ماده در آغاز قرن بیستم
یکی از مهمترین اصطلاحات در شیمی اتم است که بعنوان جزء لاینفک ماده همیشه مورد بحث و تحقیق شیمیدانان بوده است.
حال در این مورد خاص دیدگاه های موجود درباره ماده را در آغاز قرن بیستم بررسی می کنیم.
دانشمندان این زمان، هر وقت که نمی توانستند نتایج آزمایشها را به کمک نظریه های موجود توضیح دهند، یا آزمایش های بیشتری انجام می دادند یا نظریه های جدیدی مطرح می کردند. نظریه های جدید به دیدگاه های مختلفی از ساختار جهان منجر شوند.
در این گفتار با مباحث زیر آشنا خواهیم شد.
پروتونها، نورتونها، الکترونها و نوترینوها
اجزای اتم و هسته
سه نوع مختلف تابش
با قواعد پایستگی انرژی، بار الکتریکی و تکانه ( اندازه حرکت ) نیز آشنا خواهیم شد.
اجزای اتم
آزمایش های را در فورد: کشف هسته
با آزمایش های ارنست را در فورد و همکارانش که در حدود 1911 در بریتانیا اجرا شدند این بحث را آغاز می کنیم. این دانشمندان برای کشف اجزای درونی اتمها آنها را با نوعی تابش، به آنها، بمباران کردند. آنها ذرات آلفا را به طور کامل نمی شناختند، ولی می توانستند آنها را مورد بهره برداری قرار دهند.
نکات اصلی آزمایش عبارت بودند از :
پولونیم را، که ماده ای پرتوزاست، به عنوان چشمی ذرات آنها به کار می بردند. چشمه پولونیم ذرات آن را در همه ی جهات گسیل می کرد، اما رادفورد فقط ذراتی را که با هدف برخورد می کردند مورد توجه قرار دارد.
برای آشکارسازی ذرات آلفایی که از هدف خارج می شدند از پرده ای جابه جا شونده که با ماده ای به نام سوسوزن رنگ خورده بود استفاده می شد.
ماده ی سوسوزن بر اثر برخورد دره ی آلفا از خود نور فلاش مانندی گسیل می کند. بدین سان، رادفورد می توانست جا پاهای ذرات آلفا را پس از عبور از هدف مورد بررسی قرار دهد.
نتایج این آزمایش ها تکان دهنده بودند. در آن هنگام، مدل مورد قبول اتم مدل نان کشمشی تامسون بود: توده ی کروی شکلی از بار مثبت که الکترونهای منفی در حجم آن پراکنده بودند.
( الکترون را تامسون درست پیش از آغاز قرن بیستم کشف کرده بود ). اگر این مدل درست بود، نتایج آزمایشهای رادفورد می بایست چیزی شبیه به شکل زیر می شد؛ یعنی ذرات سنگین آلفا بایستی با اندکی انحراف از نان کشمشی مثبت بگذرند و کمی پراکنده شوند.
اما دانشمندان با کمال تعجب مشاهده کردند که بعضی از ذرات آلفا، مثل وقتی که از جسم بسیار سنگینی منعکس شوند، مستقیماً به طرف چشمه باز می گردند؛ و این نتیجه با مدل نان کشمشی اتم سازگاری نداشت.
اما نتایج این آزمایشها با مدل جدیدی سازگار بود. مدل زیر:
در این مدل، هر اتم متشکل است از:
یک هسته ی سخت که کل بار الکتریکی مثبت اتم و تقریباً تمامی جرم آن را در بر می گیرد. ذرات آلفا بر اثر برخورد با این هسته ی بسیار چگال به عقب بر می گردند.
الکترونهای سبک در فضای خالی اطراف هسته پراکنده اند. بار الکتریکی منفی الکترونها با بار مثبت هسته برابری می کند.
ذرات آلفا از کنار الکترون ها رد می شوند.
اما این آخرین آزمایش دانشمندان نبوده رادرفورد و جیمز چادویک، برای شناخت بهتر هسته، به استفاده از ذرات آلفا ادامه دادند. در یک دسته آزمایش، آنها ذرات آلفا را به هسته های نیتروژن فرو تا بیدند و نتیجه را مورد بررسی قرار دادند.
همچنانکه انتظار داشتند در نتیجه ی آزمایش ذرات آلفا را مشاهده کردند ولی این ذره ها هسته های هیدروژن را نیز به همراه داشتند. خوب، اگر هسته های هیدروژن از هسته های نیتروژن قابل گسیل باشند، در این صورت شاید هسته ی نیتروژن از هسته های هیدروژن تشکیل شده باشد. در واقع شاید همه ی هسته ها از هسته های هیدورژن تشکیل شده اند.
پروتون، نامی است که به هسته هیدروژن داده شده است. هر پروتون بار الکتریکی معادل یک واحد دارد که، با علامت مخالف، مساوی با بار الکتریکی الکترون است. پورتونها دارای جرم هم هستند و ما برای سادگی کارمان، همه جرمها را برحسب جرم پورتون ( که معادل 1 واحد می گیریم ) بیان می کنیم. جرم هر الکترون، برحسب این یکا، در حدود است.
این آزمایش ها نشان دادند که هسته ها نوعی ساختار درونی دارند. هسته ها هم از اجزایی به نام پروتون ساخته شده اند. هسته هایی که برا مثبت بیشتری دارند. لزوماً از تعداد پروتونهای بیشتری برخوردارند.