دید کلی
"
نیلز بوهر" ، به کمک شواهد تجربی
رادرفورد و نظریه کوانتومی ، قوانین حاکم بر حرکت
الکترونها در اطراف
هسته را یافت. اتم
هیدروژن ، ساده ترین اتمهاست که در هسته آن ، فقط یک بار مثبت وجود دارد و یک الکترون با بار منفی آن را دور میزند. الکترون اتم هیدروژن ، میتواند در یکی از مدارهای محتمل حرکت کند، اما مجاز بودن مدار بر اساس
قوانین مکانیک کوانتومی تعیین میشود.
پایدارترین مدار مجاز ، مداری است که انرژی آن کمترین مقدار باشد. در این حالت فاصله مسیر حرکت الکترون از هسته مدار ، تقریبا" یک آنگسترم (معادل یک صد میلیونیم سانتیمتر ) است. در این مدار مجاز ، مقدار اندازه حرکت زاویهای ، صفر است. در سطح انرژی بالاتر بعدی ، چهار مدار مجاز وجود دارد که الکترون ممکن است یکی از این چهار مدار را اختیار کند. در مدارهای انرژی باز هم بالاتر ، تعداد مسیرها تغییر میکنند.
مدار حرکت الکترون
الکترون علاوه بر گردش در اطراف هسته ، مانند زمین ، حول محور خود نیز میچرخد. چرخش الکترون در یکی از جهتهای چپ و راست صورت میگیرد. این موضوع تعداد حرکتهای مجاز یا نوع مدارها را دو برابر میکند، چون ممکن است الکترون در هر مدار مفروض به یکی از جهتها بچرخد. بنابراین میتوان گفت، همانگونه که در یک شهر برای تردد وسایل نقلیه قوانین خاصی وجود دارد، در دنیای اتم نیز قوانین ویژه ای وجود دارد که حرکت ذرات اتمی تابع این قوانین است.
اصل طرد پائولی
در اتمی سنگینتر از هیدروژن ، یعنی اتمی دارای بیش از یک الکترون ، حرکت الکترونها بسیار پیچیدهتر است. درست همان طور که مدار گردش زمین به دور خورشید ، تحت تاثیر گرانش سایر سیارات از حالت بیضی خارج میشود، حرکت هر الکترون حول هسته اتم سنگین از سایر الکترونها نیز متاثر میشود. اما بنابر اصل طرد پاولی ، هیچ دو الکترونی با اندازه مساوی و جهت اندازه حرکت زاویه ای یکسان و اسپینهای همجهت ، نمیتوانند در مدارهای واحدی وجود داشته باشند. به بیان دیگر هر الکترون در هر مدار مجاز انرژی دارای چهار مشخصه است که به هر یک از این مشخصهها ، اعداد کوانتومی نسبت داده میشود. این اعداد عبارتند از:
اصل پائولی ، بیان میکند که هیچ دو الکترون نمیتوانند دارای چهار عدد کوانتومی یکسان باشند. این اصل ، نقش فوقالعاده مهمی را در ساختار اتمها ایفا میکند. غنای بیش از حد در تنوع خواص شیمیایی عناصر گوناگون ، از این واقعیت سرچشمه میگیرد که فقط تعداد محدودی الکترون میتوانند هر حالت ویژه انرژی مفروضی را اشغال کنند.
مدل کودکستان
نظریه اتمی بور ـ رادرفورد در سال 1913
مدل کودکستان عالمهای صغیر را مطرح کرد. بنابراین مدل ساده ، اتم یک خورشید هستهای با منظومه سیارهای الکترونهاست. این مدل ، به ایده اتمهای نامرئی سازمان بخشید و به شیمیدانها کمک کرد که چگونه ارتباط
اتمها را در
مولکولها توضیح دهند. اگر
نظریه کوانتومی به مدل مفهوم میبخشد، این مدل هم به نظریه کوانتومی معنا میدهد.
به عنوان مثال ، تک الکترون اتم هیدروژن ، تنها و نا آرام است. هیدروژن ، براحتی الکترونهای خود را از دست میدهد و به یون مثبت یا پروتون تبدیل میشود. این یون مثبت ، بسیار واکنشپذیر است و به سهولت در
ترکیب شیمیایی با سایر عناصر وارد میشود. بر عکس ، اتم هلیم قویا پایدار است. هسته آن ، دارای دوبار مثبت است که دو الکترون مداری را در ارتباط با خود محکم نگه میدارد. لذا ، مشاهده نشده است که
هلیوم از لحاظ شیمیایی واکنش نشان دهد یا ترکیب شود.
اعداد جادویی
بطور کلی ، خاصیت مشاهده شده در هلیوم ، در مورد سایر گازهای به اصطلاح نجیب ، یعنی
نئون ،
آرگون ،
کریپتون و
گزنون صدق میکند. هر یک از این گازها با منظومه بسیار درهم بافتهای از الکترونها ، تقویت شده و بوسیله هیچ یک از آنها به آسانی جدا نمیشوند، یا معمولا به عناصر دیگر نمیپیوندند. در واقع ، پایداری این پنج گاز ، استثنایی است که
اعداد اتمی آنها ، یعنی 2 ، 10 ، 18 ، 36 ، 54 به عنوان اعداد جادویی
جدول تناوبی معروف هستند.
هنگامی که در سالهای 1960 ، ترکیب موفقیت آمیز
فلوریدها و سایر ترکیبات با گزنون و کریپتون اعلام شد، شگفتی عظیمی بر جامعه علمی سایه انداخت.
سخن آخر
شیمیدانان به کمک تصویر
ساختار الکترونی اتم ، توانستند عناصر را به صورت خانواده ، گروه بندی و رفتار شیمیایی آنها را پیشبینی کنند. اما فیزیکدانان در آن هنگام فکر میکردند که این مسئله ای سطحی یا تردستی با اعداد است. "
لرد ریلی" فیزیکدان بریتانیایی
برنده جایزه نوبل ، میگفت: «من موضوع را به دقت بررسی کردم ، اما هیچ فایدهای به حالم نداشت». در واقع معرفت بر ساختار الکترونی اتم ، اطلاعات یا سرنخهای اندکی درباره ساختار هسته به دست داد.
ماهیت شیمیایی هر اتم به وسیله تعداد الکترونها و پروتونهای آن تعیین میشود که برای ایجاد توازن بارهای مثبت و منفی ، باید تعداد آنها مساوی باشند. اما مطلب فوق به توضیح این مسئله که چرا هسته پا برجاست، کمکی نمیکرد. نیروهایی که سبب پایداری هسته میشوند، میلیونها بار از نیروهایی که اتصال الکترونها را به هسته برقرار میکنند، بزرگترند.
مباحث مرتبط با عنوان
