این وبلاگ جهت کمک به دانش آموزان دوره متوسطه وتمام علاقه مندان دانش شیمی طراحی شده است.

 

دموكریتوس

تاریخچهٔ  تئوری اتمی  به  یونانی‌ های قرن  ششم  و  به  ویژه  مکتب  اتم‌ گرایی دموکریت  بر می گردد. دموکریت نخستین کسی بود که از اتم سخن گفت و آن را جزو بخش ‌ناپذیری دانست  که دنیا  از  آن  ساخته شده  ‌است. دموکریت از دوستان هیپوکریت  بود  ظاهراً در آتن زندگی  می‌ کرده است. اما سقراط را درک نکردو افلاطون نیز در آثار خود نامی از او نبرده ‌است.

ارسطو

ارسطو چهار عنصر بنیادی کیهان را آب ، آتش ، خاک و هوا می ‌دانست به‌علاوهٔ عنصر پنجمی به نام اثیر که معتقد بود اجرام آسمانی از آن ساخته شده‌اند.

 


 

 جرم اتمی

همانطور كه مي دانيد هرگز نمي توان يك اتم را جدا كرده، آن را در ترازو گذاشت و جرم آن را اندازه گرفت. زيرا واحد گرم يا ميلي گرم (كه ترازو آن را نشان مي دهد) براي بيان جرم اتم بسيار بسيار بزرگ است.
درواقع هميشه بايد واحد اندازه گيري و كميت مورد اندازه گيري با هم  همخوانی داشته باشند، به عنوان مثال فاصله ي شيراز مشهد را نمي توان با سانتي متر يا متر اندازه گيري نمود، بلكه اين فاصله به دليل بزرگي با كيلومتر سنجش مي شود.
حال جرم يك اتم هم نمي تواند با واحد  گرم اندازه گيري شود، زيرا جرم يك اتم در حدود 00000000000000000000001/0 گرم است.
پس بايد دنبال يك واحد بگرديم كه جرم اتم را با ان واحد اندازه گرفته و بيان كنيم. دانشمندان در اين مورد خيلي فكر كردند تا اينکه نتيجه گرفتند كه يك اتم را به عنوان استاندارد انتخاب كنند و بقيه اتمها را نسبت به آن بسنجند. به عنوان مثال در ابتدا اتم هيدروزن را به عنوان استاندارد  در نظر گرفتند و مثلا" مي گفتند جرم اتمی بور ده برابر جرم هيدروزن مي باشد.
اما بعدها اين واحد به اتم اكسيژن تغيير نمود و در نهايت شيمي دانها براي بيان جرم عنصرها ، فراوان ترين ايزوتوپ كربن يعني كربن -12 را بعنوان استاندارد انتخاب کردند و جرم عنصرهاي ديگر را با استفاده از نسبتهايي كه در محاسبات آزمايشگاهي بدست آمده بود، بيان كردند.
به عنوان مثال با استفاده از نسبتهايي كه در محاسبات آزمايشگاهي بدست آمده، مشخص شده است كه جرم اتم اكسيژن چهار سوم برابر جرم اتم كربن-12 است. با توجه به اينكه جرم اتم كربن-12دقیقا" 12  واحد کربنی مي باشد،  جرم اتم اكسيژن را محاسبه می شود. در اين مقياس جرم اتم اكسيژن حدودا" برابر 16 خواهد شد.

واحد جرم اتمي amu است كه كوتاه شده ي عبارت atomic  mass unitاست( البته این یک واحد فیزیکی نیست ، چون جرم اتمی یک نسبت است،  لذا بدون واحد است و این واحد قراردادی است ) . در اين مقياس جرم پروتون و نوترون  amu 1  است.  یک amu برابر یک دوازدهم جرم اتم کربن -12 است .

براي برخي دانش آموزان اين سوال پيش مي آيد كه چرا جرم اتمي عنصرها عددي كسري است( بجز ایزوتوپ کربن -12 ).

برای پاسخ به این پرسش باید گفت : جرم اتمی مجموع جرم پروتونها و نوترونها و الکترونها  را در اتم مشخص می کند و جرم اتمها بر خلاف عدد جرمی( مجموع تعداد پروتون و نوترون در اتم ) آنها مقداری صحیح نبوده و کسری است. به عنوان مثال، اتم سدیم دارای یازده پروتون و دوازده نوترون در هسته اتم خود می باشد، پس عدد جرمی آن 23 = 12 + 11 است. اما برای تعیین جرم اتمی سدیم به این صورت عمل می کنیم. جرم یک پروتون بر حسب واحد جرم اتمی amu برابر 0073/1 و جرم یک نوترون نیز بر حسب واحد جرم اتمی amu برابر 0087/1 و جرم یک الکترون نیز بر حسب واحد جرم اتمی amu برابر 0005/0 می باشد.

                                      مجموع جرم پروتونهای اتم سدیم       0803/11 = 0073/1 × 11          

                                      مجموع جرم نوترونهای اتم سدیم            0957/11 = 0087/1 × 11

از جرم الکترونها به دلیل ناچیز بودن صرف نظر می شود. جرم اتمی این ایزوتوپ از اتم سدیم برابر است با:

                                                                                   176/22 = 0803/11 + 0957/11

پس بطور خلاصه در مقیاس واحد کربنی (amu )که جرم اتمها بر اساس آن اندازه گیری می شود،  جرم پروتون و نوترون واحد ( 1 ) نبوده و عددی کسری  است. ( جرم پروتون  amu 0073/1  و جرم نوترون  amu 0087/1 مي باشد)، بنابر این جرم اتمی عددی غیر صحیح است. از طرفی بسیاری از عناصر دارای ایزوتوپ های مختلف با  درصد فراوانی های متفاوت هستند. ولذا میانگین جرم اتمی عدد غیر صحیح است(جرم اتمی یک عنصر به ایزوتوپهای آن و درصد فراوانی هر ایزوتوپ در طبیعت بستگی دارد. ).

 

انواع طیف اتمی :

1-   طیف خطی( گسسته )  نشری ( گسیلی )

2-   طیف خطی( گسسته )  جذبی

3-   طیف پیوسته نشری

*      اگر نور حاصل از  جسم جامد یا مایع ملتهب را از یک منشور عبور دهیم به اجزای دهنده خود تجزیه می شود و یک طیف پیوسته نشری می دهد (شکل 1).

*      اگر بخار مواد شیمیایی را بوسیله جرقه یا شعله گرم کنیم٬ نور از آنها نشر  می گردد. با تجزیه این نور بوسیله منشور یک طیف خطی  نشری بدست  می آید ( شکل 2 ). 

*      اگر نور سفید را از میان بخار یک عنصر عبور دهیم ٬ سپس نور خارج شده را از یک منشور بگذرانیم ٬ یک طیف خطی جذبی  بدست خواهد آمد که ناشی از جذب بعضی از طول موجها بوسیله عنصر مورد نظر است (شکل 3).

*      نكته قابل توجّه و جالب در طیف گسیلی و جذبی آن است كه این دو طیف برای هر عنصر منحصر به فرد می‌باشد. به عبارتی این دو طیف همانند اثر انگشت برای شناسایی عناصر قابل استفاده هستند.

 
طیف و انواع آن

۱- طیف نشری

۲-طیف جذبی

نکته : هر یک از طیف های نشری یا جذبی می توانند پیوسته یا خطی باشند.

طیف جذبی :

 وقتی به یک ماده نوری تابانیده شود ماده قسمتی از نور تابیده شده را جذب کرده وباقی را عبور می دهد اگر نور عبور کرده را از یک منشور عبور دهیم به طیف حاصله طیف جذبی میگویند . طیف جذبی میتواند خطی یا پیوسته باشد

طیف نشری :

 اگر یک ماده را از طریق حرارت دادن ویا قوس الکتریکی و یا یه هر طریق دیگر به شدت گرم کنیم ماده از خود نور تابش میکند ( پدیده نشر ) در صورتیکه تابش نشرشده را از یک منشور عبور دهیم به طیف حاصله طیف نشری گفته میشود طیف نشری هم میتواند خطی یا پیوسته باشد

انیمیشن چگونگی تولید طیف نشری خطی اتم هیدروژن

  • طیف پیوسته
  • طیف رنگین کمان و طیف حاصل از عبور نور از یک منشور

  • طیف خطی

در طرح یر چگونگی ایجاد شدن طیف جذبی خطی -طیف نشری خطی و طیف پیوسته مشخص شده اند.

 

طیف نشری خطی چند عنصر در طرح زیر مشخص شده است.

 
 همه اوربیتال های s , p , d  در یک مجموعه

آیا می توان همه اوربیتال ها در یک مجموعه رسم کرد؟

در شکل زیر همه اوربیتال های کریپتون رسم شده اند.

 
  • نمودار  های ساده  زیر چگونگی پر شدن زیر لایه ها  را از الکترون نشان میدهد :

 

 

  • چند مثال : در  زیر آرایش الکترونی ۱۰۴ عنصر  رسم شده است . آرایش الکترونی لایه ظرفیت را در هر مورد مشخص کنید؟

 Z 

Element  

Configuration  

1

H

1s 1

2

He

1s 2

 

 

 

3

Li

[He] 2s 1

4

Be

[He] 2s 2

5

B

[He] 2s 2 2p1

6

C

[He] 2s 2 2p2

7

N

[He] 2s 2 2p3

8

0

[He] 2s 2 2p4

9

F

[He] 2s 2 2p5

10

Ne

[He] 2s 2 2p6

 

 

 

11

Na

[Ne] 3s 1

12

Mg

[Ne] 3s 2

13

Al

[Ne] 3s 2 3p1

14

Si

[Ne]3s 2 3p2

15

P

[Ne] 3s 2 3p3

16

S

[Ne] 3s 2 3p4

17

Cl

[Ne] 3s 2 3p5

18

Ar

[Ne] 3s 2 3p6

 

 

 

19

K

[Ar] 4s 1

20

Ca

[Ar] 4s 2

21

Sc

[Ar] 3d 1 4s 2

22

Ti

[Ar] 3d 2 4s 2

23

V

[Ar] 3d 3 4s 2

24

Cr

[Ar] 3d 5 4s 1

25

Mn

[Ar] 3d 5 4s 2

26

Fe

[Ar] 3d 6 4s 2

27

Co

[Ar] 3d 7 4s 2

28

Ni

[Ar] 3d 8 4s 2

29

Cu

[Ar] 3d 10 4s 1

30

Zn

[Ar] 3d 10 4s 2

31

Ga

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 1

32

Ge

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 2

33

As

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 3

34

Se

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 4

35

Br

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 5

36

Kr

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 6

 

 

 

37

Rb

[Kr] 5s 1

38

Sr

[Kr] 5s 2

39

Y

[Kr] 4d 1 5s 2

40

Zr

[Kr] 4d 2 5s 2

41

Nb

[Kr] 4d 4 5s 1

42

Mo

[Kr] 4d 5 5s 1

43

Tc

[Kr] 4d 5 5s 2

44

Ru

[Kr] 4d 7 5s 1

45

Rh

[Kr] 4d 8 5s 1

46

Pd

[Kr] 4d 10

47

Ag

[Kr] 4d 10 5s 1

48

Cd

[Kr] 4d 10 5s 2

49

In

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 1

50

Sn

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 2

51

Sb

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 3

52

Te

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 4

53

I

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 5

54

Xe

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 6

 

 

 

55

Cs

[Xe] 6s 1

56

Ba

[Xe] 6s 2

57

La

[Xe] 5d 1 6s 2

58

Ce

[Xe] 4f 1 5d 1 6s 2

59

Pr

[Xe] 4f 3 6s 2

60

Nd

[Xe] 4f 4 6s 2

61

Pm

[Xe] 4f 5 6s 2

62

Sm

[Xe] 4f 6 6s 2

63

Eu

[Xe] 4f 7 6s 2

64

Gd

[Xe] 4f 7 5d 1 6s 2

65

Tb

[Xe] 4f 9 6s 2

66

Dy

[Xe] 4f 10 6s 2

67

Ho

[Xe] 4f 11 6s 2

68

Er

[Xe] 4f 12 6s 2

69

Tm

[Xe] 4f 13 6s 2

70

Yb

[Xe] 4f 14 6s 2

71

Lu

[Xe] 4f 14 5d 1 6s 2

72

Hf

[Xe] 4f 14 5d 2 6s 2

73

Ta

[Xe] 4f 14 5d 3 6s 2

74

W

[Xe] 4f 14 5d 4 6s 2

75

Re

[Xe] 4f 14 5d 5 6s 2

76

0s

[Xe] 4f 14 5d 6 6s 2

77

Ir

[Xe] 4f 14 5d 7 6s 2

78

Pt

[Xe] 4f 14 5d 9 6s 1

79

Au

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 1

80

Hg

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2

81

Tl

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p1

82

Pb

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p2

83

Bi

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 3

84

Po

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 4

85

At

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5

86

Rn

[Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 6

 

 

 

87

Fr

[Rn] 7s 1

88

Ra

[Rn] 7s 2

89

Ac

[Rn] 6d 1 7s 2

90

Th

[Rn] 6d 2 7s 2

91

Pa

[Rn] 5f 2 6d 1 7s 2

92

U

[Rn] 5f 3 6d 1 7s 2

93

Np

[Rn] 5f 4 6d 1 7s 2

94

Pu

[Rn] 5f 6 7s 2

95

Am

[Rn] 5f 7 7s 2

96

Cm

[Rn] 5f 7 6d 1 s 2

97

Bk

[Rn] 5f 9 s 2

98

Cf

[Rn] 5f 10 s 2

99

Es

[Rn] 5f 11 s 2

100

Fm

[Rn] 5f 12 s 2

101

Md

[Rn] 5f 13 s 2

102

No

[Rn] 5f 14 s 2

103

Lr

[Rn] 5f 14 6d 1 s 2

104

Rf

[Rn] 5f 14 6d 2 s 2


  • در هر دوره عناصر چه اوربیتال هایی در حال پر شدن هستند؟

در جدول تناوبی زیر مشخص شده است

اوربیتال اتمی

از نظر لغوی ، اوربیتال به معنای خانه الکترون می‌باشد و ناحیه‌ای است که احتمال یافتن الکترون در آن زیاد است. معادله شرودینگر پایه مکانیک موجی است. این معادله بر حسب یک تابع موجی (ψ) برای الکترون نوشته می‌شود. از حل معادله شرودینگر اتم هیدروژن یک سلسله جواب به عنوان تابع موج بدست می‌آید. تابع موج ناحیه‌ای در اطراف هسته را نشان می‌دهد که در آن ناحیه ، احتمال یافتن الکترون وجود دارد. تابع موجی یک الکترون ، آنچه را که اوربیتال نامیده می‌شود، توصیف می‌کند.

مقدمه

اوربیتال محدوده‌ای از فضای اطراف هسته می‌باشد که احتمال یافتن الکترون در آن وجود دارد. این احتمال در نزدیکی هسته بیشترین مقدار را دارد. ولی برای تمام نقاطی از فضا که فاصله معینی از هسته دارند، احتمال معینی وجود دارد. هر اوربیتال می‌تواند حداکثر دو الکترون را در خود جای دهد. دو الکترونی که در یک اوربیتال جای می‌گیرند، دارای اسپین مخالف هستند.

تاریخچه

در مورد ساختمان اتم و نحوه قرار گرفتن الکترون‌ها و پروتون‌ها در آن بررسی‌های زیادی توسط دانشمندان انجام شده و نظریه‌های مختلفی ارائه شده است. تامسون اتم را به شکل کره‌ای یکنواخت از بارهای مثبت تا شعاع  تصور می‌کرد که بارهای منفی در محیط خارجی کره پراکنده‌اند. رادرفورد در سال 1911 با استفاده از ذرات آلفا دلایل قانع کننده‌ای مبنی بر وجود هسته اتم ارائه داد. او اتم را بصورت کره ‌ای تصور می‌کرد که هسته در وسط آن قرار دارد و الکترون‌ها به فواصل نسبی بینهایت زیاد در خارج از هسته قرار دارند. نیلز بوهر در سال 1913 نظریه ساختمان الکترونی اتم را پیشنهاد کرد. این نظریه بر اساس مدل اتمی رادرفورد ، نظریه کوانتومی پلانک و داده‌های تجربی حاصل از مطالعه طیف‌های اتمی قرار داشت، و بیان می‌کرد که الکترون اتم هیدروژن فقط می‌تواند در مدارهای کروی معین (مدارها یا ترازهای انرژی) که بطور متحدالمرکز دور هسته قرار دارند، وجود داشته باشد. این مدارها تابع محدودیت کوانتومی است. شرودینگر در سال 1926 با طرح معادله‌ای که در آن محدودیت کوانتومی انرژی الکترون و تصور الکترون بصورت موج ساکن ، با هم تلفیق شده بود، تابع موجی الکترون (ψ) را معرفی کرد که مختصات مکان الکترون در فضایی که الکترون در آن یافت می‌شود و انرژی الکترون از لحاظ ریاضی را به هم مربوط کرد.

اگر الکترون را بصورت ذره‌ای در حال حرکت به دور هسته در نظر بگیریم، ψ2 متناسب با احتمال یافتن الکترون در جزو معینی از فضاست و احتمال یافتن الکترون در ناحیه‌ای که ابر الکترونی غلیظ‌تر باشد بیشتر است.

تفسیر مکانیکی اوربیتال

شدت هر موج با مجذور دامنه آن متناسب است. تابع موجی (ψ) ، تابع دامنه است. مجذور دامنه یا مجذور تابع موجی برای یک حجم کوچک در هر موقعیتی از فضا با چگالی بار الکترونی در آن حجم متناسب است. می‌توان تصور کرد که بار الکترونی به سبب حرکت سریع الکترون بصورت ابر باردار در فضای دور هسته گسترده شده است. این ابر در برخی نواحی غلیظ‌تر از برخی نواحی دیگر است.

احتمال یافتن الکترون در هر ناحیه معین متناسب با چگالی ابر الکترونی در آن ناحیه است. این احتمال در ناحیه‌ای که ابر الکترونی غلیظ‌تر ‌‌باشد، بیشتر خواهد بود. این تفسیر کوششی برای توصیف مسیر الکترون به عمل نمی‌آورد، بلکه فقط پیش‌بینی می‌کند که احتمال یافتن الکترون در کجا بیشتر است.

از نظر مکانیک کوانتومی هیچ محدودیتی برای وجود الکترون در فضا اطراف هسته وجود ندارد. پس بی‌نهایت اوربیتال وجود دارد.

اعداد کوانتومی

مکانیک موجی که نظریه شرودینگر اساس آن می‌باشد با استفاده از چهار عدد کوانتومی وضعیت الکترون را توصیف می‌کند. این اعداد عبارتند از :

عدد کوانتومی اصلی (n)

این عدد نشان‌دهنده ترازهای انرژی است که الکترون‌ها در آن ترازها به دور هسته گردش می‌کنند و عدد صحیحی می‌باشد. این عدد می‌تواند کلیه مقادیر اعداد صحیح مثبت به استثنای صفر را قبول کند.

عدد کوانتومی اندازه حرکت زاویه‌ای مداری (l)

آرنولد سامرفیلد در سال 1916 پیشنهاد کرد که هر مدار بوهر (n) با شرط n>1 از لایه‌هایی فرعی با اختلاف انرژی کم تشکیل شده‌است. به هر لایه فرعی یک عدد کوانتومی (l) نسبت داده می‌شود. این عدد نشان دهنده شکل هندسی توزیع تابع احتمال پیدا کردن الکترون در فضای اطراف هسته می‌باشد وکلیه مقادیر l=0,1,2, … , n-1 را اختیار کند.

عدد کوانتومی مغناطیسی مداری ml

تعداد اوربیتال‌های یک تراز فرعی را می‌توان از این عدد استنتاج کرد که در اثر میدان مغناطیسی هر تراز l به این ترازها شکافته می‌شود. بعنوان مثال میدان مغناطیسی بر اوربیتال کروی S که با عدد l=0 مشخص می‌شود، تاثیری ندارد چون S تقارن کروی دارد و در تمام جهت‌ها بطور یکسان تحت تاثیر خطوط نیرو قرار می‌گیرد. این عدد که به  ml نشان داده می شود، مقادیر ممکن این عدد عبارتند از :

ml =-l,…,0,…,+l

عدد کوانتومی مغناطیسی اسپینی ms

این عدد مشخص کننده حرکت تقدیمی الکترون است و با  نشان داده می‌شود و می‌تواند مقادیر 2/1+ , 2/1- را اختیار کند.

ابر الکترونی و مکان الکترون

در مورد یک الکترون در حالت n=1 هیدروژن ، ابر باردار بالاترین چگالی را در نزدیکی هسته دارد و بتدریج که فاصله از هسته افزایش می‌یابد، رقیق‌تر می‌شود. احتمال یافتن الکترون در حجم کوچکی از فضا ، در نزدیکی هسته ، بیشترین مقدار را دارد و با افزایش فاصله از هسته به سمت صفر میل می‌کند

لایه‌های کروی بسیار نازکی را که یکی پس از دیگری بطور متحدالمرکز به دور هسته قرار دارند، تصور کنید. احتمال یافتن الکترون در واحد حجم فضای نزدیک به هسته بیشترین مقدار خود را دارد. ولی در عوض یک لایه نزدیک به هسته ، در مقایسه با لایه‌های دورتر ، تعداد کمتری واحد حجم را در بر می‌گیرد. احتمال شعاعی هر دو این عوامل را با هم به حساب می‌آورد.

نمودار سطح مرزی

احتمال یافتن الکترون در تمام نقاطی که از هسته به فاصله  برابر مقداری است که از طریق نظریه بور برای شعاع لایه n=1 تعیین شده است. در نظریه بوهر ،  فاصله‌ای است که همواره الکترون لایه n=1 از هسته دارا است. در مکانیک موجی  فاصله‌ای از هسته است که الکترون در آن حضور بیشتری دارد.

از آنجا که اصولا در هر فاصله معین از هسته ، الکترون امکان حضور دارد، ترسیم ناحیه‌ای با مرز مشخص که احتمال 100 درصد وجود الکترون را در بر بگیرد، ناممکن است. اما می‌توان سطح مرزی را ترسیم کرد که بتواند نقاط با احتمال یکسان را به هم بپیوندد و در برگیرنده حجمی باشد که در آن ، احتمال یافتن الکترون زیاد و مثلا در حدود 90 درصد است. چنین شکلی که نمودار سطح مرزی نامیده می‌شود، برای الکترون اتم هیدروژن در حالت n=1 بصورت کروی می‌باشد.

انواع اوربیتال

اوربیتال S

اوربیتال‌های S دارای تقارن کروی می‌باشد، تراز n=1 حداکثر دارای دو الکترون است. بنابراین تراز فرعی 1S و 2S و 3S و... هم تقارن کروی دارند، با این تفاوت که اندازه آنها بزرگتر از اوربیتال 1S می‌باشد.

اوربیتال p

اوربیتال p از سه اوربیتال فرعی تشکیل شده است. هر اوربیتال p به شکل دو کره تغییر شکل یافته است که می‌توان آنها را در امتداد یکی از محورهای سه گانه مختصات (z,y,x) تصور کرد از این رو اوربیتال‌های p را با  مشخص می‌کنند که در سه جهت مختلف قرار گرفته‌اند. اوربیتال‌های p از لحاظ انرژی برابرند و در غیاب میدان مغناطیسی نمی‌توان تفاوتی بین الکترون‌هایی که این اوربیتال‌ها را اشغال کرده‌اند قایل شد. ولی در بررسی‌های طیفی  که تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، هر اوربیتال p به سه خط شکافته می‌شوند.

اوربیتال d

اوربیتال‌های d از 5 اوربیتال فرعی تشکیل شده‌اند که جهت گیری‌های متفاوتی در فضا دارند ولی از لحاظ انرژی باهم هم‌ارز هستند. این اوربیتال‌ها عبارتند از:

اوربیتال f

اوربیتال‌های f از 7 اوربیتال فرعی تشکیل شده‌اند که جهت گیری‌های متفاوتی در فضا دارند ولی از لحاظ انرژی باهم هم‌ارز هستند. این اوربیتال‌ها عبارتند از:

 

 

پدیده فوتوالکتریک

دید کلی

بعد از اینکه پلانک فرمول اساسی خود را در مورد تابش جسم سیاه ارائه داد و چنین استدلال نمود که تابش دارای طبیعت کوانتومی‌ است، یعنی تابش الکترومغناطیسی از مجموعه‌ای از کوانتومهای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است، تحول شگرفی در علم فیزیک حاصل شد. بطوری که با استفاده از این مفهوم اندرکنشهای مختلف تابش با ماده که نظریه کلاسیک در توجیه آنها ناتوان بود، بطور کامل تشریح گردید. از جمله این اندرکنشها ، اندرکنشی است که به نام فوتوالکتریک معروف است.

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی زیادی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی ، فتوالکترون نیز می‌گویند

اثر فتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می‌شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، که به آن بسامد قطع می‌گویند، اثری از فتوالکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک ، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می‌کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می‌شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می‌دهد، یعنی گسیل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی‌کند.

تاریخچه

در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.

ساختار فوتو الکتریک

 

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.

مشخصات اثر فوتوالکتریک

هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود

بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.

انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.

گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.

اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.

اساس کار فوتو الکتریک

انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v0 نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv0 به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:

Mv2/2 = hv - w

رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است  و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.

انیمیشن فوتوالکتریک

 

 

  • نظريه ي اتمي دالتون:

دالتون نظريه اتمي خود را با اجراي آزمايش در هفت بند بيان كرد.

1-   ماده از ذره هاي تجزيه ناپذيري به نام اتم ساخته شده است.

2-   همه ي اتم ها يك عنصر , مشابه يكديگرند.

3-   اتم ها نه به وجود مي آيند و نه از بين مي روند.

4-   همه ي اتم هاي يك عنصر جرم يكسان و خواص شيميايي يكسان دارند.

5-   اتم هاي عنصرهاي مختلف به هم متصل مي شوند و مولكول ها را به وجود مي آورند.

6-   در هر مولكول از يك تركيب معين , همواره نوع و تعداد نسبي اتم هاي سازنده ي آن يكسان است.

7-   واكنش هاي شيميايي شامل جابه جايي اتم ها و يا تغيير در شيوه ي اتصال آن ها است.

نظريه هاي دالتون نارسايي ها و ايرادهايي دارد و اما آغازي مهم بود.

مواردي كه نظريه ي دالتون نمي توانست توجيه كند:

1-   پديده ي برقكافت (الكتروليز) و نتايج مربوط به آن

2-   پيوند يوني ـ فرق يون با اتم خنثي

3-   پرتو كاتدي

4-   پرتوزايي و واكنش هاي هسته اي

5-   مفهوم ظرفيت در عناصر گوناگون

6-   پديده ي ايزوتوپي

قسمت اول نظريه ي دالتون تأييد فيلسوف يوناني (دموكريت) بود.

نظريه ي دالتون از سه قسمت اصلي (قانون بقاي جرم ـ قانون نسبت ها معين ـ قانون نسبت هاي چندگانه) مي باشد.

مطالعه ي اتم ها و ذرات ريزتر فقط به صورت غيرمستقيم و از روي رفتار (خواص) امكان پذير است.

اولين ذره ي زيراتمي شناخته شده الكترون است. ذرات زير اتمي شامل:

1ـ الكترون 2ـ پروتون 3ـ نوترون

مواردي كه به كشف و شناخت الكترون منجر شد:

1-   الكتريسيته ي ساكن يا مالشي

2-   پديده ي الكتروليز (برقكافت)

3-   پرتو كاتدي

4-   پديده ي پرتوزايي

  • مدل اتمی تامسون

                              

 

  •  مدل اتمی رادر فورد

اولین مدل هسته دار اتم


  •  مدل اتمی بوهر (بور)

این مدل فقط در مورد اتم هیدروژن و یون های هیدروژن مانند که فقط یک الکترون دارند صادق است.

  • مدل کوانتومی اتم  و مدل ابر الکترونی

+ نوشته شده در  چهارشنبه دوازدهم مهر 1391ساعت 18:52  توسط عباس  |