هسته اتم

[Babak Radfar]

تعریف هسته:


هسته مجموعه ای از ذرات باردار با بار مثبت می باشد که در یک حجم فوقالعاده کوچک تمرکز یافته اند وبا نیروی بسیار قوی و برد کوتاه «نیروی برهمکنش قوی هسته ای) به هم مقید شده اند که این مجموعه متراکم کل جرم اتم را در خود دارد و الکترون ها در اربیتال هایی حول این نقطه چگال مرکزی در حال دوران هستند .

اجزای اصلی هسته :

ذرات اساسی که کلیه هسته ها از آنها ترکیب شده است عبارتند از:
پروتون ها
نوترون ها

خواص اساسی هسته :


این خواص بر دونوع است که عبارتند از :

خواص مستقل از زمان : خواصی هستند که وابسته به زمان نیستند . مانند جرم ، اندازه ، بار
خواص وابسته به زمان : خواصی هستند که وابستگی به زمان دارند .مانند واپاشی پرتوزا و واکنش های هسته ای

جرم و بار هسته:


جرم هسته را می توان با فرمول زیر پیدا کرد : M=Z×Mh+N×Mn که در آن
M جرم هسته ، Mh جرم یک اتم هیدروژن یا جرم پروتون و Mn جرم نوترون می باشند .

شعاع هسته:


آزمایش های دقیق تر با بهره گیری از پراگندگی ذرات هسته ای دیگر و الکترون ها نشان داده اند شعاعی که در ان آثار هسته ای ظاهر می شود از رابطه زیر بدست می آید :
R=R0 A1/3 که در آن R0 ثابت شعاع دارای مقادیر زیر است R0=1.2 F , 1.4 F که در آن F نماد فرمی واحد طول هسته ای است و A جرم اتمی می باشند .

خواص دینامیکی هسته :
هسته ها مانند اتم ها می توانند در حالت برانگیخته با انرژی های معین باشند. گذارهای بین حالت های برانگیخته با گسیل تابش الکترو مغناطیسی صورت می گیرد «اشعه گاما).
هسته ها همچنین می توانند به یگدیگر تبدیل شوند بعضی از تبدیل ها خود به خود با گسیل الکترون های مثبت یا منفی «ذره بتا) یا گسیل ذره آلفا صورت می گیرد .
تبدیل های متنوعی را می توان توسط بمباران هسته ای القاء کرد .
قانون بقای ذرات: تعداد نوکلئون ها تحت هر شرایطی و هر تبدیلی پایسته است(مجموعشان ثابت است).

عدد جرمی


عدد جرمی عددی صحیح می باشد که مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های هسته یک اتم را مشخص می کند. به عبارتی دیگر عدد جرمی عبارت است از تعداد نوکلئون های هسته اتم. عدد جرمی اتم های عناصر با یکدیگر متفاوت می باشد. اختلاف میان عدد جرمی و عدد اتمی برابر است با تعداد نوترون های آن هسته. خواص شیمیایی و فیزیکی عناصر توسط عدد اتمی و عدد جرمی مشخص می شود. تمام اتم های یک عنصر دارای عدد اتمی یکسان می باشند که این عدد اتمی، ماهیت شیمیایی عنصر را مشخص می کند. اما ممکن است اتم های یک عنصر عدد جرمی متفاوتی داشته باشند که در این حالت به آن ایزوتوب آن عنصر می گویند. علت تفاوت عدد جرمی در اتم های یک عنصر ، تغییر تعداد نوترون های آن می باشد. پس عدد جرمی اتم های یک عنصر می تواند در خواص فیزیکی عنصر مانند : چگالی، جرم و ... تغییر ایجاد کند.
در نماد گذاری عدد جرمی را با A سمت راست و در بالا و عدد اتمی را با Z سمت راست ، پایین نماد عنصر می نویسند .
عدد جرمی بیشتر در واکنش های هسته ای مورد تحلیل قرار می گیرد ، زیرا عناصری وجود دارند که در برخی از ایزوتوپ هایشان پایدار و در برخی دیگر فعالیت رادیواکتیو از خود نشان می دهند. مثلا هیدروژن دارای سه ایزوتوپ ( عدد جرمی 1،2و3)می باشد که در دو ایزوتوپ 1 و2 ( پریتیم و دوتریم ) دارای هسته پایداری می باشد ، اما ایزوتوپ تریتیم ( ایزوتوپ3) دارای هسته ناپایداری می باشد .
در طبیعت ایزوتوپ های فراوانی از عناصر مختلف وجود دارند . امروزه با پیشرفت علم هسته ای ، در آزمایشگاه ها توانسته اند ایزوتوپ های جدیدی از عناصر مختلف تولید کنند بطوری برخی از آن ها در طبیعت وجود دارند.


عدد اتمی

عدد اتمی ( Z )، اصطلاحی است که در شیمی و فیزیک برای بیان تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم به کار می‌رود.

عدد اتمی اصولا شماره محل هر اتم در جدول تناوبی می‌باشد. وقتی مندلیف، عناصر شیمیائی شناخته شده را بر اساس تشابهاتشان در شیمی مرتب کرد، متوجه شد که قرار دادن دقیق آنها بر اساس جرم اتمی، ناهماهنگیهای را بوجود می‌آورد. او متوجه شد که اگر ید و تلوریوم بر اساس جرم اتمی‌شان قرار بگیرند، ترتیبشان غلط به نظر می رسد و وقتی در جدول در جای مناسب قرار خواهند گرفت که جابجا شوند. با قرار دادن آنها بر اساس نزدیکتر بودن خواص شیمیائی، شماره آنها در جدول تناوبی، همان عدد اتمی آنها بود. به نظر می‌رسید که این عدد تقریبا با جرم اتم نسبت دارد، اما همانطور که تفاوت جرم _ خواص شیمیای نشان داد، بازتاب خاصیت دیگری به جز جرم بود.

عجیب بودن این ترتیب، بالاخره بعد از تحقیقات Henry Gwyn Jeffries Moseley در سال1913 تشریح شد. موسلی کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب اشعه X عناصر و محل صحیح آنها در جدول تناوبی وجود دارد. بعدا نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته میباشد- به عبارت دیگر تعداد پروتونها-؛ و این بار الکتریکی است که خواص شیمیائی عناصر را بوجود می‌آورد، نه جرم اتمی.

نیم عمر

دید کلی:


یکی از مهمترین کمیتهای مشخصه مواد رادیو اکتیو ، نیم عمر آنها می‌باشد. یعنی مدت ‏زمانی که در طی آن نصف ماده اولیه تجزیه می‌شوند. تحقیقات انجام شده نشان ‏می‌دهد که از 1000000 اتم پلوتونیوم 218 ، موجود در یک نمونه تازه تهیه شده ماده ‏رادیواکتیو ، پس از 20 دقیقه فقط حدود 10000 اتم پلوتونیوم باقی می‌ماند و بقیه به ‏اتم‌های سرب 214 و محصولات نوزاد آن مبدل می‌شوند.

پس از تهیه نمونه خالصی از 218‏Po‏ ، برای آنکه 50% اتمهای موجود در آن تباهی پیدا ‏کنند، فقط 3 دقیقه زمان لازم است. در مورد رادیوم ( ‏‎Ra 226‏ ) ، 1620 سال طول ‏می‌کشد. برای آنکه نیمی از اتمهای رادیوم در یک نمونه تازه تهیه شده آن به اتمهای ‏رادن تبدیل می‌شوند. ‏




سرعت تباهی:‏


دو مثال بالا نمایانگر این واقعیت تجربی است که نمونه‌های عناصر رادیو اکتیو از لحاظ ‏سرعت تباهی باهم تفاوت بسیار دارند. اگر سرعتهای متفاوت حاصل از میانگینهای ‏رادیواکتیوی را در نظر بگیریم، هرگز نمی‌توانیم بگوییم که چه وقت دچار تباهی خواهند ‏شد. بعضی از آنها ممکن است به محض تولید شدن دچار تباهی شوند و بعضی ‏دیگر ممکن است هرگز تباهیده نشوند.



تجزیه رادیواکتیو:‏


به طور تجربی معلوم شده است که برای گروه بزرگی از اتمهای یک نوع ماده ‏رادیواکتیوی کسری از این اتمها که در هر ثانیه دچار تباهی می‌شوند، تعییرناپذیر است و ‏همیشه برای گروه بزرگی از اتمهای آن نوع ماده رادیواکتیو ، یکسان است. این کسر ‏تقریبا به طور کمی مستقل از تمام شرایط فیزیکی و شیمیایی ، مثلا دما ، فشار و ‏شکل ترکیب شیمیایی است.

این خواص برجسته رادیواکتیویته شایان توجه خاصی است. زیرا پایه‌ای برای فهم ‏رادیواکتیویته است. مثلا فرض کنید که 1000/1 اتمهای یک نمونه خالص تازه تهیه شده ‏در طول یک ثانیه تباهیده شوند. در این صورت انتظار خواهیم داشت که 1000/1 اتمهای ‏باقیمانده در یک ثانیه بعد دچار تباهی شوند. به این ترتیب 1000/1 اتمهای باقیمانده ‏پس از ده ثانیه نیز در طول ثانیه یازدهم تباهیده می‌شوند و همین طور تا آخر. ‏




نیم عمر چیست؟

واقع امر این است که در طول هر ثانیه متوالی از زمان 1000/1 اتمهای باقیمانده در آغاز ‏آن ثانیه دچار تباهی می‌شود. این عمل دست کم تا آنجا ادامه دارد که تعداد اتمهای ‏باقیمانده به قدری کوچک شوند که پیشگویی های ما بسیار نامطمئن باشد. چون کسری از ‏اتمها که در هر ثانیه نابود می‌شود، برای هر عنصر ثابت است.

عده اتمهایی که در واحد زمان دچار تباهی می‌شوند به نسبت کاهش عده اتمهایی ‏که هنوز تغییر نیافته‌اند، تقلیل می‌یابد.

برای اورانیوم 238 که مادر سری اورانیوم است، ‏‏نیم عمر ، 4.5 بیلیون سال است. این بدان معنی است که پس از ‏‎9 ‎‎4.5x10‎سال ، نصف اتمهای اورانیوم 238 دچار تباهی می‌شوند.

برای ‏پلونیوم 214 ، نیم عمر از مرتبه 4‎‏- ‏‎10ثانیه است. یعنی فقط در 10000/1 ‏ثانیه ، نصف یک نمونه اصلی از اتمهای ‏‎214Po‏ می‌شوند.


هرگاه نمونه‌های خالصی شامل عده اتمهای برابر ، از هر یک از آنها موجود باشد، ‏فعالیت اولیه (اتمهایی که در ثانیه دچار تباهی می‌شوند) پولونیم 214 بسیار قوی و ‏فعالیت اولیه اورانیوم 238 بسیار ضعیف خواهد بود. لیکن اگر حتی یک دقیقه بگذرد ‏پولونیم کلا نابود می‌شود و بنابراین ، عده اتمهای باقیمانده آن به قدری کم می‌شود ‏که در این حالت فعالیت پولونیم کمتر از فعالیت اورانیوم خواهد بود. ‏

محاسبه نیم عمر:


شاید مدتها پیش عناصری رادیواکتیو به مقدار زیاد وجود داشته و چنان به سرعت نابود شده‌اند که امروز هیچ اثر قابل اندازه‌گیری از آن به جا نمانده است. از طرف دیگر ‏بسیاری عناصر رادیو اکتیو چنان به کندی نابود می‌شوند که در حین هر بار آزمایش ‏عادی ، سرعتهای شمارش که تباهی را نشان می‌دهد، به نظر ثابت می‌ماند.‏

برای هر عنصر با نیم عمر ‏T½‎‏ ، صرف نظر از کهنگی نمونه ، پس از گذشت فاصله ‏زمانی ‏T½‎‏ بازهم نصف اتمهای آن باقی خواهد ماند. بنابراین ، نیم عمر را نباید به عنوان ‏علامت اختصاری برای "نصف یک عمر" تصور کرد. اگر نصف اتمهای اصلی پس از زمان ‏T½‎‏ بدون تغییر باقی بماند، پس از دو فاصله زمانی نیم عمر متوالی ‏T½‎‏ ، یک چهارم ‏‏(‏‎½‎‏×‏‎ ½‎‏) ، و پس از ‏T ½‎‏3 ، یک هشتم اتمها و همچنین تا آخر باقی خواهد ماند.‏

اتم



یک اتم کوچکترین جزء اصلی غیر قابل تقلیل یک سیستم شیمیایی می باشد این کلمه از کلمه یونانی atomos، غیر قابل تقسیم، که از a-، بمعنی غیر، و tomos، بمعنی برش، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم های شیمیایی یعنی اساسی ترین اجزاء مولکول ها و مواد ساده می باشد. اتم ها از طریق قابل تفکیک نیستند اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم معمولا میان 10pm تا100pm متفاوت است.
مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم های 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 «Rudjer Boscovich)راجر بسکوویچ آنرا احیاء نمود، و بعد از آن توسط «John Dalton)جان دالتون در شیمی بکار برده شد.
راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:


Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium


چاپ نمود.



براساس نظریه بوسویچ، اتمها نقاط بی اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده، استفاده نمود. در اثر تلاش «Amendo Avogadro)آمندو آواگادرو در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم ها و مولکولها را درک نمایند. در عصر مدرن اتم ها را بصورت تجربی مشاهده شدند.
در آزمایش ها نیز مشخص گردید که اتمها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هستهای ( پروتونها و نوترونها)، و بقیه اتم فقط از پوسته های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم های با تعداد مساوی الکترون و پروتون، از نظر الکتریکی خنثی هستند.


اتم ها عموما بر حسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتونهای آن اتم می باشد، طبقه بندی می شوند. برای مثال، اتم های کربن اتم هایی هستند که دارای شش پروتون میباشند. تمام اتمهای با عدد اتمی مشابه، دارای خصوصیات فیزیکی متوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می دهند. انواع گوناگون اتمها در جدول تناوبی لیست شده اند. اتمهای دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (به علت تعداد متفاوت نوترونهای آنها) ایزوتوپ نامیده می شوند.


ساده ترین اتم، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی، خصوصا در اوایل شکل گیری نظریه کوانتوم، بسیار مورد علاقه بوده است.


واکنش شیمیایی اتم ها بطور عمده ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترونهای آن می باشد. خصوصا الکترونهایی که در خارجی ترین لایه اتمی قرار دارند بنام الکترونهای ظرفیتی، بیشترین اثر را در واکنشهای شیمیایی نشان می دهند. الکترونهای مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر میباشند ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی، نقش ثانوی است.


اتم ها 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 جداکردن کامل الکترونها از اتمهای دیگر فراهم میشود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کوالانسی میان دو اتم تشکیل می گردد. پیوندهای کوالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی می باشند.


هنگامیکه بوسیله اتم، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می گردد، یونها ایجاد می شوند. یونها اتم هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو نها و الکترونها، دارای بار الکتریکی ویژه می شوند. یونهایی که الکترون(ها) را بر می دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون(ها) را از دست می دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد. کاتیونها و آنیونها بعلت نیروی کولمبیک(coulombic) میان بارهای مثبت و منفی، یکدیگر را جذب می نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده می شود و از پیوند کوالانسی ضعیفتر است.


همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتی ایجاد میشود که در آن الکترونها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می شود، درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد میگردد که الکترون ها کاملا در انحصار آنیون قرار میگیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر، هیچکدام از این توصیف ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کوالانسی، الکترونها بطور نامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم های با بار الکتریکی منفیتر می کنند، که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواص یونی می گردد. بطور مشابهی، در پیوندهای یونی الکترونها اغلب در مقاطع کوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت تر می چرخند، که باعث ایجاد بعضی از خواص کووالانسی در پیوند یونی می گردد.







مدل های اتمی

مدل های اتمی «دماکریتوسDemocritus)
مدل دسر آلو (plum pudding Model)
مدل دالتون
مدل تامسون
مدل اتمی رادرفورد
مدل بوهر (Bohr model)

منبع گروه نابغه ها