موضوعاتی که در شیمی سطح A مطالعه می کنید بر اساس دانشی است که در شیمی GCSE به دست آورده اید، و یکی از موضوعاتی که به طور کامل تر بررسی خواهید کرد، ساختار اتمی است.
این شامل یادگیری این است که چگونه مدل اتمی مدرن در طول زمان توسعه یافته است، از نظریه اتمی دالتون، تا مدل های اتمی تامسون، رادرفورد، و بور، و اینکه چگونه این دانشمندان راه را برای مدل مکانیک کوانتومی شرودینگر از اتم هموار کردند.
ساختار اتمی
محور توسعه شیمی به عنوان یک پیگیری علمی، به جای یک گزاره فلسفی صرف، ایده اتم و دانش ساختار اتمی است.
از زمان‌های قدیم، مردم به این فکر می‌کردند که بنیادی‌ترین ساختار واقعیت فیزیکی، به‌ویژه ساختار ماده چیست. امروزه می دانیم که ساختار اتمی شامل الکترون هایی با بار منفی است که به دور یک هسته با بار مثبت می چرخند. همچنین می دانیم که هسته اتم حاوی پروتون (با بار مثبت) و نوترون (با بار منفی) است.
در حالی که این دانش در عصر مدرن ما اساسی است، قرن ها تحقیق و آزمایش علمی طول کشید تا ما بفهمیم ساختار اتمی چگونه کار می کند.
اگر چه فیلسوف یونان باستان، دموکریتوس (460 – 370 قبل از میلاد)یکی از اولین متفکرانی بود که ایده ذره ای تقسیم ناپذیر و بنیادی به نام اتم (از واژه یونانی) را مطرح کرد. اتم، به معنای غیرقابل تقسیم)، نظریه علمی امروزی ساختار اتمی تنها در اوایل دهه 1800 شروع شد.
نظریه اتمی دالتون
همانطور که از جدول زمانی بالا می بینید، دانشمند بریتانیایی،
- تمام مواد از ذرات بنیادی به نام اتم تشکیل شده است و این ذرات غیر قابل تقسیم هستند
- اتم های یک عنصر یکسان هستند از نظر جرم و خواص شیمیایی
- ترکیبات ترکیبی از دو یا چند نوع اتم هستند
- واکنش های شیمیایی به بهترین شکل توصیف می شوند توسط بازآرایی های انواع مختلف اتم ها در واکنش دهنده ها
مسائل مربوط به نظریه اتمی دالتون. قابل توجه ترین ادعای او بود که اتم ها تقسیم ناپذیر هستند. این در سال 1897 زمانی که جی جی تامسون اولین ذره زیر اتمی را کشف کرد رد شد: الکترون.
مدل اتم تامسون
در سال 1904، سر جوزف جان تامسون، معروف به جی جی تامسون، مدل بهبود یافته ای از اتم را ارائه کرد که بر اساس آزمایش های او با لوله های پرتو کاتدی بود. این به طور عمومی به عنوان معروف شد مدل پودینگ آلو.
در سال 1897، تامسون کشف کرد که اتم‌های فلزات، مانند تنگستن، که در داخل یک لوله خلاء مهر و موم شده‌اند، هنگامی که جریان الکتریکی به آنها وارد می‌شود، ذرات با بار منفی از خود ساطع می‌کنند. این ذرات الکترون نامیده می شدند.
شف الکترون ها نشان داد که این ذرات زیراتمی می توانند از خلاء بدون هیچ گونه مواد رسانایی مانند سیم های فلزی یا هوا عبور کنند. الکترون ها را نیز می توان به راحتی با استفاده از آهنربا منحرف کرد و بر اساس این واقعیت، جرم آنها تقریباً صفر محاسبه شد.
تامسون حدس زد که یک اتم باید از ذراتی با بار منفی تشکیل شده باشد که روی یک کره یکنواخت از ماده با بار مثبت قرار گرفته اند. از آنجایی که اتم ها دارای بارهای خنثی هستند، او نتیجه گرفت که یک بار مثبت برابر تعادل ایجاد می کند.
با این حال، مدل پودینگ آلو تامسون در نهایت به دلیل ناتوانی آن در توضیح چندین مشاهدات، مانند ثبات یک اتم، یا توزیع ذرات مثبت و منفی، شکست خورد. اینجاست که رادرفورد وارد عمل شد.
مدل اتمی رادرفورد
در سال 1911، پس از سالها تحقیق و آزمایش بر روی عناصر رادیواکتیو، فیزیکدان متولد نیوزیلند ارنست رادرفورد ذرات آلفا و بتا را کشف کرد. دومی یا پوزیترون یا الکترون است، در حالی که اولی هسته های با بار مثبت هلیوم هستند.
این امر روشن کرد که اتم را می توان بیشتر به ذرات زیراتمی تقسیم کرد که فراتر از الکترون ها هستند. در نتیجه این افشاگری، مدل پودینگ آلو باید کنار گذاشته می شد و مدل جدیدی از اتم متولد شد.
رادرفورد به جای اینکه بار مثبت به طور مساوی توزیع شود، همانطور که تامسون تئوری کرد، متوجه شد که در مرکز اتم متمرکز شده است، در حالی که بار منفی بیشتر پخش شده است. او این را از معروف خود استنباط کرد برای این آزمایش:
- رادرفورد یک تکه ورقه طلا را با یک بمب بمباران کرد پرتو ذرات آلفا
- اکثر ذرات عبور کردند و به آشکارساز طرف دیگر فویل ضربه بزنید
- در همین حال، برخی منحرف شدند و دیگران برگشتند
این آزمایش نشان داد که ورق طلا عمدتاً در سطح اتمی توخالی است و ذرات جامد کوچکتر اما بزرگتر در مرکز آن وجود دارد.
رادرفورد پیشنهاد کرد که الکترون‌ها به جای ثابت بودن، مانند سیاراتی که به دور خورشید می‌چرخند، حول جرم و بار مرکزی اتم می‌چرخند.
مدل اتم بور
اگرچه مدل رادرفورد موفقیت آمیز بود، اما اشکالاتی داشت که عمده ترین آنها نحوه توصیف حرکت الکترون ها بود. در سال 1913، نیلز هنریک دیوید بور، فیزیکدان دانمارکی، مدل رادرفورد را با این استدلال که اگر الکترون ها مانند سیارات حرکت می کنند، مدار آنها بسیار ناپایدار خواهد بود، بهبود بخشید.
بر اساس مکانیک کلاسیک و تئوری الکترومغناطیسی، هر ذره باردار که در یک مسیر منحنی حرکت می کند، تابش الکترومغناطیسی ساطع می کند. این بدان معنی است که الکترون ها به ناچار انرژی خود را از دست می دهند و به سمت مرکز اتم می روند.
در نتیجه این منطق، بور یک مدل اتمی جدید پیشنهاد کرد. او فرض کرد که الکترون ها در مدارهایی با فضا و انرژی ثابت حرکت می کنند. انرژی مدارها با دور شدن الکترون ها از هسته بیشتر می شود. انتشار تابش الکترومغناطیسی تنها زمانی رخ می دهد که الکترون ها از سطوح انرژی پایین تر به سطوح انرژی بالاتر پرش کنند.
رادرفورد و بور هر دو فرض کردند که الکترون ها ذرات جامدی هستند که در اطراف هسته حرکت می کنند. هر دو دانشمند همچنین فرض کردند که الکترون ها مسیرهای مداری ثابتی را دنبال می کنند. با این حال، اگر الکترون ها ذرات جامد با حجم و مکان مشخص در یک زمان خاص باشند، برخی از رفتارهای الکترون ها را نمی توان به طور رضایت بخشی توضیح داد.
در سال 1926، اروین شرودینگر مدل بهبود یافته دیگری از اتم را پیشنهاد کرد. شرودینگر به جای ذرات دارای قطرهای ثابت و مدارهای ثابت، الکترون ها را به عنوان امواج در نظر گرفت. او معادلات تابع موج را اعمال کرد و آن را ایجاد کرد مدل مکانیکی کوانتومی اتم. در اینجا، الکترون به عنوان یک موج ایستاده در نظر گرفته شد که شکل یا مکان مشخصی ندارد.
مدل مکانیکی کوانتومی اتم بسیاری از موارد را اصلاح کرد محدودیت های مدل بور. مدل شرودینگر توانست:
- آشتی دادن اصل عدم قطعیت هایزنبرگ با رفتارهای الکترون با فرض اینکه قطر ثابتی ندارد و اگر سرعت مشخص باشد نمی توان مکان دقیق را تعیین کرد
- پیش بینی های طیفی بهتری برای اتم های بزرگتر انجام دهید، برخلاف مدل بور که فقط با اتم های هیدروژن کار می کرد
- شدت نسبی خطوط طیفی را پیش بینی کنید هنگامی که در طول تجزیه و تحلیل طیفی گرم می شود توسط اتم ها ساطع می شود
مدل مکانیکی کوانتومی شرودینگر از اتم بهترین مدل اتمی است که تاکنون داشته ایم. می تواند به درستی بسیاری از رفتارهای اتم از جمله پیوندهای شیمیایی را پیش بینی و توضیح دهد. این مدل همچنین اوربیتال هایی با سطوح انرژی مختلف را برای ابرهای الکترونی اختصاص داد. این یک مدل ریاضی دقیق است که به دانشمندان اجازه می دهد بازده انرژی اتم ها را محاسبه کنند.
به دنبال منابع بیشتری در سطح A شیمی هستید؟ راهنمای بازبینی و سایر مقالات ما را بررسی کنید.