پروژه

بیوگرافی جان دالتون

ریشه لغوی

این کلمه ، از کلمه یونانی atomos ، غیر قابل تقسیم ، که از a- ، بمعنی غیر و tomos، بمعنی برش ، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم‌های شیمیایی یعنی اساسی‌ترین اجزاء مولکول‌ها و مواد ساده می‌باشد.

تاریخچه شناسایی اتم

مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم‌های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی مانند دموکریتوس (Democritus) ، لئوسیپوس (Leucippus) و اپیکورینز (Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن ، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن 18 راجر بسکوویچ (Rudjer Boscovich) آنرا احیاء نمود و بعد از آن توسط جان دالتون (John Dalton) در شیمی بکار برده شد.

براساس نظریه بوسویچ ، 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 اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاش آمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم‌ها و مولکول‌ها را درک نمایند. در عصر مدرن ، اتم‌ها ، بصورت تجربی مشاهده شدند.

اندازه اتم

اتم‌ها ، از طرق ساده ، قابل تفکیک نیستند، اما باور امروزه بر این 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 ذرات کوچکتری ساخته شده‌اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته‌ای ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) و بقیه اتم فقط از پوسته‌های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم‌های با تعداد مساوی الکترون و پروتون ، از نظر الکتریکی خنثی هستند.

طبقه‌بندی اتم‌ها

اتم‌ها عموما برحسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتون‌های آن اتم می‌باشد، طبقه‌بندی می‌شوند. برای مثال ، اتم های کربن اتم‌هایی هستند که دارای شش پروتون می‌باشند. تمام اتم‌های با عدد اتمی مشابه ، دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها در جدول تناوبی لیست شده‌اند.
اتم‌های دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌های آنها) ، ایزوتوپ نامیده می‌شوند.

ساده‌ترین اتم

ساده‌ترین اتم ، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می‌باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی ، خصوصا در اوایل شکل‌گیری نظریه کوانتوم ، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم‌ها

واکنش شیمیایی اتم‌ها بطور عمده‌ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترون‌های آن می‌باشد. خصوصا الکترون‌هایی که در خارجی‌ترین لایه اتمی قرار دارند، به نام الکترون‌های ظرفیتی ، بیشترین اثر را در واکنش‌های شیمیایی 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 و هلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل با استفاده مشترک از الکترونهای اتم‌های مجاور و یا با جدا کردن کامل الکترون‌ها از اتمهای دیگر فراهم می‌شود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کووالانسی میان دو اتم تشکیل می‌گردد. پیوندهای کووالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی 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 و الکترون‌ها ، دارای بار الکتریکی ویژه می‌شوند. یون‌هایی که الکترون‌ها را برمی‌دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون‌ها را از دست می‌دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد.

پیوند یونی

کاتیون‌ها و آنیون‌ها بعلت نیروی کولمبیک (coulombic) میان بارهای مثبت و منفی ، یکدیگر را جذب می‌نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده می‌شود و از پیوند کووالانسی ضعیفتر است.

نظریه اتمی دالتون

نگاه اجمالی

دانشمندان بسیاری معتقد بودند که ماده از اتمها ترکیب یافته است. اما جان دالتون از این هم پیش رفت او طرحی برای نظریه اتمی بوجود آورد که توانست قوانین تغییر شیمیایی را توضیح دهد و با نسبت دادن جرمهای نسبی به اتمهای عناصر گوناگون به مفهوم نظریه اتمی صورت کمی داد.

تاریخچه

نخستین نظریه اتمی را به طور معمول از آن یونانیان باستان می‌دانند. نظریه اتمی لوسیپوس و دموکریتوس ( قرن پنجم ق . م ) مدعی آن است که تقسیم پی در پی ماده در نهایت به اتمهایی می‌رسد که امکان تقسیم بیشتر ندارد. ارسطو ( قرن چهارم ق.م ) نظریه اتمی را نپذیرفت. او باور نداشت که بطور فرضی ماده بی‌پایان به ذرات کوچکتر تقسیم می‌شود.

نظریه‌های یونانیان باستان به بر عمل و آزمایش طراحی شده بلکه بر اندیشه مجرد استوار بود و تقریبا دو هزار سال بصورت اندیشه باقی ماند. رابرت بویل و ایزاک نیوتون وجود اتمها را پذیرفتند. اما جان دالتون نظریه اتمی را به گونه‌ای طرح کرد که شاخص برجسته‌ای در تاریخ شیمی شد.

اصول موضوع نظریه دالتون

·         عناصر از ذرات بی‌نهایت کوچکی که اتم نامیده می‌شوند، ترکیب یافته‌اند. تمام اتمهای یک عنصر ، یکسان و اتمهای عناصر گوناگون متفاوت‌اند.

·         در واکنشهای شیمیایی اتمها از هم جدا می‌شوند و بهم می‌پیوندند. در این واکنشها هیچ اتمی ایجاد نمی‌شود یا از میان نمی‌رود ، و هیچ اتمی از یک عنصر به اتم عنصر دیگر تبدیل نمی‌شود.

·         یک ماده مرکب شیمیایی حاصل ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر است. یک ماده مرکب معین از اتمهایی ترکیب یافته است که همواره نوع و نسبت آنها ثابت است.

نتایج نظریه اتمی دالتون

دالتون نظریه خود را از دو قانون مربوط به تغییرات شیمیایی ارائه داد:

·         قانون بقای جرم :
در جریان یک واکنش شیمیایی جرم تغییر محسوسی نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

·         قانون نسبتهای معین :
یک ماده مرکب خالص ، همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب می‌شوند اصل سوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

تغییرات در نظریه اتمی دالتون

نظریه دالتون به مفهوم کلی آن امروزه نیز معتبر است. لیکن اصل اول آن تغییر یافته است. دالتون می‌گفت که تمام اتمهای یک عنصر معین ، جرم اتمی یکسان دارند. امروزه ما می‌دانیم که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیایی به هم شبیه و اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. علاوه بر این ما می‌توانیم یک جرم متوسط برای اتمهای هر عنصر در نظر بگیریم. در بسیاری از محاسبات اگر 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 قانون مربوط به تغییرات شیمیایی بیرون کشید:

  •  قانون پایستاری جرم می‌گوید که در جریان یک واکنش شیمیایی جرم تغییر محسوسی نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.
  • قانون نسبتهای معین می‌گوید که یک ماده مرکب خالص همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب می‌شوند. اصل سوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

الکترون

در نظریه دالتون و نظریه‌های یونانیان اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند اما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه نتیجه آزمایشهایی بود که با الکتریسیته بعمل آمد. در سال 1807 و 1808 شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته پنج عنصر پتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد.

 دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند به هم متصل می‌شوند.
در سال 1832 و 1833 مایکل فارادی مجموعه آزمایشهای مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد. در فرایند برقکافت مواد مرکب بوسیله الکتریسیته تجزیه می‌شوند. فارادی رابطه بین مقدار الکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت شیمیایی را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی جرج جانسون استونی در سال 1874 به طرح این مطلب پرداخت که واحدهای باردار الکتریکی با اتم‌ها پیوستگی دارند. او در سال 1891 این واحدهای الکتریکی را الکترون نامید.

الکترونها در میدان مغناطیسی و الکتریکی منحرف می‌شوند. بعدها مقدار بار الکترون در سال 1909توسط رابرت . ا . میلیکان محاسبه شد. الکترون یک واحد بار منفی یعنی دارد. جرم الکترون نیز از رابطه q به q/m محاسبه شد و مقدار بدست آمد.

 

پروتون

هرگاه یک یا چند الکترون از یک اتم یا مولکول خنثی جدا شوند باقیمانده ، بار مثبتی برابر با مجموع بارهای منفی الکترونهای جدا شده دارد. اگر یک الکترون از یک اتم نئون ( نماد ، Ne ) جدا شود نتیجه یک یون و اگر دو الکترون جدا شود یک یون  بدست می‌آید و الی آخر. این نوع ذرات مثبت ( یونهای مثبت ) وقتی در لوله تخلیه الکتریکی تولید می‌شوند که پرتوهای کاتدی از اتمها یا مولکولهای موجود در لوله الکترون جدا کنند.

این یونهای مثبت به طرف الکترود منفی حرکت می‌کنند اما الکترونهای پرتوهای کاتدی چون بار منفی دارند در جهت مخالف (بطرف الکترود مثبت) حرکت می‌کنند. این جریان یونهای مثبت که پرتوهای مثبت نامیده می‌شوند، نخستین بار توسط یوجین گلدشتاین در سال1886 مشاهده شدند. این ذرات مثبت پروتون نامیده می‌شوند و جز تشکیل دهنده تمام اتمها هستند. پروتون یک واحد بار مثبت دارد و علامت آن مثبت است.

جرم پروتون نیز از رابطه q بر q/m محاسبه شد.       

نوترون  

چون اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم باید برابر باشد. برای توجیه جرم کل اتمها ارنست رادرفورد در سال 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است ولی در سال 1932 جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون نامیده می‌شوند منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده‌های بدست آمده از بعضی واکنشهای هسته‌ای مولود نوترون جرم آن را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمام ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می‌شوند جرم نوترون را که اندکی از جرم پروتون بیشتر است محاسبه کرد. جرم نوترون      و جرم پروتون   است.

هسته اتم

پرتوزایی طبیعی

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

  • تابش آلفا مرکب از ذراتی است که بار +2 و جرمی تقریبا برابر پروتون دارند. این ذرات آلفا با سرعتی حدود km/s 16000 از ماده پرتوزا بیرون می‌جهند. نخستین بار که ذرات α مورد مطالعه قرار گرفتند نوترون هنوز کشف نشده بود. امروزه ما می‌دانیم که ذره آلفا مرکب از دو پروتون و دو نوترون است.
  • تابش بتا مرکب از جریانی از الکترونهاست که تقریبا با سرعت km/s 130000 سیر می‌کنند.
  • تابش گاما اصولا صورتی از نور با انرژی بسیار زیاد است. پرتوهای گاما بدون بار و شبیه پرتوهای ایکس‌اند.



JavaScript Codes


Javascripts