فیزیک اتمی
مقدمه
فیزیک اتمی- مولکولی که مربوط به فیزیک جدید است از زمانی متولد شد که دانشمندان متوجه شدند کوچکترین جزء در طبیعت اتم نیست بلکه اتم از اجزای کوچکتری به نام الکترونها و هسته تشکیل شده است. یعنی اتم از هسته‌ای تشکیل شده است که الکترون‌هایی در اطراف آن می‌گردند
فیزیک اتمی به بررسی نقل و انتقال‌های الکترون‌های اطراف هسته می‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسی قرار می‌دهد. یعنی ما در فیزیک اتمی کاری به این نداریم که هسته از چه تشکیل شده است بلکه هسته برایمان مرکزی با بار مثبت است و بیشتر توجه ما جلب الکترون‌های اطراف هسته می‌شود
سابقه ی تاریخی
مطالعه روی عنصرها به حدود ۲۵۰۰ سال پیش برمی گردد. دالتون در سال 1807 با استفاده از واژه یونانی اتم که به معنای تجزیه ناپذیر است ، ذره های سازنده عنصرها را توضیح داد. اگر چه امروز می دانیم که اتمها خود از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند، اما هنوز باور داریم که اتم کوچکترین ذره ای است که خواص شیمیایی و فیزیکی یک عنصر به آن بستگی دارد.
جان دالتون نظریه اتمی ماده را به شرح زیر مطرح کرد :
تمام عنصرها از اتم تشکیل شده‌اند . اتمها ذراتی تقسیم‌ناپذیر و تخریب ناپذیرند
همه‌ی اتمهای یک عنصر از لحاظ جرم و خواص شیمیایی یکسان‌اند, اما اتمهای عنصرهای مختلف , جرم و خواص شیمیایی متفاوت دارند .
یک ترکیب شیمیایی از به هم پیوستن اتمهای مختلف با نسبت‌هایی که اعداد صحیح و کوچک‌اند , تشکیل می‌شود
یک واکنش شیمیایی تنها شامل ترکیب , تفکیک یا نوآرایی اتم‌هاست به بیان دیگر , اتمها در جریان یک واکنش شیمیایی نه به وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند .
در حال حاضر می‌دانیم که جزء بسیار ناچیزی از ماده در یک واکنش شیمیایی قابل تبدیل به انرژی بوده و از این‌رو به جاست که از قانون "بقای جرم و انرژی " صحبت کنیم . همچنین تئوری دالتون نارسایی‌هایی دارد و برای مثال او به وجود مولکول چند اتمی از قبیل H2 و O2 برای یک عنصر پی نبرد و کوچکترین ذره‌ی همه‌ی عناصر را اتمهای منفرد پنداشت . همچنین آزمایشها نشان داده‌اند که همه‌ی اتمهای یک عنصر دقیقاً جرم یکسان ندارند . اما با تغییر واژه‌ی "جرم" به "جرم اتمی میانگین" می‌توان تئوری دالتون را به کار برد .
جان دالتون بر اساس تئوری اتمی خود قانون دومی را بیان کرد که مبتنی بر داده‌های آزمایشی نبود . این قانون به عناصری مربوط می‌شود که با هم بیش از یک ماده‌ی مرکب ایجاد می‌کنند . بنابر قانون دوم دالتون "نسبت جرم‌هایی از یک عنصر را که به جرم معینی از عنصر دیگر ترکیب می‌شوند . می‌توان با اعداد صحیح کوچکی بیان کرد . " این گزاره را قانون "نسبت‌های چندگانه" می‌نامند .
الکترون نخستین ذره زیر اتمی
اجرای آزمایشهای بسیاری با الکتریسته ، مقدمه ای برای شناخت ساختار درونی اتم بوده است. کشف الکتریسته ساکن، وقوع واکنش شیمیایی به هنگام عبور جریان برق از میان محلول یک ترکیب شیمیایی فلزدار (الکتریسته یا برقکانت) ، و آزمایشهای بسیار روی لوله ی پرتو کاتدی منجر به شناخت الکترون شد. لوله پرتو کاتدی لوله ای شیشه ای است که بیشتر هوای آن خارج شده است.در دو انتهای این لوله دو الکترود فلزی نصب شده است . هنگامی که یک ولتاژ قوی بین این دو الکترود اعمال شود ، پرتوهایی از الکترود منفی (کاتد) به سمت الکترود مثبت (آند) جریان می یابد که به آن پرتوهای کاتدی می گوین. این پرتوها بر اثر برخورد با یک ماده ی فلوئور سنت نور سبز رنگی ایجاد می کنند. تامسون موفق شد نسبت بار به جرم الکترون را به کمک این آزمایشها اندازه گیری کند.پس از آن رابرت میلیکان توانست مقدار بار الکتریکی الکترون را اندازه بگیرد. به این ترتیب جرم الکترون نیز با کمک نسبت بدست آمده تامسون محاسبه شد.
بار الکترون کلون و جرم الکترون کیلوگرم است.
پرتو زایی
در حالی که تامسون روی پرتوهای کاتدی آزمایش می کرد، هم زمان بکرل فیزیک دانی که روی خاصیت فسفر سانس مواد شیمیایی کار می کرد با پدیده ی جالبی روبرو شد. این پدیده پرتوزایی و مواد دارای این خاصیت، پرتوزا نامیده شد.
بعد از آن رادرفورد به این موضوع علاقه مند شد و پس از سالها تلاش فهمید، این تابش خود ترکیبی از سه نوع تابش مختلف آلفا ، بتا، و گاما می باشد.
مدل اتمی تامسون
تامسون پس از کشف الکترون ساختاری برای اتم پیشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفی در فضای ابر گونه با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها می دانست ، حال آنکه فضای ابرگونه مثبت را بدو ن جرم می دانست.
یکی از موارد بسیار مهمی که یک مدل اتمی باید توضیح دهد، مسئله جذب و تابش انرژی توسط الکترونها است. در مدل اتمی تامسون الکترونها در مکانهای تعادلشان ثابت می مانند. در اتمهای برانگیخته، مانند اتمهای اجسام در دمای زیاد، الکترونها حول مکانهای تعادلشان ارتعاش می کنند. چون نظریه الکترومغناطیس کلاسیک پیشگویی می کند که یک ذره باردار، هنگامی که دارای شتا است، مانند الکترون مرتعش، تابش تابش الکترومغناطیسی گسیل می دارد، درک کیفی تابش گسیل یافته توسط اتمهای برانگیخته بر پایه ی الگوی تامسون امکان پذیر بود. اما از نظر کمی نمی توان طیفهایی را که از راه تجربه مشاهده می شد توجیه کند.
رادرفورد که از شاگردان تامسون بود، نتوانست تشکیل تابشهای حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمی تامسون توجیه کند. و پس از آزمایشهای بسیار ، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد. او درسال 1911 در آزمایش خود ورقه نازکی از طلا را با ذرههای آلفا بمباران کرد، به امید آنکه همه ی ذره های پرانرژی و سنگین آلفا که دارای بار مثبت نیز هستند با کمترین انحراف از این ورقه نازک طلا عبور کنند. اما مشاهده کرد که تعداد کمی از ذرات منصرف شده خارج می شوند و تعداد بسیار کمی از آن به طور کامل منحرف شده و به عقب برمی گردند.
پس نتیجه گرفت که حتماً یک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهای مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم نیز در درون این هسته است که توانایی به عقب راندن ذره های سنگین و پرانرژی آلفا را دارد.رادرفورد با استفاده از نتایج این آزمایش مدل اتم هسته دار را پیشنهاد کرد.در این مدل هسته دارای بار الکتریکی مثبت است.
مدل اتمی بور
در سال 1913 نیلز بور مدل اتمی خود را ارائه کردکه با برخی از داده های طیف نمایی مثلاً طیف اتم هیدروژن از نظر کمی تطبیق می کرد. مدل اتمی بور مشتمل بر اصول موضوع زیر بود:
1- الکترون درون اتم، تحت تاثیر نیروی الکتریکی بین الکترون و هسته، در یک مدار دایره ای شکل به دور هسته حرکت می کند و این حرکت تابع قوانین مکانیک کلاسیک است.
2- به جای بینهایت مداری که در مکانیک کلاسیک امکان پذیر است، برای الکترون تنها این امکان وجود دارد که در مداری حرکت کند که برای آن اندازه ی حرکت زاویه ای L مضرب درستی از h ثابت پلانک تقسیم بر دو پی باشد.
3- علی رغم این واقعیت که الکترون دایماً شتابدار است، اما در چنین مدار مجازی انرژی الکترومغناطیسی تابش نمی کند. به این ترتیب، انرژی کل آن، E ثابت باقی می ماند.
4- تابش الکترومغناطیسی در صورتی گسیل می شود که الکترونی که در آغاز در مداری با انرژی Ei در حرکت است، حرکتش را به طور ناپیوسته چنان تغییر می دهد که در مداری با انرژی Ef حرکت کند، بسامد تابش گسیل یافته از رابطه ی زیر تبعیت می کند Ei-Ej=hf
اصول موضوع مدل اتمی بور نکات مهمی را مطرح می کند که زمینه ی مکانیک کوانتوم جدید را فراهم ساخت.
نوترون
اکتشافات مواد رادیواکتیویته و ایزوتوپها پرسشهای جدیدی را درباره ساختمان اتمها مطرح کرد و پرسش هایی مطرح شد که هسته اتمی را در بر می‌گرفت.
در سال 1919 رادرفورد دریافت که وقتی گاز نیتروژن با ذرات آلفای حاصل از بیسموت ? 214 بمباران می‌شود، ذرات سریعی تولید می‌گردد که می‌تواند بیشتر از خود بیسموت ذرات درگاز سیر کند.
رادرفورد نتیجه گرفت که یک ذره آلفا می‌تواند موجب فروپاشی مصنوعی هسته نیتروژن شود که یکی از محصولات فروپاشی آن پروتون باشد. لیکن این فرایند به آسانی صورت نمی‌گیرد. نتایج تجربی نشان داد که تقریباً از هر یک میلیون ذره آلفا که از میان گاز عبور می‌کند فقط یک پروتون تولید می‌شود.
رادرفورد و چادویک بین سالهای 1921 و 1924 کار بر روی نیتروژن را به عناصر دیگر کشاندند و شواهدی برای فروپاشی تمام عناصر سبک از بور تا پتاسیم، به استثنای کربون و اکسیژن، یافتند. (بعداً نشان داده شد که این عناصر نیز دچار فرو پاشی می‌شوند.)