دانلود تحقیق پیدایش علم شیمی و بعضی اصطلاحات آن

ماده در آغاز قرن بیستم

یکی از مهمترین اصطلاحات در شیمی اتم است که بعنوان جزء لاینفک ماده همیشه مورد بحث و تحقیق شیمیدانان بوده است.

حال در این مورد خاص دیدگاه های موجود درباره ماده را در آغاز قرن بیستم بررسی می کنیم.

دانشمندان این زمان، هر وقت که نمی توانستند نتایج آزمایشها را به کمک نظریه های موجود توضیح دهند، یا آزمایش های بیشتری انجام می دادند یا نظریه های جدیدی مطرح می کردند. نظریه های جدید به دیدگاه های مختلفی از ساختار جهان منجر شوند.

در این گفتار با مباحث زیر آشنا خواهیم شد.

پروتونها، نورتونها، الکترونها و نوترینوها

اجزای اتم و هسته

سه نوع مختلف تابش

با قواعد پایستگی انرژی، بار الکتریکی و تکانه ( اندازه حرکت ) نیز آشنا خواهیم شد.

اجزای اتم

آزمایش های را در فورد: کشف هسته

با آزمایش های ارنست را در فورد و همکارانش که در حدود 1911 در بریتانیا اجرا شدند این بحث را آغاز می کنیم. این دانشمندان برای کشف اجزای درونی اتمها آنها را با نوعی تابش، به آنها، بمباران کردند. آنها ذرات آلفا را به طور کامل نمی شناختند، ولی می توانستند آنها را مورد بهره برداری قرار دهند.

نکات اصلی آزمایش عبارت بودند از :

پولونیم را، که ماده ای پرتوزاست، به عنوان چشمی ذرات آنها به کار می بردند. چشمه پولونیم ذرات آن را در همه ی جهات گسیل می کرد، اما رادفورد فقط ذراتی را که با هدف برخورد می کردند مورد توجه قرار دارد.

برای آشکارسازی ذرات آلفایی که از هدف خارج می شدند از پرده ای جابه جا شونده که با ماده ای به نام سوسوزن رنگ خورده بود استفاده می شد.

ماده ی سوسوزن بر اثر برخورد دره ی آلفا از خود نور فلاش مانندی گسیل می کند. بدین سان، رادفورد می توانست جا پاهای ذرات آلفا را پس از عبور از هدف مورد بررسی قرار دهد.

نتایج این آزمایش ها تکان دهنده بودند. در آن هنگام، مدل مورد قبول اتم مدل نان کشمشی  تامسون بود: توده ی کروی شکلی از بار مثبت که الکترونهای منفی در حجم آن پراکنده بودند.

( الکترون را تامسون درست پیش از آغاز قرن بیستم کشف کرده بود ). اگر این مدل درست بود، نتایج آزمایشهای رادفورد می بایست چیزی شبیه به شکل زیر می شد؛ یعنی ذرات سنگین آلفا بایستی با اندکی انحراف از نان کشمشی مثبت بگذرند و کمی پراکنده شوند.

اما دانشمندان با کمال تعجب مشاهده کردند که بعضی از ذرات آلفا، مثل وقتی که از جسم بسیار سنگینی منعکس شوند، مستقیماً به طرف چشمه باز می گردند؛ و این نتیجه با مدل نان کشمشی اتم سازگاری نداشت.

اما نتایج این آزمایشها با مدل جدیدی سازگار بود. مدل زیر:

در این مدل، هر اتم متشکل است از:

یک هسته ی سخت که کل بار الکتریکی مثبت اتم و تقریباً تمامی جرم آن را در بر می گیرد. ذرات آلفا بر اثر برخورد با این هسته ی بسیار چگال به عقب بر می گردند.

الکترونهای سبک در فضای خالی اطراف هسته پراکنده اند. بار الکتریکی منفی الکترونها با بار مثبت هسته برابری می کند.

ذرات آلفا از کنار الکترونها رد می شوند.

اما این آخرین آزمایش دانشمندان نبوده رادرفورد و جیمز چادویک، برای شناخت بهتر هسته، به استفاده از ذرات آلفا ادامه دادند. در یک دسته آزمایش، آنها ذرات آلفا را به هسته های نیتروژن فرو تا بیدند و نتیجه را مورد بررسی قرار دادند.

همچنانکه انتظار داشتند در نتیجه ی آزمایش ذرات آلفا را مشاهده کردند ولی این ذره ها هسته های هیدروژن را نیز به همراه داشتند. خوب، اگر هسته های هیدروژن از هسته های نیتروژن قابل گسیل باشند، در این صورت شاید هسته ی نیتروژن از هسته های هیدروژن تشکیل شده باشد. در واقع شاید همه ی هسته ها از هسته های هیدورژن تشکیل شده اند.

پروتون، نامی است که به هسته هیدروژن داده شده است. هر پروتون بار الکتریکی معادل یک واحد دارد که، با علامت مخالف، مساوی با بار الکتریکی الکترون است. پورتونها دارای جرم هم هستند و ما برای سادگی کارمان، همه جرمها را برحسب جرم پورتون ( که معادل 1 واحد می گیریم ) بیان می کنیم. جرم هر الکترون، برحسب این یکا، در حدود  است.

این آزمایش ها نشان دادند که هسته ها نوعی ساختار درونی دارند. هسته ها هم از اجزایی به نام پروتون ساخته شده اند. هسته هایی که برا مثبت بیشتری دارند. لزوماً از تعداد پروتونهای بیشتری برخوردارند.

نوترون در سال 1932 کشف شد. نوترون را چادویک در آزمایش دیگری که با ذرات آلفا انجام می شد،

ذرات آلفا ولی هدف بر یلیم فرو تابیده می شدند.

چادویک مشاهده کرد که ذراتی بدون، بار الکتریکی از بریلیم خارج می شوند ( که ما آنها را ذرات خنثی یا تابش خنثی می نامیم. )

ذرات خارج شده از بریلیم به هدف دیگری از پارافین برخورد
می کردند.

ذرات خارج شده از هدف پارافین، پروتون بودند.

چادویک چنین نتیجه گیری کرد که این تابش خنثی در واقع همان نوترون است که مدتها در انتظارش بودند، زیرا این ذره باید جرمی نزدیک به پروتون داشته باشد تا بتواند از پارافین پروتون خارج کند.

تابش هسته ای

هسته های ناپیدار به طور خود به خود با گسیسل ذرات واپا شیده
می شوند. این فرآیند را پرتوزایی یا رادیواکتیویته می نامند.  تابشهای سه گانه ی هسته ای را با نامهای زیر می شناسیم:

آلفا ( )

بتا ( )

گانا ( )

پرتو آلفا یا ذرات آلفا چیزی جز هسته های هلیم ( از دو پروتون و دو نوترون تشکیل می شود ) نیست. یکی از فرآیندهایی که در آن ذرات آلفا تولید می شود، واپاشی هسته ی رادیم است که به یک هستهی رادون و یک ذره ی آلفا تبدیل می شود. تعداد کل پروتنها و تعداد کل نوترونها در این فرآیند ثابت می ماند.

آلفا + هسته رادون = هسته رادیوم

پرتو گاما، تابش الکترومغناطیسی پر انرژی است. هسته ای که به حالت برانگیخته می رسد، می تواند انرژی اضافی اش را به صورت تابش گاما گسیل کند.

تابش بتا، در فرآیند الکترون دیده می شود. اما این الکترون یکی از الکترونهای خارج از هسته نیست؛ بلکه الکترونی است که در هسته به وجود می آید. مانند فرآیند زیر:

الکترون + نیتروژن = کربن

در این فرآیند، برخلاف آنچه در مورد تولید تابش آلفا دیده ایم، تعداد کل پروتونها و تعداد کل نوترونها پایستگی جداگانه ندارند. در حالی که به تعداد پروتونها یکی افزوده شده، از تعداد نوترونها یکی کاسته شده است. بررسی فرآیند واپاشی بتازا، فیزیکدانان را به پیشنهاد ذره ی جدیدی به نام نوترینو رهنمون شد.

فرضیه ی وجود نوترینو هنگامی مطرح شد که واپاشی بتازای نوترون، بعضی از اصول مهم پایستگی فیزیک را مورد تهدید قرار داد.

پس از مصرفی این اصول، پایستگی، درباره نوترینو بیشتر سخن خواهیم گفت.

چند قانون پایستگی

اصول پایستگی در فیزیک از آن رو دارای اهمیت اند که در توضیح علت وقوع بعضی از پدیده ها و علوم وقوع بعضی دیگر، به ما یاری
می رسانند. رعایت سه اصل پایستگی زیر در تمامی فرآیندهای فیزیکی الزامی است:

پایستگی بار الکتریکی

پایستگی تکانه ( اندازه حرکت )

پایستگی  انرژی کل

- پایستگی بار

بار الکتریکی کل هر سیستمی از ذرات باید ثابت بماند. یعنی اگر جمع کل تمامی بارهای ذرات موجود در یک حرف واکنش را در نظر بگیریم، مقدار آن باید با جمع کل بارهای ذرات موجود در طرف دیگر واکنش برابر شود. برای نمونه، اصل پایستگی بار در هر دو واکنش نشان داده شده در زیر رعایت شده است. باید به این نکته توجه داشت که این واکنشها تنها واکنشهای ممکن نیستند، بلکه فقط دو نمونه از واکنشهای ممکن هستند.

+

-

0

+

-

+

-

-

0

ذره منفی      ذره خنثی         ذره منفی      ذره مثبت

ذره خنثی      ذره منفی       ذره مثبت      ذره منفی     ذره مثبت

در این هر دو نمونه، هر دو ذره ی اولیه ( در سمت چپ پیکان ) باردار هستند؛ یکی دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی است. در حالت اول. ذرات نهایی ( در سمت راست پیکان ) هر دو بدون بارند.

در حالت دوم، تعداد ذرات نهایی سه تاست: یکی مثبت، یکی منفی، یکی خنثی. در هر دو حالت، بار کل ذرات نهایی برابر صفر است.

پایستگی انرژی

انرژی کل ذرات پیش از واپاشی یا پیش از واکنش ( دو ذره در حالت اولیه ) باید با انرژی کل ذرات پس از واپاشی یا واکنش برابر باشد. در اینجا سخن از پایستگی انرژی کل است، زیرا انرژیی که در این فرآیندها با آن سرو کار داریم به دو صورت زیر ممکن است مطرح شود:

< >انرژی جنبشی یا انرژی حرکتی، که به سرعت ذره بستگی دارد. انرژی جرمی، که از معادله ی معروف انیشتین ناشی می شود: E=me2

بنابراین معادله، انرژی ( E ) برابر است با حاصل ضرب جرم ذره در مجزور سرعت نور ( که مقداری ثابت است ). هر چند جرم ذره بیشتر باشد، انرژی جرمی آن بیشتر می شود.

معیار ما برای رعایت پایستگی انرژی در واپاشیها، این است که جرم (یا انرژی جرمی ) ذره ی واپاشنده باید بزرگتر از یا مساوی با مجموع جرمهای محصولات نهایی باشد.