تحقیق مقاله سیری در تاریخچه اتم

سیری در تاریخچه اتم

درقرن پنجم قبل ازمیلاد دموکریتوس معتقد بود که جهان از دو چیز ساخته شده است: یکی فضای خالی ودیگری ذرات بسیار کوچکی که او آن هارا اتم نامید . اتم از واژه‌ی یونانی   atomo به معنای تقسیم ناپذیر آمده است. او می پنداشت اتم ها کوچکترین ذرات ممکن ماده اند و هر یک از مواد موجود در جهان اتم های متفاوتی دارند.نظر وی بسیار کلی بود وبه شواهد تجربی متکی نبود.درقرن چهارم قبل از میلاد ارسطو این نظریه را مطرح کرد که ماده پیوسته و یکپارچه است و از ذرات کوچک تری ساخته نشده است .اواین ماده ی خالص پیوسته را هایلی نامید.این اعتقاد 2000 سال به طول انجامید تااین که دوتن از مخالفان نظر ارسطو به نام های رابرت بویل وآیزاک نیوتن عقیده داشتند که عناصر ماهیت اتمی دارند. بویل درسال 1661 درکتاب خود تحت عنوان کیمیاگر شکاک ونیوتن درسال 1687 درکتاب پرینکیپا و سپس درسال 1704 درکتاب اوپتیکس وجود اتم راپذیرفتند اما دراثبات این موضوع هیچ مدرک آزمایشگاهی ارائه نکردند تااینکه جان دالتون طی سال های 1803 تا 1808 یک فرضیه ی منطقی درباره ی وجود اتم ها مطرح کرد.وی ابتدا نتایج مشاهدات آزمایشی دیگران درباره ی واکنش های شیمیایی رابررسی کرد. آنتوان لاووازیه دریافته بود که درواکنش های شیمیایی معمولی ، ماده تغییرات بسیاری می کند اما خلق یا نابود نمی شود. این همان قانون پایستگی جرم است .ژوزف پروست نیز مشاهده کرده بود که مواد خالص همیشه شامل عناصری با نسبت جرمی یکسانند.این اصل نیز به قانون نسبت های معین معروف است . وقتی دالتون تئوری خود را پی ریزی می کرد، می کوشید تایافته های لاووازیه وپروست را توضیح دهد.اوهمچنین معتقد بود که همه ی اتم‌های یک عنصر دقیقأ به هم شبیه اند واتم های عناصر مختلف کاملأ با هم فرق دارند.اندیشه های دالتون قانون های پایستگی جرم ونسبت های معین را توضیح می دهد. اگر اتم ها نمی توانند تخریب شوند دراین صورت آن ها باید در یک تغییر شیمیایی فقط آرایش جدیدی یافته باشند به طوری که تعداد و نوع اتم ها تغییر نکند.بنابراین جرم مواد پیش از واکنش باید با جرم مواد پس از واکنش برابر باشند.درتوضیح قانون نسبت‌های معین دالتون معتقد بود که به عنوان مثال درمورد سدیم کلرید ، همه ی اتم های سدیم جرم یکسان و همه ی اتم های کلرنیز جرم یکسان دارند.وقتی یک اتم سدیم با یک اتم کلر ترکیب می شود سدیم کلرید بوجود می آید.این امر درمورد هر جفت از این اتم ها صادق است بنابراین نسبت جرم سدیم به جرم کلر باید برای هر نمونه ای از نمک یکسان باشد. دالتون معتقد بود که این استدلال برای هر ماده ی معینی درست است (هرچند بعدها مشاهده شد که همه ی اتم های یک عنصر دقیقأ جرم یکسان ندارند اما با با تغییر واژه ی جرم به جرم میانگین می توانیم تئوری دالتون را امروزه نیز به کاربریم) .

دالتون براساس تئوری اتمی خود قانونی را بیان کرد که مبتنی بر داده های آزمایشی نبود . این قانون به عناصری مربوط می شود که بیش از یک ماده مرکب ایجادمی کنند. مثلأ اکسیژن می تواند به نسبت های جرمی متفاوتی باقلع ترکیب شود. بنابراین قانون نسبت جرم هایی  از یک عنصر را که با جرم معینی از عنصر دیگر ترکیب می شوند را می توان با اعداد صحیح کوچک بیان کرد.این قانون را قانون نسبت های چند گانه می نامند.

(جداول در فایل اصلی موجود است )

این نسبت ها دلالت براین دارندکه اتم هابصورت واحدهای کامل برهم اثر می کنند ودرواکنش های شیمیایی به قسمت های کوچکی تقسیم نمی شوند.

          درهمان محدوده ی زمانی که تئوری اتمی دالتون شکل می گرفت ، شارل گیلوساک متوجه شدکه درشرایط ثابت حجم گازهای واکنش دهنده باحجم محصولات گازی به نسبت اعداد صحیح کوچکی هستند.چندسال بعد آمادئو آووگادرو این مشاهده را بااستفاده ازتئوری دالتون توضیح داد.فرضیه ی آووگادروبه گازهایی که همانند آزمایشات گیلوساک درفشار ودمای یکسان بودند، مربوط می شد. فرضیه ی این بود که حجم های مساوی از گازها درشرایط یکسان تعداد مولکول های یکسانی دارند. این مشاهدات پذیرفته شدن تئوری دالتون را تسریع کرد.

          یکی از مهم ترین مفاهیم حاصل از کارهای دالتون مفهوم جرم اتمی وامکان تعیین عددی برای جرم اتم های عناصر گوناگون است . دالتون توانست نشان دهد که با استفاده از قانون نسبت های معین و داده های تجربی حاصل از واکنش های شیمیایی مقادیر نسبی جرم های اتمی را می توان یافت . وی با این فرض که مولکول های یک ماده ی مرکب همیشه شامل یک اتم از عنصر های سازنده ی آن است، توانست مقادیری رابرای جرم های نسبی اتم های گوناگون بیابد. اوبابررسی ترکیب آب ودیگرموادمرکب دریافت که اتم هیدروژن ، ظاهرأ جرمی کمتر ازاتم های عناصردیگردارد. به همین سبب پیشنهاد کرد که جرم اتم های دیگرعناصر نسبت به جرم یک اتم هیدروژن بیان شود.ازآن جایی که اکسیژن می توانست با بسیاری ازعناصر ترکیب شود،جرم اتمی بعدها نسبت به اکسیژن اندازه گیری می شداین مبنا تاسال 1960 تاپیش ازآن که مقادیر واقعی جرم های تک تک اتم هابه روش طیف نگارجرمی به طورمستقیم امکان  اندازه گیری پیداکنند،مورداستفاده ی شیمیدان ها قرارگرفت .پس از آن اتم کربن 12 به عنوان مقیاس در نظر گرفته شد . امروزه هم فیزیکدانان وهم شیمیدان ها  جرم اتمی کربن 12 را واحد جرم اتمی می دانند .دلیل عمده ی انتخاب کربن آنست که کربن مواد مرکبی تولید می کند که از لحاظ تنوع استثنائی است . بعضی سبک وبعضی بسیار سنگینند و می توانند برای مأخذ مقایسه در طیف نگار جرمی مورد استفاده قرار گیرند.

          درحالی که شیمیدان ها درنخستین دهه ی قرن نوزدهم سرگرم کارباتئوری اتمی دالتون بودند، فعالیت دیگری درشرف تکوین بود که راه مهمی رابرای درک دانشمندان از اتم بازکرد . مطالعه ی برقکافت بااختراع سلول الکتریکی که درسال 1800 توسط ولتا به وقوع پیوست ، آغاز شد.چندهفته پس ازکشف ولتامعلوم شدکه آب بوسیله ی جریان الکتریسیته به کسیژن وهیدروژن تجزیه می شود.دراین عمل گازهای هیدروژن واکسیژن به نسبت وزنی g 94/7 اکسیژن به g 1 هیدروژن تولید می شوند. این نسبت درست همان نسبتی است که این عنصرهاباهم ترکیب شده وآب تولیدمی کنند.پیش ازآن زمان تجزیه ی آب امکان ناپذیر بوده است وقرن ها آب رابه عنوان یک عنصر در نظر می گرفتند .

          استفاده شیمیایی از الکتریسیته سبب شد تا بسیاری تحقیقات دیگر درباره ی برقکافت انجام شود .مهم ترین آنها، کار همفری دیوی در بین سال های 1807 تا 1808 بوده است . وی در بررسی اثر برقکافت برمحلول سود و پتاس توانست مواد فلزی راتهیه کند. این فلزات راسدیم وپتاسیم نامیدند. پس از آن وی مؤفق شد تا فلزات کلسیم، استرونسیم وباریم را به دست آورد. کار دیوی درمورد برقکافت بیشتر کیفی بود ولی پرسش های کمی نیز دراین میان مطرح می شد از جمله آن که وقتی مقدار معینی بار ازیک محلول می گذرد تا چه اندازه تغییر شیمیایی صورت می گیرد؟ اگر همان مقدار بار از محلول های متفاوت بگذرد مقدار تغییر شیمیایی چه تفاوتی می کند؟ نخستین پاسخ های این پرسش ها بوسیله ی مایکل فاراده به دست آمد . وی دو قانون اساسی تجربی در برقکافت را کشف کرد . این قوانین طی آزاد

تحقیقاتی که طی سال های 1832 تا 1833 انجام شد، به دست آمد. قانون اول : جرم هر عنصری که هنگام برقکافت آزاد می شود، متناسب با مقدار باری است که از الکترود می گذرد. قانون دوم : هرگاه A جرم اتمی یک عنصر و v ظرفیت ترکیبی آن ( والانس ) باشد، انتقال 96540 کولن بار الکتریکی ،  گرم از آن عنصر را آزاد می کند.

          ● در قرن سیزدهم آلبرت ماگنولس فیلسوف و متخصص الهیات فکرمیل ترکیبی را به منظور اشاره به یک نیروی جاذبه ی میان مواد که موجب وارد شدن آن ها در عمل ترکیب شیمیایی می شود ، ارائه کرد . 600 سال طول کشید تا ممکن شد به جای این تصور کیفی مفاهیم کمی جانشین شود . ظرفیت ترکیبی یکی از این مفاهیم است . 

          قانون دوم فاراده نشان می دهد که مقدار معینی از بار الکتریکی با جرم اتمی وظرفیت ترکیبی یک عنصر وابسته است . از آن جایی که جرم و ظرفیت از ویژگی های اتم های یک عنصر است ، شاید مقدار معینی الکتریسیته به طریقی با یک اتم آن عنصر مربوط باشد . به عبارتی الکتریسیته ممکن است ویژگی های اتمی داشته باشد . فاراده در این باره گفته است : من به واژه ی اتم با تردید می نگرم .گر چه سخن گفتن از اتم ها بسیار آسا ن است ولی ایجاد تصویری روشن از آن ها بسیار دشوار است خصوصأ وقتی که اجسام مرکب مد نظر باشد . به هر حال کار فاراده در آن زمان ابزار لازمی را برای شیمیدانان فراهم آورد تا در تعیین وزن های اتمی وظرفیت های ترکیبی بسیاری از عناصر به مور استفاده قرار گیرد .

          ارتباط میان الکتریسیته و اتم تا زمان اختراع تلمبه ی تخلیه توسط گیسلر در سال 1885 همچنان مجهول باقی مانده بود . گیسلر با کمک تلمبه‌ی تخلیه لامپی تهیه کرد که مقدار زیادی از هوای درون آن خارج شده بود . پلوکر با اتصال این لامپ به باتری مشاهده کرد که الکتریسیته در لامپ جاری می شود و لامپ با نور سبز کم رنگی می درخشد. 20 سال بعد ویلیام کروکس لامپ خلأ خمیده ای طراحی کرده بود که نشان می داد درخشش سبزی که در ناحیه ی مقابل کاتد مشاهده می شود با چیزی تولید می شود که از کاتد خارج شده طول شیشه را می پیماید و سپس به شیشه برخورد می کند . گولد اشتاین این پرتوها را پرتو کاتدی نامید . در سال 1897 تامسون سلسله آزمایش هایی را بر روی این پرتوها انجام داد. در آزمایش های انجام شده مشخص شد که میدان مغناطیسی پرتوهای کاتدی را به همان طریقی منحرف می کند که بارهای منفی را منحرف می کند بنابر این فیزیکدان ها معتقد شدند که پرتوهای کاتدی نیز از ذرات باردار منفی تشکیل شده اند . این ذرات باردار منفی همان الکترون هایی هستند که شش سال قبل جان استونی بر اساس قوانین فاراده بار الکتریکی مرتبط با ماده را الکترون نامیده بود .