از درون اتم چه خبر؟ — علوم تیزهوشان هشتم (استعداد درخشان)

از درون اتم چه خبر؟ (علوم تیزهوشان هشتم)

همهٔ مواد از اتم ساخته شده‌اند، اما اتم تقسیم‌ناپذیر نیست و ذره‌های ریزتری دارد. شناخت ساختار اتم توضیح می‌دهد چرا هر عنصر خاصیت خودش را دارد، چرا بعضی اتم‌ها پرتوزا هستند و چرا نمک‌ها شکننده‌اند.

تاریخچهٔ مدل‌های اتمی

دموکریتوس حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد گفت مواد از ذره‌های کوچکی ساخته شده‌اند؛ بسیاری نپذیرفتند، ولی بعدها درستی این تصور ثابت شد. برخی فیلسوفان یونان آب یا آتش را سازندهٔ همه‌چیز می‌دانستند و «عناصر اربعه» (آب، آتش، باد، خاک) که امپدوکلس مطرح و ارسطو تکمیل کرد، طرفداران بیشتری داشت. این چهار را برگزیدند چون مشهودترین چیزهای طبیعت بودند و هرکدام نمایندهٔ یک حالت بود: خاک جامد، آب مایع، باد گاز و آتش گرما و تغییر. امروز می‌دانیم آب ترکیب است، خاک و هوا مخلوط‌اند و آتش پدیده است.

دالتون در اوایل قرن نوزدهم ذره‌های سازنده را اتم نامید: ذره‌هایی بسیار کوچک و تقسیم‌ناپذیر که فقط چند نوع محدود از آنها با اندازه و جرم متفاوت وجود دارد و از ترکیبشان با نسبت‌های مختلف میلیون‌ها ماده ساخته می‌شود. «اتم» در یونانی یعنی «تجزیه‌ناپذیر». این نظریه تا ۱۸۹۷ و کشف الکترون به دست جی. جی. تامسون پذیرفته بود. تامسون اتم را کرهٔ مثبتی با الکترون‌های منفی پراکنده در آن دانست (مدل کیک کشمشی) و به «پدر الکترون» شهرت یافت. رادرفورد، شاگرد او، نشان داد بار مثبت در مرکز اتم به شکل هستهٔ فشرده است، الکترون‌ها دور آن‌اند و بیشتر فضای اتم خالی است. اشکال این مدل این بود که الکترون منفی ممکن بود روی هستهٔ مثبت سقوط کند. بور (۱۹۱۳) گفت الکترون‌ها فقط در مدارهای مشخص با انرژی معین دور هسته می‌چرخند، مثل سیارات دور خورشید. شرودینگر (۱۹۲۶) مدل ابر الکترونی را داد: به‌جای مسیر مشخص، فقط احتمال حضور الکترون در ناحیه‌ها پیش‌بینی می‌شود.

بیشترین تفاوت میان مدل‌ها بین تامسون و رادرفورد است (از کرهٔ یکنواخت پر به اتمی با هستهٔ کوچک و فضای خالی) و همچنین دالتون و تامسون (از تقسیم‌ناپذیر به تقسیم‌پذیر). کمترین تفاوت بین رادرفورد و بور است، چون هر دو هسته‌دارند و بور فقط مدارها و انرژی گسسته را افزود. تغییر بزرگ وقتی رخ داد که آزمایش تازه با مدل قبلی ناسازگار بود و تغییر کوچک وقتی که مدل پایه درست بود و فقط یک اشکال باید رفع می‌شد.

آزمایش ورقهٔ طلا: رادرفورد ذره‌های آلفا (مثبت) را به ورقهٔ نازک طلا تاباند. بیشتر ذره‌ها مستقیم گذشتند (اتم بیشتر خالی است)، بعضی منحرف شدند (برخورد با بار مثبت) و تعداد بسیار کمی برگشتند (هستهٔ کوچک و سنگین). قطر اتم حدود $10^{-10}\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و قطر هسته حدود $10^{-14}\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است، یعنی $10^4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر کوچک‌تر؛ اگر اتم یک استادیوم ۱۰۰ متری باشد، هسته یک دانهٔ نخود ۱ سانتی‌متری در وسط آن است.

ذره‌های سازندهٔ اتم

پروتون با بار $+1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و جرم نسبی ۱ و نوترون خنثی با جرم تقریباً ۱ در هسته‌اند و الکترون با بار $-1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و جرمی حدود $\frac{1}{1836}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی پروتون در اطراف هسته است؛ جرم الکترون در جرم اتم نادیده گرفته می‌شود. ماهیت اتم فقط به تعداد پروتون‌ها بستگی دارد: هر اتمی با ۱۱ پروتون سدیم است، صرف‌نظر از نوترون‌ها و الکترون‌ها. اما ویژگی شیمیایی به تعداد الکترون‌ها و چگونگی قرارگیری آنها بستگی دارد؛ سدیم با ۱۱ الکترون رفتاری کاملاً متفاوت از سدیم با ۱۰ یا ۱۲ الکترون دارد. عدد اتمی $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تعداد پروتون‌ها و عدد جرمی $A$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مجموع پروتون‌ها و نوترون‌هاست: $A=Z+N$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $N=A-Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ نماد ${}^{A}_{Z}\text{X}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. در اتم خنثی تعداد الکترون با پروتون برابر است. پس $A\ge Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و تساوی فقط برای ${}^{1}_{1}\text{H}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است که نوترون ندارد. مثال: ${}^{32}_{16}\text{S}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی شانزده پروتون، شانزده نوترون و شانزده الکترون دارد؛ ${}^{119}_{50}\text{Sn}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی پنجاه پروتون و ۶۹ نوترون؛ ${}^{235}_{92}\text{U}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نود و دو پروتون و ۱۴۳ نوترون.

چرا نوترون لازم است؟ پروتون‌ها بار مثبت دارند و یکدیگر را به‌شدت می‌رانند. میان همهٔ ذره‌های هسته نیروی جاذبهٔ هسته‌ای بسیار قوی و کوتاه‌برد وجود دارد. نوترون‌ها بدون افزودن دافعه، این «چسب هسته‌ای» را زیاد می‌کنند و پروتون‌ها را از هم دور نگه می‌دارند؛ پس هسته پایدار می‌ماند. برای همین هسته‌های سنگین نوترون بیشتری از پروتون دارند (اورانیم ۹۲ پروتون و ۱۴۳ نوترون).

انرژی هسته‌ای

اگر در هسته نیروی دافعه بر جاذبه غلبه کند، انرژی بسیار زیادی آزاد می‌شود. شکافت هسته‌ای: نوترون به هستهٔ اورانیم-۲۳۵ می‌خورد و آن را به دو هستهٔ کوچک‌تر و چند نوترون تقسیم می‌کند: ${}^{235}_{92}\text{U}+{}^{1}_{0}\text{n}\rightarrow{}^{92}_{36}\text{Kr}+{}^{141}_{56}\text{Ba}+3\,{}^{1}_{0}\text{n}+\text{energy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. نوترون‌های آزادشده هسته‌های دیگر را می‌شکافند (واکنش زنجیره‌ای). جمع عددهای جرمی ($236$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و جمع عددهای اتمی ($92$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) دو طرف برابر است. همجوشی هسته‌ای: از برخورد دو هستهٔ سبک، یک هستهٔ سنگین‌تر ساخته می‌شود و انرژی آن حتی از شکافت بیشتر است؛ گرمای خورشید از همجوشی است، چون هستهٔ خورشید حدود ۱۵ میلیون درجه دما و فشار بسیار زیادی دارد: ${}^{2}_{1}\text{H}+{}^{3}_{1}\text{H}\rightarrow{}^{4}_{2}\text{He}+{}^{1}_{0}\text{n}+\text{energy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. شکافت در نیروگاه و بمب اتمی است و پسماند پرتوزا دارد؛ همجوشی در خورشید و بمب هیدروژنی است و به دما و فشار بسیار زیاد نیاز دارد. در واکنش هسته‌ای بخشی از جرم به انرژی تبدیل می‌شود: $E=mc^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ تبدیل یک میلی‌گرم جرم $10^{-6}\times(3\times10^8)^2=9\times10^{10}\,\text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی می‌دهد، تقریباً معادل سوختن دو تن بنزین.

نماد شیمیایی

نماد عنصر یک یا دو حرف لاتین است و حرف اول بزرگ نوشته می‌شود. بیشتر نمادها از نام انگلیسی‌اند (H، He، N، Ne، O، Cl)، اما برخی از نام لاتین گرفته شده‌اند: آهن Fe (Ferrum)، مس Cu (Cuprum)، سرب Pb (Plumbum)، سدیم Na (Natrium)، پتاسیم K (Kalium)، نقره Ag (Argentum)، طلا Au (Aurum)، جیوه Hg (Hydrargyrum)، قلع Sn (Stannum) و تنگستن W (Wolfram). هلیم He و نئون Ne دوحرفی‌اند، چون H و N پیش‌تر برای هیدروژن و نیتروژن انتخاب شده بود؛ مشابه: C و Cl و Ca و Cr و Co، B و Ba و Br و Be، S و Si و Se. نماد را باید درست نوشت: Co (کبالت) با CO (کربن مونوکسید) فرق دارد.

مدارهای الکترونی

هرچه مدار از هسته دورتر باشد، الکترون بیشتری می‌گیرد. بیشترین الکترون در مدار $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر $2n^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است: مدار اول ۲، دوم ۸، سوم ۱۸ و چهارم ۳۲. الکترون‌ها ابتدا مدار نزدیک‌تر را پر می‌کنند و در ۲۰ عنصر اول مدار سوم حداکثر ۸ می‌گیرد و سپس مدار چهارم شروع می‌شود. مثال‌ها: C $2,4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ O $2,6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ Na $2,8,1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ Cl $2,8,7$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ Ar $2,8,8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ K $2,8,8,1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ Ca $2,8,8,2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. سدیم با از دست دادن یک الکترون $\text{Na}^+$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با آرایش $2,8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌شود، کلر با گرفتن یک الکترون $\text{Cl}^-$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با آرایش $2,8,8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مثل آرگون و $\text{Mg}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آرایش $2,8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مثل نئون دارد. هشت الکترون در مدار آخر (و دو برای هلیم) پایدار است و اتم‌ها با گرفتن یا دادن الکترون به آن می‌رسند.

ایزوتوپ‌ها

دالتون فکر می‌کرد اتم‌های یک عنصر از هر نظر یکسان‌اند، اما در اوایل قرن بیستم معلوم شد یک عنصر می‌تواند اتم‌هایی با جرم متفاوت داشته باشد. فردریک سودی آنها را ایزوتوپ («هم‌مکان») نامید: عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت (تعداد نوترون متفاوت). کربن-۱۲ و کربن-۱۳ پایدارند و کربن-۱۴ با ۶ پروتون و ۸ نوترون پرتوزاست. بیشتر عنصرها بیش از یک ایزوتوپ دارند. ایزوتوپ‌ها در تعداد پروتون، الکترون، عدد اتمی و ویژگی شیمیایی یکسان و در نوترون، عدد جرمی، ویژگی‌های فیزیکی وابسته به جرم و پایداری متفاوت‌اند.

جرم اتمی میانگین: کلر با ۷۵٪ کلر-۳۵ و ۲۵٪ کلر-۳۷ میانگین $35\times0.75+37\times0.25=35.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد و به همین دلیل جرم آن در جدول عدد صحیح نیست؛ منیزیم با ۷۹٪ منیزیم-۲۴، ۱۰٪ منیزیم-۲۵ و ۱۱٪ منیزیم-۲۶ میانگین حدود $24.32$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد. ایزوتوپ‌ها را با روش فیزیکی جدا می‌کنند، چون ویژگی شیمیایی یکسان دارند و تنها تفاوتشان جرم است: طیف‌سنج جرمی (ذره‌های باردار در میدان مغناطیسی منحرف می‌شوند و سبک‌تر بیشتر)، سانتریفیوژ گازی (اورانیم هگزافلوئورید: ایزوتوپ سنگین‌تر به کناره و سبک‌تر به مرکز؛ برای غنی‌سازی) و نفوذ گازی. ایزوتوپ‌های هیدروژن نام ویژه دارند: پروتیوم (بدون نوترون)، دوتریوم D (یک نوترون) و تریتیوم T (دو نوترون)؛ آب سنگین $\text{D}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

کاربرد رادیوایزوتوپ‌ها: کبالت-۶۰ در پرتودرمانی سرطان، ید-۱۳۱ برای تیروئید و گواتر، تکنسیم-۹۹ در تصویربرداری قلب و استخوان، فسفر-۳۲ برای ردیابی جذب کود، پرتو کبالت برای ماندگاری غذا و استریل کردن، کربن-۱۴ برای تعیین عمر اشیای آلی، ایریدیم-۱۹۲ در رادیوگرافی صنعتی جوش و آمریسیم-۲۴۱ در آشکارساز دود. با ورود مقدار کمی رادیوایزوتوپ به خون، مسیرش دنبال و لخته‌ها پیدا می‌شوند. نیمه‌عمر کربن-۱۴ حدود ۵۷۳۰ سال است؛ استخوانی که ۲۵٪ کربن-۱۴ اولیه را دارد دو نیمه‌عمر یعنی ۱۱۴۶۰ سال عمر دارد.

یون و ترکیب‌های یونی

اتمی که الکترون از دست بدهد بار مثبت و اتمی که الکترون بگیرد بار منفی پیدا می‌کند؛ ذرهٔ باردار یون است. کاتیون الکترون از دست داده ($\text{Na}^+$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Ca}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و آنیون الکترون گرفته ($\text{Cl}^-$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{O}^{2-}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). بار برابر تعداد پروتون منهای تعداد الکترون است و یون با تغییر الکترون ساخته می‌شود، نه پروتون. $\text{Ca}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با عدد جرمی ۴۰، ۲۰ پروتون، ۲۰ نوترون و ۱۸ الکترون دارد؛ $\text{S}^{2-}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی شانزده پروتون و ۱۸ الکترون؛ $\text{Al}^{3+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سیزده پروتون، ۱۴ نوترون و ۱۰ الکترون.

ترکیب‌های یونی از کاتیون و آنیون با جاذبهٔ الکتریکی ساخته می‌شوند و مجموع بارهایشان صفر است: $\text{NaCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{MgCl}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{Al}_2\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. سدیم کلرید نمک خوراکی است؛ یون فلوئورید سدیم فلوئورید از خرابی دندان جلوگیری می‌کند و گاهی به آب شهر افزوده می‌شود، اما مقدار زیادش سمی است؛ نقره برمید در عکاسی کاربرد دارد. دوروتی هادکین نخستین بار ساختار مواد را با اشعهٔ ایکس تعیین کرد. ترکیب‌های یونی نقطهٔ ذوب و جوش بالا دارند، در دمای اتاق جامد و بلورین‌اند، فقط در حالت مذاب یا محلول رسانا هستند و شکننده‌اند: با ضربه یک لایه جابه‌جا می‌شود، یون‌های هم‌بار روبه‌روی هم قرار می‌گیرند، یکدیگر را می‌رانند و بلور می‌شکند؛ برخلاف فلز که لایه‌هایش بدون شکستن می‌لغزند.

پرسش‌های پایان فصل

کدام ذره زودتر کشف شد؟ الکترون را تامسون در ۱۸۹۷، پروتون را رادرفورد حدود ۱۹۱۹ و نوترون را جیمز چادویک در ۱۹۳۲ شناسایی کردند. الکترون باردار و سبک است و در میدان الکتریکی و مغناطیسی به‌راحتی منحرف می‌شود؛ پروتون هم باردار است. اما نوترون بار ندارد، در میدان‌ها منحرف نمی‌شود و فقط از راه برخورد با ذره‌های دیگر آشکار می‌شود؛ پس شناسایی‌اش دیرتر بود.

کدام دانشمند مهم‌تر بود؟ پاسخ مستدل قابل قبول است؛ نمونه: رادرفورد، چون با کشف هستهٔ کوچک و فضای خالی تصور «کرهٔ توپر» را کاملاً عوض کرد و پایهٔ مدل‌های بعدی و علم هسته‌ای شد.

هستهٔ ایزوتوپ‌ها در شکل: دو هسته‌ای ایزوتوپ‌اند که هر دو شش پروتون (یک عنصر، کربن) ولی تعداد نوترون متفاوت (۷ و ۶) دارند؛ اگر تعداد پروتون‌ها متفاوت باشد (۶ و ۷)، دو عنصر متفاوت‌اند (کربن و نیتروژن).

ذرات زیراتمی: ${}^{39}_{19}\text{K}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نوزده پروتون، ۲۰ نوترون و ۱۹ الکترون؛ ${}^{133}_{55}\text{Cs}^{+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی پنجاه و پنج پروتون، ۷۸ نوترون و ۵۴ الکترون؛ ${}^{80}_{35}\text{Br}^{-}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سی و پنج پروتون، ۴۵ نوترون و ۳۶ الکترون؛ ${}^{227}_{89}\text{Ac}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هشتاد و نه پروتون و ۱۳۸ نوترون دارد.

مثال‌های تمرینی

• ${}^{56}_{26}\text{Fe}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بیست و شش پروتون، ۳۰ نوترون و ۲۶ الکترون دارد و $\text{Fe}^{3+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بیست و سه الکترون.
• $\text{O}^{2-}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{Na}^{+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هر دو ده الکترون و آرایش $2,8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارند.
• عنصری با دو ایزوتوپ ۱۰ (۲۰٪) و ۱۱ (۸۰٪) جرم میانگین $10\times0.2+11\times0.8=10.8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد، مثل بور.
• ماده‌ای با نیمه‌عمر ۱۰ سال پس از ۳۰ سال (سه نیمه‌عمر) $100\rightarrow50\rightarrow25\rightarrow12.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد می‌شود؛ اگر کربن-۱۴ نمونه‌ای ۱۲٫۵٪ باشد، سه نیمه‌عمر یعنی ۱۷۱۹۰ سال گذشته است.
• چگالی هسته بسیار زیاد است: با جرم پروتون $1.67\times10^{-27}\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و شعاع حدود $1.2\times10^{-15}\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، چگالی حدود $2.3\times10^{17}\,\text{kg/m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ یک قاشق از چنین ماده‌ای صدها میلیون تن جرم دارد.
• در هر واکنش هسته‌ای جمع عددهای جرمی و جمع عددهای اتمی دو طرف برابر است؛ با این قاعده می‌توان ذرهٔ مجهول معادله را پیدا کرد.

یادآوری روش حل: برای هر گونه ابتدا $Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را از نماد یا جدول بخوان (تعداد پروتون)، سپس $N=A-Z$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و در پایان الکترون‌ها را با کم کردن بار مثبت یا افزودن بار منفی حساب کن. برای آرایش الکترونی، الکترون‌ها را به ترتیب ۲، ۸، ۸ در مدارها بچین و بررسی کن یون به آرایش گاز نجیب رسیده است یا نه.

اشتباه‌های رایج