مدل های گوناگونی برای اتم

به یاد دارید که دموکریت برای اتم ها شکل های گوناگونی تصور می کرد. در حالی که دالتون اتم ها را ذره هایی کروی می دانست. اتم آن قدر کوچک است که نمی توان آن را دید اما مانند جسمی که درون جعبه است و دیده نمی شود، می توان با بررسی رفتاری که از خودشان می دهد، در مورد شکل دو ویژگی های آن حدسهایی زد. جوزف تامسون دانشمند انگلیسی، دیدگاه دالتون مبنی بر کروی بودن شکل اتم را پذیرفت اما برخلاف او که اتم را مانند یک ساچمه فنری، کره ای توپر و سفت و بدون ساختار درونی تصور می کرد، تامسون درباره ساختار اتم نظر دیگری داشت:

چهارده سال پس از تامسون یعنی در سال ۱۹۱۱ میلادی ارنست رادفورد دانشمند نیوزیلندی در دوستی مدل تامسون برای اتم تردید کرد. وی پس از آزمایش های بسیار ساختار دیگری برای اتم پیشنهاد کرد و مدل تازه ای برای آن ارائه داد.

رادفورد در مدل خود بار مثبت هسته ای اتم را به ذره هایی به نام پروتون نسبت داد. بارالکتریکی پروتون به اندازه ی بار الکترون است. در حالی که اندازه گیریها نشان داده است که جرم پروتون حدود دو هزار بار بیشتر از جرم یک الکترون است.
دو سال پس از رادفورد یعنی در سال ۱۹۱۳ میلادی، نیلز بورد دانشمند دانمارکی، مدل اتمی رادفورد را برای توجیه برخی از ویژگیهای اتم نارسا دانست و از این رو مدل دیگری برای اتم پیشنهاد کرد.
گفتنی است مدل بور علیرغم نارسا بودن اطلاعات سودمندی درباره ساختار هر اتم در اختیار ما می گذارد.

دیگر ذره های سازنده اتم :

جیمز چاد و یک دانشمند انگلیسی، ۲۰ سال پس از بور کشف کرد که در هسته ی اتم علاوه بر پروتون، ذره دیگری نیز وجود دارد. او این ذره را که جرم آن تقریباً با جرم پروتون برابر است بارالکتریکی ندارد. نوترون به این ترتیب، وجود سه ذره ساختار اتم ثابت شد.

همان طور که می دانید ۱۰۹ عنصر شناخته شده است. اتم های سازنده ی هر یک از این عنصرها، عدد اتمی ویژه خود را دارند. برای نمونه، اتم هیدروژن ساده ترین اتم شناخته شده است و تنها یک پروتون هسته ای آن را می سازد، عدد اتمی این اتم یک است. عنصر بعد از هیدروژن هلیم است. این عنصر دو پروتون و دو نوترون در هسته خود دارد. بنابراین عدد اتمی آن ۲ است. اگر عنصرهای شناخته شده را به ترتیب افزایش عدد اتمی آن ها، کنار هم قرار دهیم، جدولی بدست می آید که به آن جدول تناوبی عنصرها می گویند. در این جدول برای نمایش عنصرها از نمادهای ویژه ای استفاده می کنند که نمادهای شیمیایی نامیده می شوند. عدد اتمی و عدد جرمی، دو ویژگی مهم یک اتم به شمار می اید. این دو ویژگی را بصورت عددهایی در سمت چپ نماد شیمیایی عنصر می نویسند. برای مثال (اتم هلیم، با دو پروتون (عدد اتمی :۲) و دو نوترون (عدد جرمی ۴=۲+۲) به صورت زیر نشان داده می شود:

نمادهای شیمیایی :

همان گونه که گفتیم به حروفی که در هر خانه ی جدول تناوبی عنصرها می بینید نماد شیمیایی می گویند. برای نمایش هر عنصر به جای نوشتن نام کامل آن از این نمادهای یک یا دو حرفی استفاده می شود.این نماد بیشتر از نام لاتین عنصرها گرفته شده اند. برای مثال، هیدروژن را با حرف H نشان می دهند. H نخستین حرف از نام لاتین این عنصر یعنی Hydrogen است. هم چنین نیتروژن را با حرف N نشان میدهند. این حرف نیز نخستین حرف از نام لاتین این عنصر یعنی Nitrogen است نام و نشانه ی شیمیایی برخی عنصرها در ص ۸ کتاب وجود دارد.

همان گونه که در جدول صفحه پیش دیده می شود در نشانه ی شیمیایی دو حرفی فقط حرف نخست را بزرگ می نویسند. برای مثال عنصر کلیسیم را با نشانه Ca نشان می دهند. نخستین حروف را به شکل C نشان می دهند. نخستین حرف را به شکل C(حرف بزرگ) و دومین حرف را به صورت a(حرف کوچک) می نویسند.
اتم هایی که عدد اتمی یکسانی دارند ولی عدد جرمی آن ها با هم تفاوت می کند، در یک خانه از جدول تناوبی عنصرها قرار می گیرند. دانشمندان به چنین اتم هایی هم مکان یا ایزوتوپ می گویند. در واقع ایزوتوپ ها تنها در تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند و این سبب می شود که جرم ایزوتوپ ها با هم متفاوت باشد. ایزوتوپ ها یک عنصر خواص شیمیایی دارند اما به عتل تفاوت اندکی که در جرم آنها وجود دارد، در برخی از خواص فیزیکی وابسته به جرم مانند چگالی،‌تفاوت های ناچیزی با یکدیگر دارند.

مقایسه کنید
جدول اتمی تامسون و مدل اتمی رادفورد چه شباهت ها و چه تفاوت هایی با یکدیگر دارند؟

شباهت ها :
‌۱ – در هر دو مدل اتم کروی شکل است.
۲ – در هر دو مدل الکترون دارای بار منفی است
۳ – هر دو مدل اتم خنثی است و هر دو به یک اندازه بار مثبت و منفی دارند

تفاوت ها:

۱ – در مدل تامسون، بار مثبت خمیر کیک است. در مدل رادفورد، هسته در مرکز اتم و عمده جرم اتم را تشکیل می دهد.
۲- در مدل تامسون اتم تو پر و سفت است اما در مدل رادفورد بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می دهد.
۳ – در مدل اتمی تامسون، الکترون ها مانند کشمش درون خمیری از بار مثبت پخش شده اند. اما در مدل اتمی رادفورد، هسته ی اتم به وسیله ی الکترون ها محاصره شده است.

مقایسه کنید .
مدل اتمی رادفورد با مدل اتمی بور چه شباهت ها و تفاوت هایی با یکدیگر دارند؟ شباهت ها :

۱- در هر دو، هسته در مرکز قرار دارد
۲ – در هر دو هسته دارای بار مثبت و الکترون دارای بار منفی است
۳ – حجم هسته ی اتم در مقایسه با حجم اتم بسیار کوچک است.

تفاوت ها :
۱- د رمدل اتمی رادفورد، هسته ی اتم به وسیله الکترون ها محاصره شده است، اما در مدل بور، الکترون ها در مدارهایی به دور هسته می چرخند.

فکر کنید :
مدل اتمی بور برای سه اتم مختلف در شکل زیر نشان داده شده است.

۱ – تعداد الکترون ها ، پروتون ها و فوترون ها را در هر اتم مشخص کنید.

۲ – به مجموع تعداد پروتون های یک اتم، عدد اتمی آن می گویند.عدد اتمی هر اتم را مشخص کنید.

۳ = تعداد پروتون = عدد اتمی (اتم سمت چپ)
۳ = تعداد پروتون = عدد (اتم وسط)
۴ = تعداد پروتون = عدد اتمی (اتم سمت راست)

۳ – کدام اتم سنگین تر است؟ چرا؟

عدد جرم اتمی سمت راست بیشتر از اتم وسط و اتم وسط بیشتر از سمت چپ است پس اتم سمت راست سنگین تر از بقیه اتم هاست. زیرا عدد جرمی آن از بقیه بیشتر است.

مقایسه کنید : ص ۱۱ مدل بور در سه اتم در شکل روبه رو نشان داده شده است:

۱ – این سه اتم چه شباهتی با یکدیگر دارند؟
عدد اتمی همه ی آنها با هم برابر است و تعداد الکترون های آنها نیز با هم برابر است.

۲ – این اتم ها چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟
عدد جرمی این سه اتم با هم متفاوت است.

۳ – هر یک از این اتم ها به چه عنصری تعلق دارند؟
هر سه این اتم ها، اتم هیدروژن هستند.

۴- عدد اتمی و عدد جرمی هر یک از آن ها را معین کنید.
عدد اتمی آن ها برابر یک است. چون هر یک فقط یک پروتون دارند. عدد جرمی اتم است سمت چپ یک ، اتم وسط دو اتم سمت راست برابر سه است.

فکر کنید :
برای اکسیژن سه ایزوتوپ در طبیعت یافت می شود. جدول رو به رو این ایزوتوپ ها و فراوانی آنها را در طبیعت نشان می دهد.
۱ – عددهای نوشته شده در سمت چپ – بالا و پایین نماد شیمیایی ، چه معنایی دارند؟

کدام ایزوتوپ اکسیژن از همه سبک تر است؟ چرا؟
ایزوتوپ ۱۶ از همه سبک تر است . چون عدد جرمی آن از بقیه کم تر است.

کدام ایزوتوپ اکسیژن در طبیعت بیشتر یافت می شود؟
ایزوتوپ ۱۶ اکسیژن در طبیعت بیشتر یافت می شود.