون از یک اتم یا مولکول خنثی جدا شوند باقیمانده ، بارمثبتی برابر با مجموع بارهای منفی الکترونهای جدا شده دارد. اگر یک الکترون از یکاتمنئون ( نماد ، Ne ) جدا شود نتیجه یک یونو اگر دو الکترون جداشود یک یونبدستمی‌آید و الی آخر. این نوع ذرات مثبت ( یونهای مثبت ) وقتی در لوله تخلیه الکتریکیتولید می‌شوند که پرتوهای کاتدی از اتمها یا مولکولهای موجود در لوله الکترون جداکنند.

این یونهای مثبت به طرفالکترود منفی حرکت می‌کنند اما الکترونهای پرتوهایکاتدیچون بار منفی دارند در جهت مخالف (بطرف الکترود مثبت) حرکت می‌کنند. این جریان یونهای مثبت که پرتوهای مثبت نامیدهمی‌شوند، نخستین بار توسط یوجین گلدشتاین در سال 1886 مشاهده شدند. این ذرات مثبتپروتوننامیده می‌شوند و جز تشکیل دهنده تمام اتمها هستند. پرتون یک واحدبار مثبت دارد و علامت آن مثبت است. جرم پروتون نیز ازرابطه q بر q/m محاسبه شد.

نوترون

چون اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتمباید برابر باشد. برای توجیه جرم کل اتمهاارنسترادرفورد در سال 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون اینذرات بدون بارند تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است ولی در سال 1932جیمز چادویکنتیجه کارهای خود را دربارهاثبات وجود این ذرات کهنوتروننامیده می‌شوند منتشر کرد. او توانست بااستفاده از داده‌های بدست آمده از بعضی واکنشهای هسته‌ای مولود نوترون جرم آن رامحاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمام ذراتی که در این واکنشها مصرفو تولید می‌شوند جرم نوترون را که اندکی از جرم پروتون بیشتر است محاسبه کرد. جرمنوترونو جرمپروتوناست.

هستهاتم

پرتوزایی طبیعی

بعضی از اتم‌ها مجموعه ناپایداری از ذرات بنیادی هستند. این اتم‌ها خود بخود پرتوهایی گسیل می‌دارند و به اتمهای دیگر با هویت شیمیاییمتفاوت تبدیل می‌شوند. این فرایند کهپرتوزایینامیده می‌شود که در سال 1896بوسیله هانری بکرل کشف شد. در سالهای بعد ارنست رادرفورد ماهیت سه نوع پرتو گسیلیافته از مواد پرتوزای موجود در طبیعت را توضیح داد. این سه نوع پرتو با سه حرفنخستین الفبای یونانی آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ) مشخص می‌شوند.

• تابشآلفامرکب از ذراتی است که بار +2 و جرمی تقریبا برابر پروتون دارند. اینذرات آلفابا سرعتی حدود km/s 16000 از مادهپرتوزا بیرون می‌جهند. نخستین بار که ذرات α مورد مطالعه قرار گرفتند نوترون هنوزکشف نشده بود. امروزه ما می‌دانیم کهذرهآلفا مرکب از دو پروتون و دو نوترون است.
• تابشبتامرکب از جریانی از الکترونهاست که تقریبا با سرعت km/s 130000 سیرمی‌کنند.
• تابش گامااصولا صورتی از نور با انرژیبسیار زیاد است. پرتوهایگاما بدون بار و شبیه پرتوهای ایکس‌اند.

مدل اتمی رادرفورد

رادرفورد در سال 1911 نتایجی از آزمایشهای خود را که درآنها از ذرات آلفا برای پژوهش در ساختار اتم استفاده شده بود منتشر کرد. آزمایش ازاین قرار بود که باریکه‌ای از ذرات α به ورقه بسیار باریکی به ضخامت cm 0.0004 ازطلا ،نقره یامس تابانده شد. اکثر ذرات α بطور مستقیم از ورقه بیرون رفتند ولی بعضی از آنها از مسیرمستقیم منحرف شده و معدودی بطرف منبع خود بازگشتند. رادرفورد نتایج این آزمایشها رابا طرح این فرض که هر اتم مرکب از دو بخش است توضیح داد:

• یک هسته در مرکز اتم وجود دارد. بیشترین جرم و تمام بار مثبت اتم در هستهمتمرکز است. اکنون باور ما این است که هسته شامل پروتونها و نوترونهایی است که برروی هم جرم هسته را در بر دارند و بار هسته ناشی از پروتونهای هسته است.
• الکترونها که بیشترین حجم اتم را اشغال می‌کنند خارج هسته هستند و به سرعت دورهسته حرکت می‌کنند. چون یک اتم از لحاظ الکتریکی خنثی است بار مثبت کل هسته (کهناشی از پروتونهای آن است) برابر بار منفی همه الکترونهای اتم است. بنابراین عدهالکترونها با عده پروتونها برابر است .

مدل بوهر

پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد این سوال برای دانشمندان پیش آمد ، که طیف نشری خطی اتمعناصر ، حاصل از چیست ؟

 

 

 

 

دراین هنگام نیلس بور با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد چنین پیشنهاد داد کهالکترونها در اطرافهسته اتمدر سطوح انرژی مشخصی قرار دارند و در این سطوح به دور هسته اتم در حال چرخیدن هستند . انرژیالکترون هایی که در سطوح انرژی پایین تر به هسته نزدیک تر هستند ، نسبت به الکترون هاییکه از هسته دورند ، انرژی کمتری دارند . پس برای انتقال الکترون از سطح انرژی پایینبهسطح انرژی بالا ، باید انرژی معادل اختلاف انرژی بین آن دو سطح ، را به آنالکترون بدهیم . پس انرژی الکترون ها در یک اتم کوانتیده است .

مدل اتمیبور توانست به ما نشان دهد کهطیف نشرخطی که از اتم عناصر گسیل می شود ،بر اثر انتقال الکترون ها ازسطوح انرژی بالا به سطوح انرژی پایین است ، که دراین انتقال انرژی الکترون کاهش و به صورت نور و گرما آزاد می شود .
که اگر ایننور آزاد شده را از منشور عبور دهیم طیف نشری آن مشخص می شود . بور ، بیشتر مدلاتمی خود را بر اساس آزمایش هایی
که با اتم هایهیدروژن وهیلیمانجام داده بود مطرح می ساخت به همیندلیل مدل
اتمی او ( که به مدلمنظومهشمسی معروف است ) برای اتم های سنگینی ماننداورانیم،آهن و ... صدق نمی کرد

. در این هنگاممدل اتمی کوانتمی (یاابر الکترونی ) به همکاری بسیاری ازدانشمندان به در عرصه رقابتمطرح شد . از جمله دانشمندانی که در این مدل اتمیسهم چشمگیری داشتند ، هایزنبگ ، پلانک و شرودینگر را می توان نام برد .
البتهانیشتین با ارائه فرمول های خود نیز توانست به این مدل اتمی کمک کند .

معادله شرودینگر

نگاه اجمالی

ازمکانیککلاسی می‌دانیم که در بررسی حرکتذرهابتدامعادله حرکتآن ذره را پیدا می‌کنند و براساس آن در مورد چگونگی حرکت بحث می‌کنند. در حالت کلاسیک ، بطور کلی این معادله بااستفاده ازلاگرانژینمربوط به حرکت ذره حاصل می‌گردد. همچنین می‌دانیم که درمکانیککوانتومی ‌، بر اساسنظریه دوبرویدر مورد ذرات دو دیدگاه موجی وذره‌ای در نظر گرفته می‌شود واصل مکملی نورمانع از این می‌شود که این دوتصویر را به صورت همزمان بکار ببریم. ولی برای توصیف کامل حرکت ، هر دو دیدگاه بایددر نظر گرفته شوند. بر این اساس معادله‌ای که به حرکت این ذرات کوانتومی‌ حاکم است،معادله شرودینگر نامیده می‌شود.

حرکت ذره آزاد

معمولا ساده‌ترین حالت در مکانیک کوانتومی‌ حرکت یکذره آزاداست. لفظ آزاد به این لحاظ بکارمی‌رود که این ذره تحت تاثیر هیچپتانسیلیقرار ندارد. در این صورت معادلهشرودینگر در مورد حرکت ذره مورد نظر ، با این فرض که حرکت در یک بعد صورت می‌گیرد،به صورت زیر خواهد بود:

در رابطه فوق m جرم ذره ،ثابت پلانک،تابع موجیاست که در تشریح دیدگاه موجی ، بهذره مورد نظر نسبت داده می‌شود. همچنین i یک واحد موهومی ‌است که مجذور آن برابر (1-) می‌باشد (عددمختلط). در این رابطه نمادبیانگرمشتق نسبینسبت به زمان ونشانگر مشتقنسبی نسبت به مکان است.

 

خصوصیات معادله شرودینگر

• معادله شرودینگر نسبت به مشتق زمان از مرتبه اول است. این امر ایجاب می‌کند کهوقتی مقدار اولیه تابع موج منتسب به ذره ، به عنوان مثال در لحظه t=0 معلوم باشد،مقدار آن را در هر لحظه دیگر نیز بتوان پیدا کرد. این مطلب از شکل این معادله ، یااز شکل عمومی‌ترین جواب این معادله ، که یک رابطه انتگرالی است، مشهود است.
• نکته دیگر این است که در معادله شرودینگر هیچعدمقطعیتی وجود ندارد. به بیان دیگر ، همین که حالت اولیهتابع موجمشخص شد، در این صورت در هر زماندیگری ، آن تابع موج کاملا مشخص می‌گردد. دلیل این مطلب در اینجاست که هیچ محدودیتیبر روی تابع موج حالت اولیه وجود ندارد.

چگالی احتمال

در حالت کلی تابع موجیکتابع مختلطاست و به خودی‌خود هیچ تعبیرفیزیکی ندارد، اما مربع قدرمطلق آن کمیت بسیار بااهمیتی است، کهچگالی احتمالنام دارد. چگالی احتمال بیانگراحتمال وجود ذره است و در جایی که فرض می‌شود، ذره در آنجا باشد، مقدار آن بزرگتراست و در هر جای دیگر مقدار آن کوچکتر می‌باشد. چگالی احتمال که بانمایش دادهمی‌شود، یکتابع حقیقیاست و وابستگی زمانی آن بیانگراین مطلب است که با گذشت زمان برای پیدا کردن ذره در جایی که در لحظه اولیه قرارداشته، شانس کمتری وجود دارد.

معادله شرودینگر در حالت کلی

در مطالب قبلی معادله شرودینگر را در حالتساده ذره آزاد و در موردحرکت یک بعدیبیان کردیم. در صورتی که ذرهمورد نظر آزاد نباشد، در این صورت تحت تاثیر پتانسیلی مانند قرار خواهد داشت که درحالت تک بعدی پتانسیل را باو در حالت سهبعدی بانشان می‌دهیم و چون بیشتر پتانسیل‌های مهم ،تقارن کرویدارند، لذا بهتر است که بحث رادرمختصات کرویانجام دهیم. در این صورتپتانسیلبه صورتخواهد بود. برای بیان معادله شرودینگر در حالت عمومی ‌و درفضای سه بعدی، تغییرات زیر را در معادلهشرودینگر ذره آزاد اعمال می‌کنیم:

• تابع موج مربوط به ذره را بانمایش می‌دهیم.
• مشتق نسبت به مکان را در حالت سه بعدی با نماد abla که دل نامیده می‌شود،نشان می‌دهیم.
• چون ذره آزاد نبوده و تحت تاثیر پتانسیلقرار دارد، لذایک جمله به صورتبه معادلهاضافه می‌کنیم. بنابراین معادله شرودینگر در حالت کلی به صورت زیر در می‌آید:

 

کاربرد معادله شرودینگر

• با استفاده ازحل معادله شرودینگرمشخصه‌های سیستم از قبیلترازهایانرژی ،اندازه حرکت خطیواندازه حرکت زاویه‌ایسیستم مشخص می‌شود.
• از حل معادله شرودینگرتابع موجمنتسب به هر سیستم فیزیکی بدستمی‌آید. با استفاده از تابع موج می‌توانچگالی احتمالرا محاسبه نموده و حرکت ذراتسیستم را مورد بررسی قرار داد.
• برای هر سیستم معادله شرودینگر مخصوصی وجود دارد که وابسته بههامیلتونیتعریف شده برای آن سیستم است .

انرژی یونش

انرژی لازم برای جدا کردن سست‌ترینالکترون از یک اتم منفرد گازی شکل و درحالت پایه یک عنصر را «انرژی اولین یونش» آنعنصر می‌نامند

(A(g) → A(g)⁺ + e(g

نماد (g) نشان دهنده حالت گازی عنصر ویونمربوطه است.

علامت انرژی‌های یونش

در تعیین انرژی‌های یونش عناصر برای بیرون کشیدنالکترون از اتم ، انرژی مصرف می‌شود، زیرا این امر متضمن فائق آمدن بر جاذبه متقابلهسته و الکترون است. پس چون سیستم ، در این فرآیند ، انرژی جذب می‌کند، انرژیهای یونشعلامت مثبت دارند. مثلا می‌توانانرژیاولین یونش سدیم را به صورت زیر نمایش داد:

(Na(g) → Na(g)⁺ + e(g

::496Kj+ = اولین یونش سدیم

 

 

 

 

 

 

واحد انرژی یونش

انرژی یونش برای هر الکترون منفرد بر حسبالکترون ولت (اتم/ev) و برای یک مول الکترون (6.02x10²³ الکترون) که از یک مول اتم (6.02x10²³ اتم) عنصرجدا شود، Kj/mol بیان می‌گردد.

ترتیب انرژی یونش در عناصر یک دوره

انرژی یونش در یک دوره از چپ به راستبتدریج افزایش می‌یابد. به آن قسمتهایی از منحنی که به عناصر دوره دوم (از Li تا Ne) ، دوره سوم (ازNa تا Ar) و الی آخر تعلق دارد. توجه کنید که انرژی یونش بهاین سبب افزایش می‌یابد که اتمها بتدریج کوچکتر می‌شوند وبار مؤثر هستهبتدریج افزایش می‌یابد، درنتیجه جدا کردن الکترون بتدریج دشوارتر می‌شود.

ترتیب انرژی یونش در عناصر یک گروه

در عناصر نماینده ، بطور کلی انرژییونش بین عناصر یک گروه از بالا به پایین کاهش می‌یابد. عناصر گروه (Cs ، Rb ، K ، Na ، Li) و عناصر گروه صفر (Rn ، Xe ، Kr، Ar، Ne ، He) بصورت مینیمم و ماکسیمممنحنی نشان داده شده‌اند. در هر گروه بتدریج از اتمی به اتم پایینتر می‌رویم ، بارهسته ، افزایش می‌یابد، اما اثر آن تا حد زیادی از طریق افزایش تعدادالکترونهایپوسته زیرین که اثر پوششی دارند، حذف می‌شود. در حالیکه اتمها بزرگتر می‌شوند،الکترونی که باید یونیده شود، در فاصله‌ای دورتر از هسته قرار می‌گیرد، در نتیجهجدا شدن الکترون آسانتر شده ، انرژی یونش کاهش می‌یابد.

انرژی یونشعناصر واسطهدر یک دوره به سرعت مشابه باعناصر نماینده افزایش پیدا نمی‌کند. انرژی یونشعناصر واسطه درونی، کم و بیش ثابت می‌ماند. در این دو دسته عناصر ، الکترون متمایز کننده به پوسته‌های درونی اضافه می‌شود. افزایش اثر پوششی حاصل ، وضعیت انرژی یونش در عناصر واسطه و واسطه درونی را توجیهمی‌کند. اتمفلزاتدر واکنشهای شیمیایی معمولا الکتروناز دست می‌دهند و به یونهای مثبت تبدیل می‌شوند. اتمغیرفلزاتمعمولا به این ترتیب عمل نمی‌کنند. بنابراین فلزات عناصری با انرژی یونش نسبتا کم و غیرفلزات عناصری با انرژی یونشنسبتا زیادند.

انرژی دومین یونش

بحثهای ما تاکنون مربوط به انرژی اولین یونش بوده است. انرژی دومین یونش هر عنصر انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یون +1 آن عنصراست.

(A(g) → A(g)²⁺ + e(g

انرژی سومین یونش

انرژی سومین یونش بیان کننده انرژی مورد نیاز برای جداکردن یک الکترون از یون +2 آن عنصر است. جدا کردن یک الکترون منفی ازاتم خنثی طبعا آسانتر از جدا کردن الکترون از ذره دارای یک بار مثبت و آن هم به نوبهخود آسانتر از جدا کردنالکترون از ذره دارای دو بار مثبت است. در نتیجه انرژی سومین یونش بزرکتر از انرژی دومینیونش و آن هم بزرگتر از انرژی اولین یونش است.

انرژی چهارمین یونش و بالاتر

از آنجا که انرژی چهارمین یونش و بالاتر ، بهغایت زیاد است، یونهای بالاتر از +3 بندرت در شرایط عادی وجود دارند. همانگونه کهانتظار می‌رود برای هر عنصر انرژی یونش از اولین تا چهارمین زیاد می‌شود.

جهش

در تمام مراحل پس ازجدا شدنالکترونهای والانس، افزایش انرژی مورد نیازبرای یونش بعدی بصورت جهشی است.

واکنش پذیری فلزات

واکنش پذیری فلزات در گوشه پایین سمت چپجدولتناوبی دیده می‌شوند. واکنش پذیری ، بر حسب از دست دادن الکترون ، بتدریج که ازاین گوشه به طرف بالا یا به سمت راست حرکت می‌کنیم، کاهش می‌یابد .

 

 

 

اتم

یکاتم، کوچکترین جزء اصلی غیر قابل تقلیل یک سیستم شیمیایی می‌باشد .

ریشه لغوی

این کلمه ، از کلمهیونانیatomos، غیر قابلتقسیم ، که ازa-، بمعنیغیروtomos، بمعنیبرش، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم‌های شیمیایی یعنی اساسی‌تریناجزاء مولکول‌ها ومواد ساده می‌باشد

تاریخچه شناسایی اتم

مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبهرو هستیم، متشکل از اتم‌های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسطفیلسوفان یونانی ماننددموکریتوس (Democritus) ،لئوسیپوس (Leucippus) واپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یکراه حل واقعی برای اثبات آن ، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه درقرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جاندالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.

راجر بوسویچنظریهخود را بر مبنایمکانیکنیوتنی قرارداد و آنرا در سال1758تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

چاپ نمود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

براساسنظریهبوسویچ، اتمها نقاط بی‌اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می‌کنند. جان دالتون از نظریه اتمیبرای توضیح چگونگی ترکیبگازها در نسبتهای ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاشآمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم‌ها ومولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن ، اتم‌ها ، بصورت تجربی مشاهده شدند.

اندازه اتم

اتم‌ها ، از طرق ساده ، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه براین است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم ، معمولا میان 10pm تا 100pm متفاوت است.

ذرات درونی اتم

در آزمایش‌ها مشخص گردید که اتم‌ها نیز خود از ذراتکوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یکهسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها ونوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموجالکترون تشکیل شده است. معمولا اتم‌های با تعداد مساوی الکترون و پروتون ، از نظرالکتریکی خنثی هستند.

طبقه‌بندی اتم‌ها

اتم‌ها عموما برحسبعدداتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی می‌شوند. برایمثال ، اتم هایکربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتم‌های با عدد اتمی مشابه ،دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده وواکنششیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها درجدولتناوبی لیست شده‌اند.

اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان اما باجرماتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها) ،ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

ساده‌ترین اتم

ساده‌ترین اتم ، اتمهیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسیموضوعات علمی ، خصوصا در اوایل شکل‌گیرینظریه کوانتوم، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم‌ها

واکنش شیمیایی اتم‌ها بطور عمده‌ای وابسته به اثراتمتقابل میان الکترون‌های آن می‌باشد. خصوصا الکترون‌هایی که در خارجی‌ترین لایهاتمی قرار دارند، به نامالکترون‌های ظرفیتی، بیشترین اثر را در واکنش‌هایشیمیایی نشان می‌دهند. الکترون‌های مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر می‌باشند، ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی ، نقش ثانوی دارند.

 

 

 

 

 

پیوند میان اتم‌ها

اتم‌ها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند. لایه خارجی هیدروژن وهلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل بااستفاده مشترک از الکترونهای اتم‌های مجاور و یا با جدا کردن کامل الکترون‌ها ازاتمهای دیگر فراهم می‌شود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یکپیوندکووالانسی میان دو اتم تشکیل می‌گردد. پیوندهای کووالانسی قویترین نوع پیوندهایاتمی می‌باشند.

یون

هنگامیکه بوسیله اتم ، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می‌گردد،یون‌ها ایجاد می‌شوند. یون‌ها اتم‌هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو ن‌ها والکترون‌ها ، دارایبارالکتریکی ویژه می‌شوند. یون‌هایی که الکترون‌ها را برمی‌دارند،آنیون (anion)نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون‌ها را از دستمی‌دهدکاتیون (cation)نامیده شده و بار مثبت دارد.

پیوند یونی

کاتیون‌هاوآنیون‌ها بعلتنیروی کولمبیک (coulombic) میان بارهای مثبت و منفی ، یکدیگر را جذبمی‌نمایند. این جذبپیوندیونی نامیده می‌شود و از پیوند کووالانسی ضعیفتر است.

مرز مابین انواع پیوندها

همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتیایجاد میشود که در آن الکترون‌ها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می‌شوند،درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد می‌گردد که الکترون‌ها کاملا در انحصار آنیونقرار می‌گیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر ، هیچکدام از اینتوصیف‌ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کووالانسی ، الکترون‌ها بطورنامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم‌های بابار الکتریکی منفی‌تر می‌کنند که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواصیونی می‌گردد.

بطور مشابهی ، در پیوندهای یونی ، الکترون‌ها اغلب در مقاطعکوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت‌تر می‌چرخند که باعث ایجاد بعضی ازخواص کووالانسی در پیوند یونی می‌گردد .

 

اتم اولیه

ریشه لغوی و تاریخچه

کلمه اتم از واژه یونانی Atomos به معنی (تقسیم‌نا‌پذیر) گرفته شده ‌است. اعتبارنخستین نظریه اتمیرا بطور معمول ازیونانیان باستان می‌دانند اما ممکن است خاستگاه این مفهوم در تمدنهای پیش از یونانباشد. نظریه اتمی (لوسیپوس) و (موکرتیس) که در قرن پنجم قبل از میلاد مسیح‌می‌زیستند مدعی آن است که تقسیم پی‌درپی ماده در نهایت به اتمهایی می‌رسد که امکانتقسیم بیشتر ندارند.

ارسطودر قرن چهارم قبل از میلاد مسیح نظریه اتمی را نپذیرفت. او باور داشت که بطور فرضیماده بی‌پایان به ذرات کوچک و کوچکتر تقسیم می‌شود. این نظریه دو هزار سال بصورتاندیشه محض باقی ماند. رابرت بویلدر سال 1661 وایزاک نیوتوندر سال 1687 وجود اتمها راپذیرفتند.

 

 

 

 

 

 

نظریهاتمی دالتون

جان دالتوننظریه اتمی را بگونه‌ای طرح کردکه شاخص برجسته‌ای درتاریخ شیمیشد. این نظریه در سالهای 1803 تا 1808 نصج گرفت. در آن زماندانشمندان بسیاری معتقد بودند که ماده از اتم‌ها ترکیب یافته است اما دالتون از این هم پیشرفت. او طرحی برای نظریه اتمی بوجود آورد که می‌توانست قوانین تغییر شیمیایی راتوضیح دهد و با نسبت دادن جرمهای نسبی به اتمهای عناصر گوناگون به مفهوم نظریه اتمیصورت کمی داد.

اصول موضوع نظریه دالتون

1. عناصر از ذرات بی‌نهایت کوچکی کهاتم نامیده می‌شوند ترکیب یافته‌اند. تمام اتمهای یکعنصر یکسان و اتمهای عناصر گوناگون متفاوت‌اند.
2. درواکنشهایشیمیایی اتمها از هم جدا می‌شوند و به هم می‌پیوندند. در این واکنش هیچ اتمیایجاد نمی‌شود یا از میان نمی‌رود و هیچ اتمی از یک عنصر به عنصر دیگر تبدیلنمی‌شود.
3. یکمادهمرکب شیمیایی حاصل ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر است. یک ماده مرکب معین ازاتمهایی ترکیب یافته است که همواره نوع و نسبت آنها ثابت است.

تغییرات در نظریه اتمی دالتون

نظریه دالتون به مفهوم کلی آن امروزه نیزمعتبر است. لیکن اصل اول آن تغییر یافته است. دالتون می‌گفت که تمام اتمهای یک عنصرمعین ،جرماتمی یکسان دارند. امروزه ما می‌دانیم که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیاییبه هم شبیه و اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. علاوه بر این مامی‌توانیم یک جرم متوسط برای اتمهای هر عنصر در نظر بگیریم. در بسیاری از محاسباتاگر عنصر را از یک نوع اتم با جرم متوسط بدانیم اشتباهی بوجود نمی‌آید.

منشا نظریه اتمی دالتون

دالتون وجوه کمی نظریه خود را از درون دو قانونمربوط به تغییرات شیمیایی بیرون کشید:

1. قانون پایستاری جرممی‌گوید که در جریان یکواکنششیمیایی جرم تغییر محسوسی نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیحمی‌دهد.
2. قانون نسبتهای معینمی‌گوید که یک ماده مرکبخالص همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب می‌شوند. اصل سومنظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

الکترون

در نظریه دالتون و نظریه‌های یونانیان اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودنداما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد کهاتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه نتیجه آزمایشهایی بود که باالکتریسیته بعمل آمد. در سال 1807 و 1808 شیمیدان انگلیسیهمفریدیوی باتجزیه مواد مرکبتوسط الکتریسیته پنج عنصرپتاسیم ،سدیم ،کلسیم،استرونسیموباریمرا کشف کرد. دیویبا این کاربه این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند به هم متصلمی‌شوند.

در سال 183