نوشته بلاگ

ساختار اتم

اَتُم (به یونانی: Άτομο به معنی «ناگسستنی») کوچکترین واحد تشکیل دهنده یک مادهٔ ساده است که می‌تواند به کمک پیوند شیمیایی به اتمی دیگر متصل گردد. تئوری مکتب اتم گرایی که از عقیدهٔ تشکیل مواد از ریزدانه‌های نادیدنی (در برابر عقیده به تفکیک‌پذیر بودن مواد به ذرات نامتناهی) دفاع می‌کرد از تاریخ باستان شناخته شده بود . ابتدا توسط دانشمند ایرانی هوشتانه ( به یونانی اوستن یا اوستانوس ) که در لشگرکشی خشایارشاه به یونان با او همراه بود و در آنجا به آموزش کیمیا می پرداخت طرح گردید . مکتب آموزشی او چنان مورد استقبال قرار گرفت که بنا به گفتهٔ پلینی(پلینیوس)، بسیاری از فیلسوفان یونان همچون فیثاغورث، امپدکلس، دموکریت، و افلاطون برای مطالعهٔ آن به خارج سفر کردند . پس از او توسط فلاسفهٔ یونان باستان از جمله لئوکیپوس و شاگرد وی دموکریت وهمچنین بعدها در هند و در یکی از شش مدرسهٔ هندوئیسم یعنی وایشِشیکا که توسط کاناد بنیان نهاده شده بود، تدریس می‌شد. اتم از یک هسته مرکزی با بار مثبت محاطه شده با ابر الکترونی با بار منفی تشکیل شده است. تعریف دیگری آن را به عنوان کوچکترین واحدی در نظر می‌گیرد که ماده را می‌توان به آن تقسیم کرد بدون اینکه اجزاء بارداری از آن خارج شود. اتم ابری الکترونی، تشکیل‌شده از الکترونها با بار الکتریکی منفی، که هستهٔ اتم را احاطه کرده‌است. هسته نیز خود از پروتون که دارای بار مثبت است و نوترون که از لحاظ الکتریکی خنثی است تشکیل شده‌است. زمانی که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتریکی در حالت خنثی یا متعادل قرار دارد در غیر این صورت آن را یون می‌نامند که می‌تواند دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی باشد. اتم‌ها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آنها طبقه‌بندی می‌شوند. تعداد پروتون‌های اتم مشخص کننده نوع عنصر شیمیایی و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کننده ایزوتوپ عنصر است.

نظریه مکانیک کوانتومی تصویر پیچیده‌ای از اتم ارائه می‌دهد و این پیچیدگی دانشمندان را مجبور می‌کند که جهت توصیف خواص اتم بجای یک تصویر متوسل به تصاویر شهودی متفاوتی از اتم شوند. بعضی وقت‌ها مناسب است که به الکترون به عنوان یک ذره متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهی مناسب است به آنها عنوان ذراتی که در امواجی با موقعیت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزیع شده‌اند نگاه کرد. ساختار مدارها تا حد بسیار زیادی روی رفتار اتم تأثیر گذارده و خواص شیمیایی یک ماده توسط نحوه دسته‌بندی این مدارها معین می‌شود.

اجزا

جهت بررسی اجزاء یک ماده، می‌توان به صورت پی در پی آن را تقسیم کرد. اکثر مواد موجود در طبیعت ترکیب شلوغی از مولکول‌های مختلف است. با تلاش نسبتاً کمی می‌توان این مولکول‌ها را از هم جدا کرد. مولکول‌ها خودشان متشکل از اتم‌ها هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به هم پیوند خورده‌اند. با مصرف انرژی بیشتری می‌توان اتم‌ها را از مولکول‌ها جدا کرد. اتم‌ها خود از اجزاء ریزتری بنام هسته و الکترون تشکیل شده که توسط نیروهای الکتریکی به هم پیوند خورده‌اند و شکستن آنها انرژی بسی بیشتری طلب می‌کند. اگر سعی در شکستن این اجرا زیر اتمی با صرف انرژی زیاد بکنیم، کار ما باعث تولید شدن ذرات جدیدی می‌شویم که خیلی از آنها بار الکتریکی دارند.پ همان‌طور که اشاره شد اتم از هسته و الکترون تشکیل شده‌است. جرم اصلی اتم در هسته قرار دارد؛ فضای اطراف هسته عموماً فضای خالی می‌باشد. هسته خود از پروتون (که بار مثبت دارد)، و نوترون (که بار خنثی دارد) تشکیل شده. الکترون هم بار منفی دارد. این سه ذره عمری طولانی داشته و در تمامی اتم‌های معمولی که به صورت طبیعی تشکیل می‌شوند یافت می‌شود. بجز این سه ذره، ذرات دیگری نیز در ارتباط با آنها ممکن است موجود باشد؛ می‌توان این ذرات دیگر را با صرف انرژی زیاد نیز تولید کرد ولی عموماً این ذرات زندگی کوتاهی داشته و از بین می‌روند.

اتم‌ها مستقل از اینکه چند الکترون داشته باشند (۳ تا یا ۹۰ تا)، همه تقریباً یک اندازه دارند. به صورت تقریبی اگر ۵۰ میلیون اتم را کنار هم روی یک خط بگذاریم، اندازه آن یک سانتیمتر می‌شود. به دلیل اندازه کوچک اتم‌ها، آنها را با واحدی به نام آنگستروم که برابر ۱۰- ۱۰ متر است می‌سنجند.

ذرات زیراتمی

با وجود اینکه منظور از اتم ذره‌ای تجزیه ناپذیر بود، امروز می‌دانیم که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده‌است. الکترونها، پروتونها و نوترونها ذرات تشکیل دهندهٔ اتم هستند. الیته یون هیدروژن بدون الکترون و نیز هیدروژن-۱ بدون نوترون است.

در مدل استاندارد، الکترون‌ها ذرات بنیادی، یعنی بدون ساختار داخلی، پنداشته می‌شوند؛ در حالی که پروتون‌ها و نوترون از ذرات دیگری به نام کوارک تشکیل شده‌اند.

هسته

هسته دارای نوترون و پروتون است. پروتون دارای بار مثبت (+) و نوترون بدون بار است؛ و در خارج از هسته الکترون وجود دارد که بار آن منفی(-)است.

ابر الکترونی

این مدل پیشنهاد شده تنها از یک شخص منتشر نشده و ایده چندین دانشمند و محقق در سال ۱۹۳۵ می‌باشد در این مدل مانند مدل بور (منظومه شمسی) هسته عمده جرم اتم را تشکیل می‌دهد و در مرکز، الکترون با انرژی مختلف به دور هسته در گردش می‌باشد و الکترونها در لایه‌ای با انرژی معینی وجود ندارند.

مدل‌های اتمی

مدل اتمی دموکریت

دموکریت در ۵۰۰سال قبل از میلاد اوّلین تحقیق‌ها را در رابطه با اتم انجام داد. البته نتایج آزمایش‌ها او امروزه هیچ‌کدام مورد قبول نیست اما اصلی‌ترین گام در راستای تحقیق در رابطه با اتم بود. نام اتم به معنای تجزیه ناپذیر را نیز او انتخاب کرد. نظریه‌های او بسیار ابتدایی بود اما باید توجه داشت که تا زمانی که نمی‌توان اتم را به چشم دید صحبت در رابطه با آن نیز تنها حدس است. او بر این عقیده بود که:

    ماده ساختار ذرّه‌ای دارد یعنی از ذرّه‌ها بسیار کوچکی ساخته شده‌است که خود آن را می‌توان تجزیه ناپذبر نامید.

    اتم مواد مختلف در شکل بایکدیگر متفاوت است. برای مثال مواد تیز و برنده یا ترش دارای اتمی با لبه‌های تیز به شکل‌هایی چون مثلث هستند یا مواد نرم و شیرین دارای شکلی دایره‌ای است. (البته این مورد در نظرات بعدی کاملاً رد شد)

مدل اتمی دالتون

نظریهٔ اتمی دالتون: دالتون نظریه اتمی خود را با اجرای آزمایش در هفت بند بیان کرد.

    ماده از ذره‌های تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده‌است.

    همهٔ اتم‌های یک عنصر، مشابه یکدیگرند.

    اتم‌ها نه به وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند.

    همهٔ اتم‌های یک عنصر جرم یکسان و خواص شیمیایی یکسان دارند.

    اتم‌های عنصرهای مختلف به هم متصل می‌شوند و مولکولها را به وجود می‌آورند.

    در هر مولکول از یک ماده مرکب معین، همواره نوع و تعداد نسبی اتم‌های سازنده ی آن یکسان است.

    واکنش‌های شیمیایی شامل جابه جایی اتم‌ها و یا تغییر در شیوهٔ اتصال آن‌ها است.

نظریه‌های دالتون نارساییها و ایرادهایی دارد و اما آغازی مهم بود. مواردی که نظریهٔ دالتون نمی‌توانست توجیه کند:

    پدیدهٔ برقکافت (الکترولیز) و نتایج مربوط به آن

    پیوند یونی – فرق یون با اتم خنثی

    پرتو کاتدی

    پرتوزایی و واکنش‌های هسته‌ای

    مفهوم ظرفیت در عناصر گوناگون

    پدیدهٔ ایزوتوپی

قسمت اول نظریهٔ دالتون تأیید فیلسوف یونانی (دموکریت) بود.

نظریهٔ دالتون از سه قسمت اصلی (قانون بقای جرم – قانون نسبت‌ها معین – قانون نسبت‌های چندگانه) می‌باشد.

مطالعهٔ اتم‌ها و ذرات ریزتر فقط به صورت غیرمستقیم و از روی رفتار (خواص) امکان‌پذیر است.

اولین ذرهٔ زیراتمی شناخته شده الکترون است. مواردی که به کشف و شناخت الکترون منجر شد:

    الکتریسیتهٔ ساکن یا مالشی

    پدیدهٔ الکترولیز (برقکافت)

    پرتو کاتدی

    ۴پدیدهٔ پرتوزایی

مدل اتمی جوزف تامسون انگلیسی

مدل اتمی تامسون (کیک کشمشی، مدل هندوانه ای یا ژله میوه دار)

    الکترون با بار منفی، درون فضای ابرگونه با بار مثبت، پراکنده شده‌اند.

    اتم در مجموع خنثی است. مقدار بار مثبت با بار منفی برابر است.

    این ابر کروی مثبت، جرمی ندارد و جرم اتم به تعداد الکترون آن بستگی دارد.

    جرم زیاد اتم از وجود تعداد بسیار زیادی الکترون در آن ناشی می‌شود.

مدل اتمی ارنست رادرفورد نیوزلندی

۱)هر اتم دارای یک هسته کوچک است که بیشتر جرم اتم در آن واقع است.

۲)هسته اتم دارای بار الکتریکی مثبت است.

۳)حجم هسته در مقایسه با حجم اتم بسیار کوچک است زیرا بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد.

۴)هسته اتم بوسیله الکترونها محاصره شده‌است.

مدل اتمی نیلز بور

او یکی از محققان موفق در این راه بود که با وجود اشتباه بودن مدل او بازهم در خیلی مکان‌ها مانند انرژی اتمی از آن استفاده می‌شود.

    اتم دارای هسته کوچک اما سنگین با بار مثبت است

    هسته در اتم در حجم کمی قرار دارد که اطراف آن الکترون‌ها بر روی مدارهایی مانند منظومه شمسی به دور آن می‌چرخند.

اطلاعات جدیدی اضافه شد:

همچنین ایشان بر این باور بودند که الکترون‌ها بر روی مدارهایی به دور هستهٔ اتم پیوسته در حال گردش اند و این نظریه علاوه بر نارسا بودن اطلاعات

سودمندی در رابطه با ساختار اتم می‌دهد، منطور از نارسا بودن این است که شکل‌های الکترون‌ها به صورت ناقص ترسیم شده می‌باشد در حالی که امروزه می‌دانیم

نظریه کامل تری با نام مد لایه‌ای عرضه شده‌است.

مدل اتمی جیمز چادویک

قطعاً مدل اتمی بور با نغس قابل توجهی رو به رو بود، آن هم نبود نوترون یا ماده‌ای که دافعه‌ای که بین پروتون‌ها در مرکز هسته را از بین ببرد وجود نداشت و بنابر این چادویک بر درستی مدل منظومه شمسی نیلز بور تاکیید کرد اما نقص آن را با توضیح وجود نوترون در هستهٔ اتم کامل کرد و از آن به بعد اصلاحات دیگری بر روی هستهٔ اتم انجام نشده است ولی البته دانشمندان بزرگی همچون اروین شرودینگر هم بعد از او نیز نظریات اتمی زیادی دادن ولی هنوز هم کاملترین نظریه متعلق به جیمز چادویک (در رابطه با هسته اتم) است

مدل اتمی لایه‌ای

یک مدل اتمی است که امروزه پذیرفته شده‌است ولی هنوز از مدل اتمی بور برای نمایش اتم استفاده می‌شود. در این مدل مانند مدل بور هسته که عمدهٔ جرم اتم را تشکیل داده در مرکز اتم قرار دارد و الکترون‌ها با انرژی‌های مختلف به دور هسته در حال گردش هستند. با این تفاوت که در این مدل الکترون‌ها به شکل ابری که ابر الکترونی نامیده شده‌است در اطراف هسته اتم و در فضای بسیار بزرگی که قطر آن ۱۰۰۰۰ برابر قطر هستهٔ اتم است در حرکتند.

شنیده شدن صدای اتم

محققان دانشگاه صنعتی چالمرز سوئد برای نخستین بار از صوت برای برقراری ارتباط با یک اتم مصنوعی استفاده کردند. تعامل بین اتم و نور پدیده‌ای شناخته شده است و به طور وسیعی در دانشکوانتومی به کار می‌رود، با این حال دستیابی به همان میزان تعامل با استفاده از امواج صوتی فرآیندی چالشبرانگیزتر است. هماکنون، محققان دانشگاه چالمرز موفق به جفتکردن امواج صوتی با یک اتم مصنوعی شدهاند و این موفقیت با همکاری فیزیکدانان نظری و تجربی حاصل شده است. ‏ «پر دلسینگ‏»، رهبر تیم تحقیقاتی تجربی، در اینباره گفت: با صحبتکردن و گوشدادن به اتم‌ها دریچه جدیدی را به جهان کوانتومی گشودهایم. هدف بلندمدت ما مهارکردن فیزیک کوانتومی است به طوری که بتوانیم از قوانین آن نهایت استفاده را به طور مثال، در ساخت رایانه‌های بینهایت پرسرعت ببریم. ما این کار را با خلق مدارهای الکتریکی انجام می‌دهیم که از قوانین کوانتومی طبعیت می‌کند. وی ادامه داد: یک اتم مصنوعی مثالی از چنین مدار الکتریکی کوانتومی است و درست مانند یک اتم طبیعی می‌توان آن را با انرژی شارژ کرد. این انرژی معمولاً در شکل یک ذره ساطع می‌شود که این ذره، معمولاً یک ذره نور است. با این حال، اتم موجود در آزمایش دانشمندان دانشگاه چالمرز برای ساطعکردن و جذبکردن انرژی در شکل صوت طراحی شده بود. جزئیات این موفقیت علمی در مجله Science منتشر شد.

ساختار اتم

مطالعه روي عنصرها به حدود ۲۵۰۰ سال پيش برمي گردد. دالتون با استفاده از واژه يوناني اتم که به معناي تجزيه ناپذير است، ذره هاي سازنده عنصرها را توضيح داد. وي نظريه ي خود را در هفت بند بيان کرد. اگر چه امروز مي دانيم که اتم ها خود از ذرات کوچکتري تشکيل شده اند اما هنوز باور داريم که اتم کوچکترين ذره اي است که خواص شيميايي و فيزيکي يک عنصر به آن بستگي دارد.

 الکترون نخستين ذره زير اتمي

اجراي آزمايش هاي بسياري با الکتريسته، مقدمه اي براي شناخت ساختار دروني اتم بوده است. کشف الکتريسته ساکن، وقوع واکنش شيميايي به هنگام عبور جريان برق از ميان محلول يک ترکيب شيميايي فلزدار(برقکانت)، و آزمايش هاي بسيار روي لوله ي پرتو کاتدي منجر به شناخت الکترون شد.

لوله پرتو کاتدي لوله اي شيشه اي است که بيشتر هواي آن خارج شده است. در دو انتهاي اين لوله دو الکترود فلزي نصب شده است. هنگامي که يک ولتاژ قوي بين اين دو الکترود اعمال شود، پرتوهايي از الکترود منفي (کاتد) به سمت الکترود مثبت (آند) جريان مي يابد که به آن پرتوهاي کاتدي مي گويند. اين پرتوها بر اثر برخورد با يک ماده ي فلوئور سنت نور سبز رنگي ايجاد مي کنند.

تامسون موفق شد نسبت بار به جرم الکترون را به کمک اين آزمايش ها اندازه گيري کند.

 پس از آن رابرت ميليکان توانست مقدار بار الکتريکي الکترون را اندازه بگيرد. به اين ترتيب جرم الکترون نيز با کمک نسبت بدست آمده تامسون محاسبه شد. بار الکترون ۱۹-۱۰*۶۰۲/۱ کولن و جرم الکترون    ۲۸-۱۰*۱۰۹/۹ گرم است.

 پرتو زايي

در حالي که تامسون روي پرتوهاي کاتدي آزمايش کرد، هم زمان هانری بکرل فيزيکداني که روي خاصيت فسفرسانس مواد شيميايي کار مي کرد با پديده ي جالبي روبرو شد. اين پديده پرتوزايي و مواد داراي اين خاصيت پرتوزا ناميده شدند.

 بعد از آن رادرفورد به اين موضوع علاقه مند شد و پس از سال ها تلاش فهميد، اين تابش خود ترکيبي از سه نوع تابش مختلف آلفا ، بتا، و گاما مي باشد. (شکل زیر):

مدل اتمی تامسون

تامسون پس از کشف الکترون ساختاري براي اتم پيشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفي در فضاي ابر گونه ای با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها مي دانست، حال آنکه فضاي ابرگونه مثبت را بدو ن جرم مي دانست.

مدل اتمی رادرفورد

رادرفورد نتوانست تشکيل تابش هاي حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمي تامسون توجيه کند. و پس از آزمايش هاي بسيار، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد. او در آزمايش خود ورقه نازکي از طلا را با ذره هاي آلفا بمباران کرد، به اميد آنکه همه ي ذره هاي پرانرژي و سنگين آلفا که داراي بار مثبت نيز هستند با کمترين انحراف از اين ورقه نازک طلا عبور کنند. اما مشاهده کرد که تعداد کمي از ذرات منحرف شده خارج مي شوند و تعداد بسيار کمي از آن به طور کامل منحرف شده و به عقب برمي گردند.

پس نتيجه گرفت که حتماً يک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهاي مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم نيز در درون اين هسته است که توانايي به عقب راندن ذره هاي سنگين و پرانرژي آلفا را دارد.

رادرفورد با استفاده از نتايج اين آزمايش مدل «اتم هسته دار» را پيشنهاد کرد.

ديگر ذره هاي سازنده اتم

پروتون ذره اي با بار نسبي +۱ و جرمي ۱۸۳۷ بار سنگين تر از جرم الکترون، دومين ذره ي سازنده اتم است.

نوترون ذره اي است که بار الکتريکي ندارد و جرم آن برابر جرم پروتون است، سومين ذره ي سازنده اتم است.

عدد اتمي ، عددي است که تعداد پرتون ها را در اتم مشخص مي کند و با Z  نشان داده مي شود.

از آنجا که اتم ذره اي خنثي است، بنابر اين تعداد الکترون ها و پروتون هاي آن بايد برابر باشد، پس عدد اتمي تعداد الکترون ها در يک اتم را نيز مشخص مي کند.

 عدد جرمي و ايزوتوپ ها

به مجموع تعداد پروتون ها و نوترون هاي يک اتم عدد جرمي مي گويند. عدد جرمي با A نشان داده مي شود. A = Z+ N

اندازه گيري جرم اتم ها با کمک دستگاه طيف سنج نشان مي دهد که همه اتم هاي يک عنصر جرم يکساني ندارند. از آنجا که عدد اتمي در واقع تعداد پروتون ها در همه اتم هاي يک عنصر يکسان است، پس تفاوت جرم بايد مربوط به تعداد نوترون هاي موجود در هسته ي اتم باشد. اين مطالعات به معرفي مفهوم ايزوتوپ انجاميد. ايزوتوپ ها اتم هاي يک عنصر هستند که عدد اتمي يکسان و عدد جرمي متفاوت دارند.

براي مثال آزمايش ها وجود دو ايزوتوپ کلر – ۳۵ (۳۵۱۷CL) و کلر – ۳۷ (۳۷۱۷CL) را به اثبات رسانده است.

 شيمي دان ها اطلاعات هر اتم را بصورت زير مي نويسند:

جرم يک اتم

شيمی دان ها براي بيان جرم عنصرها بدين صورت عمل کردند که فراوان ترين ايزوتوپ کربن يعني کربن ۱۲ (126C) را به عنوان استاندارد انتخاب کردند و جرم عنصرهاي ديگر را با استفاده از نسبت هايي که در محاسبات آزمايشگاهي بدست آمده بود، بيان کردند.

به عنوان مثال جرم اتم اکسيژن ۳۳/۱ برابر جرم اتم کربن است. با توجه به اينکه جرم اتم کربن ۱۲ مي باشد می توان جرم اتم اکسيژن را محاسبه کرد. در اين مقياس جرم اتم اکسيژن برابر ۰۰/۱۶ خواهد شد.

 واحد جرم اتمي amu است که کوتاه شده ي عبارت atomic mass unit است. در اين مقياس جرم پروتون و نوترون ۱amu است.

با توجه به وجود ايزوتوپ ها و تفاوت در فراواني آنها، براي گزارش جرم نمونه هاي طبيعي از اتم عنصرهاي مختلف جرم اتمي ميانگين به کار مي رود.

 طيف نشري خطي

رابرت بونزن شيميدان آلماني دستگاه طيف بين را طراحي کرد. هنگامي که او مقداري از يک ترکيب مس دار مانند کات کبود را در شعله ي مشعل دستگاه قرار داد، مشاهده کرد که شعله از آبي به سبز تغيير رنگ داد. او اين نور سبز رنگ را از يک منشور عبور داد و الگويي مانند شکل ۴ بدست آورد. او اين الگو را طيف نشري خطي ناميد. هر فلز طيف نشري خطي خاص خود را داراست و مانند اثر انگشت مي توان از اين طيف براي شناسايي فلز مورد نظر بهره گرفت.

 مدل اتمي بور

در سال ۱۹۱۳ نيلز بور دانشمند دانمارکي مدل تازه اي را براي اتم هيدروژن با فرض هاي زير ارائه کرد:

1– الکترون  در اتم هيدروژن در مسيري دايره اي شکل به دور هسته گردش مي کند.

2– انرژي الکترون با فاصله ي آن از هسته رابطه مستقيم دارد.

3– اين الکترون فقط مي تواند در فاصله هاي معين و ثابتي پيرامون هسته گردش کند. در واقع الکترون تنها مجاز است که مقادير معيني انرژي را بپذيرد. به هريک از اين مسيرهاي دايره اي، تراز انرژي مي گويند.

4– اين الکترون معمولاً در پائين ترين تراز انرژي ممکن قرار دارد. به اين تراز انرژي حالت پايه مي گويند.

5– با دادن مقدار معيني انرژي به اين الکترون مي توان آن را از حالت پايه (ترازي با انرژي کمتر) به حالت برانگيخته (ترازي با انرژي بالاتر) انتقال داد.

6– الکترون در حالت برانگيخته ناپايدار است، از اين رو همان مقدار انرژي را که پيش از اين گرفته بود از دست مي دهد و به حالت پايه برمي گردد.

به اين گونه انرژي که بصورت يک بسته ي انرژي مبادله مي شود، انرژي کوانتومي يا پيمانه اي مي گويند. بور با کوانتيده در نظر گرفتن ترازهاي انرژي توانست طيف نشري خطي هيدروژن را توجيه کند.

مدل کوانتومي اتم

اين مدل در سال ۱۹۲۶ توسط اروين شرودينگر مطرح شد. وي در اين مدل از حضور الکترون در فضايي سه بعدي به نام اوربيتال سخن به ميان آورد. همان گونه که براي مشخص کردن موقعيت يک جسم در فضا به سه عدد (طول ، عرض و ارتفاع) نياز است، براي مشخص کردن هر يک از اوربيتال هاي يک اتم نيز به چنين داده هايي نياز داريم. شرودينگر به اين منظور از سه عدد M1 و  L و n استفاده کرد که عددهاي کوانتومي خوانده مي شوند.

 عدد کوانتومي اصلي (n)

عددي است که بور براي مشخص کردن ترازهاي انرژي يا همان لايه هاي الکتروني به کار برد. ۱= n پايدارترين لايه انرزي را نشان مي دهد. هر چه n بالاتر رود سطح انرژي لايه هاي الکتروني افزايش مي يابد و فاصله ي آن لايه از هسته دورتر مي شود. لايه هاي الکتروني خود از گروه هاي کوچک تر به نام زير لايه تشکيل شده اند.عدد n تعداد زير لايه هاي هر لايه را هم مشخص مي کند. مثلاً در لايه الکتروني ۲= n دو زير لايه وجود دارد.

 عدد کوانتومي اوربيتالي (L)

 نشان دهنده ي شکل ، انرژي و تعداد اوربيتال ها است.

L مي تواند مقادير ۰ تا  1 – n  را در بر بگيرد.

1 اوربيتال کردي                 L=0         S

اوربيتال دمبلي                 L=1          P

5 اوربيتال                        L=2          D

7 اوربيتال                        L=3          F

 عدد کوانتومي مغناطيسي (۱m)

جهت گيري اوربيتال ها را در فضا معين مي کند. ۱m مي تواند مقاديري از L – تا L + دارا باشد. با در نظر گرفتن محورهاي X ، y ، z قرار مي گيرد و به صورت pX ؛ pY ؛  pZ نشان داده مي شود.

براي آدرس دادن اوربيتال ها به شيوه ي زير عمل مي شود:

 براي مثال2px نشان مي دهد که اين اوربيتال دمبلي شکل در لايه الکتروني دوم و در زيرلايه ي p قرار دارد و در راستاي محور Xها جهت گيري کرده است.

 عدد کوانتومي مغناطيسي اسپين (MS)

مربوط به جهت حرکت الکترون به دور خودش است. دانشمندان افزون بر حرکت اوربيتالي ، يک حرکت اسپيني نيز به الکترون نسبت داده اند (حرکت الکترون به دور خود  MS تنها دو مقدار (½+ براي چرخش در جهت عقربه هاي ساعت و ½- براي چرخش در خلاف جهت حرکت عقربه هاي ساعت) دارد.

 طبق اصل پائولي در هر اوربيتال حداکثر دو الکترون آن هم با اسپين مخالف قرار مي گيرند.

 اگر براي رسم آرايش الکتروني اتم عنصرهاي ديگر از اتم هيدروژن شروع کنيم و سپس يک به يک بر تعداد پروتون هاي درون هسته بيفزائيم، بدين گونه اتم عنصرهاي سنگين تر از هيدروژن را به ترتيب افزايش عدد اتمي ساخته ايم. به اين شيوه، اصل آفبا مي گويند.

 آرایش الکترونی عناصر

آرایش الکترونی نحوه چنیش الکترون ها را در لایه‌های اطراف هسته اتم نشان می‌دهد.کار را با اتم هیدروژن که یک الکترون در اوربیتال s1 دارد، آغاز می‌کنیم. با افزودن یک الکترون، آرایش الکترونی اتم عنصر بعدی He که 2s1 است بدست می‌آید. به این ترتیب از عنصری به عنصر بعدی می‌رویم تا به آرایش الکترونی اتم مورد نظر می‌رسیم. این روش در ابتدا از طرف ولفگانگ پائولی مطرح شد و به روش «بناگذاری» موسوم است.

الکترون متمایز کننده

الکترونی که در روش بناگذاری ، به آرایش الکترونی یک عنصر افزوده می‌شود تا عنصر بعدی بدست آید، الکترون متمایز کننده نامیده می‌شود.

این الکترون، آرایش الکترونی اتم یک عنصر را از اتم عنصر پیشین متمایز می‌کند. الکترون متمایز کننده در هر مرحله به اوربیتال خالی دارای کمترین انرژی افزوده می‌شود.

آرایش الکترونی صحیح عناصر

آرایش الکترونی صحیح عناصر به صورت زیر است:

1s ، 2s ، 2p ، 3s ، 3p ، 4s ،  3d ،4p ، 5s ، 4d ، 5p ، 6s ، 4f ، 5d ، 6p ، 7s ،5f ، 6d ، 7p

انرژی لایه‌های فرعی

انرژی همه اوربیتال های یک زیرلایه یکسان است. مثلا انرژی هر اوربیتال p3 برابر انرژی هر یک از دو اوربیتالp3 دیگر است. تمام پنج اوربیتالd3  نیز انرژی یکسان دارند. اما در یک لایه اصلی ، زیرلایه های مختلف انرژی متفاوت دارند.

 برای هر مقدار n ، انرژی زیرلایه ها به ترتیب s < p < d < f افزایش می‌یابند.

در  n = 3 ، اوربیتال s3 کمترین انرژی، اوربیتال هایp3 ، انرژی متوسط و اوربیتال های d3 حداکثر انرژی را دارند.

 گاهی انرژی اوربیتال های مربوط به لایه های مختلف، همپوشانی دارند. مثلا” در بعضی از اتم ها ، اوربیتالs4 ، کم انرژی‌تر از اوربیتالd3 است.

ترتیب قرار دادن اوربیتال ها

ترتیب معینی برای قرار دادن متوالی اوربیتال ها برحسب انرژی که برای تمام اتم ها صدق می‌کند، وجود ندارد. در فرآیند فرضی بناگذاری ، خصلت اتم به موازات افزایش یافتن تعداد پروتون و نوترون در هسته و نیز اضافه شدن تعداد الکترون ها تغییر می‌کند. خوشبختانه، تغییرات ترتیب انرژی اوربیتالی از عنصری به عنصر بعد به تدریج و بطور منظم صورت می‌پذیرد. این ترتیب تنها برای موقعیت های اوربیتالی که الکترون متمایز کننده در فرآیند بناگذاری در آن جا می‌گیرد صادق است .به این ترتیب که ازs1 شروع می‌کنیم و به تدریج اوربیتال های بالاتر را پر می‌کنیم. باید توجه کنیم که در زیرلایه p سه اوربیتال، در d پنج اوربیتال و در f هفت اوربیتال وجود دارد. هر زیرلایه را پیش از آنکه به زیرلایه بعدی الکترون داده شود، پر می‌کنیم.

جدول تناوبی و آرایش الکترونی

برای بدست آوردن آرایش الکترونی می‌توان جدول تناوبی را مورد استفاده قرار داد. نوع الکترون متمایز کننده به موقعیت عنصر در جدول تناوبی ارتباط داده می‌شود. توجه کنید که جدول را می‌توان به یک دسته «s» ، یک دسته «p» ، یک دسته «d» ، و یک دسته «f» تقسیم کرد. برای عناصر دسته «s» ، و دسته «p» ، عدد کوانتومی اصلی الکترون متمایز کننده ، مساوی شماره تناوب ، برای عناصر دسته «d» برابر با شماره تناوب منهای یک و برای عناصر دسته «f» مساوی با شماره تناوب منهای دو است.

·  برای آنکه بتوانید بحث را برای بدست آوردن آرایش الکترونی تعقیب کنید، باید یک جدول تناوبی دم دست داشته باشید. به عنوان مثال ، اولین تناوب از دو عنصر تشکیل شده است، (هیدروژن و هلیوم)که هر دوی آنها ، از عناصر دسته «s» هستند. آرایش الکترونی هیدروژن1s1 و از آن هلیوم2s1 است.

· تناوب دوم با لیتیم (1s1 2s1) و بریلیم (1s2 2s2) آغاز می‌شود که در آنها الکترون ها به اوربیتال s2 افزوده می‌شوند. در شش عنصری که این تناوب را تکمیل می‌کنند، یعنی بور (1s2 2s2 2p1)  تا گاز نجیب نئون (1s2 2s2 2p6) الکترونها یک به یک به سه اوربیتالp2 افزوده می‌شوند.

·  الگوی تناوب دوم در تناوب سوم نیز تکرار می‌شود. دو عنصر دسته «s» ، سدیم(1s2 2s2 2p6 3s1 ) و منیزیم (1s2 2s2 2p6 3s2) هستند. شش عنصر «دسته p» از آلومینیوم (1s2 2s2 2p6 3s2 3p1) تا گاز نجیب آرگون (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6) را در بر می‌گیرند.

·   در بحث مربوط به آرایش الکترونی بقیه عناصر ، تنها اوربیتالهای بیرونی نشان داده خواهند شد.