دموکریت که بود؟
دموکریت (Democrite) یا ذیمقراطیس (۴۷۰- ۳۵۷ ق . م) دانشمند یونانی است که بخشی از زندگی خویش را در سیر و سیاحت در مصر گذرانید. کتابی به نام دیاکوسموس به دموکریت منسوب است که در آن نظراتش را درباره ی ساختار ماده توضیح داده است. نظرات او به طور کلی بر شالوده ی متافیزیکی مسأله ذره گرایی استوار است. او هیچ گونه اشاره ای به چگونگی ترکیب مواد گوناگون ندارد.

دموکریت که بود؟

دموکریت (Democrite) یا ذیمقراطیس (۴۷۰- ۳۵۷ ق . م) دانشمند یونانی است که بخشی از زندگی خویش را در سیر و سیاحت در مصر گذرانید. کتابی به نام دیاکوسموس به دموکریت منسوب است که در آن نظراتش را درباره ی ساختار ماده توضیح داده است. نظرات او به طور کلی بر شالوده ی متافیزیکی مسأله ذره گرایی استوار است. او هیچ گونه اشاره ای به چگونگی ترکیب مواد گوناگون ندارد. مفهوم ترکیب در آن زمان به معنای تبدیل بود یعنی تنها وجه کیفی مسأله مورد توجه بود و این همان نکته ای است که در دوره ی کیمیاگری نیز مورد توجه بسیار قرار گرفته است.
از نظر دموکریت : اتم ها همانندند، تقسیم ناپذیرند و فشرده نمی شوند، آغاز و پایان ندارند. او برای تفاوت خواص ماده از اندازه، شکل و وزن اتم ها سخن می گوید و تفاوت خواص را به شکل اتم ها نسبت می دهد، به طور مثال مواد ترش اتم های لوزی شکل دارند.

دلیلی برای تصور دموکریت از اتم:

دموکریت ساده ترین راه را برای توجیه خواص ماده برگزیده است. یا به عبارت دیگر، او متفاوت بودن شکل ذره های سازنده ی مواد را معیار قضاوت در مورد تفاوت خواص آنها قرار داده است.

برای مثال، لمس کردن، بوییدن و چشیدن بعضی مواد یا ورود بعضی چیزها به چشم باعث ناراحتی انسان می شود. با این نگاه می توان این طور تصور کرد که ذره های سازنده ی همه ی این مواد مانند خرده های شیشه تیز و برنده اند و به واسطه ی شکل خاصی که دارند، چنین رفتاری از خود نشان می دهند. سرکه و آبلیمو ترش و سوزاننده اند و اطلاق شکل خرده شیشه به ذرات آنها از این نگاه ناشی می شود.
خلاصه نظریه دموکریت:
 

دالتون که بود؟

جان دالتون( John, Dalton) (1766-1844)– در خانواده ای تهیدست در انگلستان زاده شده. هیچ مقام دانشگاهی نداشت اما از سال ۱۷۹۹ به سخنرانی های خصوصی پرداخت. وی در منچستر در گذشت. کشف پدیده ی کور رنگی را به او نسبت می دهند به همین دلیل این پدیده دالتونیسم گفته می شود.

دالتون نظریه اتمی خود را در سال های ۱۸۰۳ تا ۱۸۰۸ بر اساس مشاهدات تجربی و قانون مندی واکنش های شیمیایی ارائه داد و همین تفاوت وی با دیگر نظریه پردازان اتمی است که وی را در شمار دانشمندان بزرگ شیمی قرار می دهد نظریه او مبتنی بر چند اصل به شرح زیر است:

۱- عنصرها از ذرات فوق العاده ریزی به نام اتم تشکیل شده اند کلیه اتم های یک عنصر یکسانند ولی اتم های عنصرهای مختلف در جرم اندازه و دیگر ویژگی ها با یک دیگر فرق دارند.

۲- اتم های یک عنصر نه نابود می شوند و نه از نو به وجود می آیند و هیچ اتمی از یک عنصر به اتم عنصر دیگر تبدیل نمی شود. اما اتم ها در واکنش های شیمیایی شرکت می کنند، به یک دیگر می پیوندند یا از هم جدا می شود.

۳- یک ترکیب شیمیایی از به هم پیوستن اتم های دو یا چند عنصر پدید می آید. انواع اتم های شرکت کننده در یک ترکیب مشخص، همواره یکسانند و نسبت جرمی این اتم ها نیز ثابت است.

نظریه اتمی دالتون

جان دالتون نظریه اتمی را بگونه‌ای طرح کرد که شاخص برجسته‌ای در تاریخ شیمی شد. این نظریه در سالهای ۱۸۰۳ تا ۱۸۰۸ مطرح شد. در آن زمان دانشمندان بسیاری معتقد بودند که ماده از اتم‌ها ترکیب یافته است اما دالتون از این هم پیش رفت. او طرحی برای نظریه اتمی بوجود آورد که می‌توانست قوانین تغییر شیمیایی را توضیح دهد و با نسبت دادن جرمهای نسبی به اتمهای عناصر گوناگون به مفهوم نظریه اتمی صورت کمی داد.

اصول موضوع نظریه دالتون

۱٫ عناصر از ذرات بی‌نهایت کوچکی که اتم نامیده می‌شوند ترکیب یافته‌اند. تمام اتمهای یک عنصر یکسان و اتمهای عناصر گوناگون متفاوت‌اند.

۲٫ در واکنشهای شیمیایی اتمها از هم جدا می‌شوند و به هم می‌پیوندند. در این واکنش هیچ اتمی ایجاد نمی‌شود یا از میان نمی‌رود و هیچ اتمی از یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل نمی‌شود.

۳٫ یک ماده مرکب شیمیایی حاصل ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر است. یک ماده مرکب معین از اتمهایی ترکیب یافته است که همواره نوع و نسبت آنها ثابت است.

تغییرات در نظریه اتمی دالتون

نظریه دالتون به مفهوم کلی آن امروزه نیز معتبر است. لیکن اصل اول آن تغییر یافته است. دالتون می‌گفت که تمام اتمهای یک عنصر معین ، جرم اتمی یکسان دارند. امروزه ما می‌دانیم که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیایی به هم شبیه و اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. علاوه بر این ما می‌توانیم یک جرم متوسط برای اتمهای هر عنصر در نظر بگیریم. در بسیاری از محاسبات اگر عنصر را از یک نوع اتم با جرم متوسط بدانیم اشتباهی بوجود نمی‌آید.

منشا نظریه اتمی دالتون

دالتون وجوه کمی نظریه خود را از درون دو قانون مربوط به تغییرات شیمیایی بیرون کشید:

• قانون پایستاری جرم می‌گوید که در جریان یک واکنش شیمیایی جرم تغییر محسوسی نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

• قانون نسبتهای معین می‌گوید که یک ماده مرکب خالص همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب می‌شوند. اصل سوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.

خلاصه نظریه دالتون:

در نظریه دالتون و نظریه‌های یونانیان اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند اما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه نتیجه آزمایشهایی بود که با الکتریسیته بعمل آمد. در سال ۱۸۰۷ و ۱۸۰۸ شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته پنج عنصر پتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد.
خلاصه نظریه دالتون:

آب، باد، خاک،آتش (عناصر اربعه)

فیلسوفان یونان معتقد بودند که اشیـای جهـان منشأ واحدی دارند، یعنی صورت های گوناگون یک اصل(عنصر) واحدند که آن را «مـاده اولیه» یا «ماده المواد»(Prima Materia) می نـامیدند واژه ی عنصر(Element) از کلمه ی لاتین المنتوم(Elementum) گرفته شده است.

این نظریه ها در حدود سال های ۶۰۰ تا ۳۰۰ ق. م نقطـه ی مقابل نظریه هـایی است که اتم هـای متنوع را عامل تشکیل ماده می دانند.

امپدوکلس(Empedoklis) پزشک و فیلسوف یونانی(۴۹۰ –۴۳۵ ق. م) برای نخستین بار نظریه ای ارائه داد که بر اساس آن اشیای جهان با وجود گوناگونی و تفاوت در محتوا، همگی منحصراً از چهار عنصر «خاک، آب ، هـوا و آتش» به وجود می آیند.

ارسطو معتقـد بود که ماده المواد تغییر نـاپذیر است و مقدار آن همواره ثابت و منشأ همه ی مواد و اشیـای جهـان است، وی برای ماده المواد چهار خاصیت در نظر گرفت که دوبه دو به روی هم قرار می گیرند و عناصر چهارگـانه را پدید می آورند وی معتقد بود که این خاصیت ها جزو جدانشدنی ماده المواد نبوده، بلکه قابل افزایش ویا کاهش هستند از این رو چگونگی تغییر ماده را می توانست توجیه کند. مثلا˝ در تبدیل آب به بخـار معتقد بود کـه با گـرما دادن به آب از میزان سردی آن کاسته شده در نتیجه به هوا (بخار) تبدیل می شود.

مدل اتمی تامسون

برای نخستین بار جان تامسون ، با استفاده از لامپ پرتو کاتدی ، به ماهیت زیر اتمی ها پی برد . وی به دو سر الکترود مثبت و منفی لامپ، اختلاف پتانسیل الکتریکی وصل کرد ، و مشاهده کرد که پرتو کاتدی از الکترود منفی (کاتد) به الکترود مثبت (آند) می رود . سپس در مسیر پرتو کاتدی میدان مغناطیسی قرار داد و مشاهده کرد که پرتو کاتدی به سمت قطب مثبت منحرف می شود و همچنین در این مسیر ، توربین پرّه دار قرار داد و بر اثر برخورد پرتو به توربین ، توربین شروع به حرکت می کرد .

وی با تکیه بر آزمایش های خود به این نتیجه رسید که ذرات سازنده پرتو کاتدی دارای بارالکتریکی منفی هستند و همچنین علاوه بر ماهیت موجی که پرتو دارد ، ماهیت ذره ای نیز از حود نشان می دهد . تامسون این ذرات منفی را ، الکترون نامید و بعد ها وی دریافت که ذرات سازنده پرتو کاتدی در تمام مواد وجود دارند . وی با استناد بر استنتاج های خود نظریه اتمی خود را مطرح ساخت .
 مطابق این مدل ، اتم از بار الکتریکی منفی ( الکترون ) و بار الکتریکی مثبت تشکیل شده است که به صورت یکنواخت در سراسر اتم پخش شده است . اما مدل اتمی تامسون دارای نقصهایی می باشد که از جمله آن، این بود که محاسبات انعکاس و انحراف پرتو آلفا هنگام گسیل به ورقه نازک فلزی ، نسبت به مدل اتمی تامسون مغایر بود . به همین دلیل دانشمندان درصدد تعمیر مدل اتمی شدند .

مدل اتمی رادرفورد

دو سه سال بعد رادرفورد با انجام آزمایشی ، مدل اتمی تامسون را رد کرد . او در آزمایش خود ، پرتو آلفا را ، که دارای بار الکتریکی منفی است ، به ورقه نازک طلا گسیل داد ، بر اثر این برخورد ، بخش عظیمی از پرتو از ورقه عبور کرد ، اما قسمت ناچیزی از آن ، بر اثر بر خورد، منعکس و یا منحرف شد .

وی با تکیه بر این استنتاج ، مدل اتمی خود را در صحنه رقابت مطرح ساخت . بخش عظیمی از فضا اتم خالی است و به همین دلیل بخش عظیمی از پرتو آلفا بدون انحراف از اتم عبور می کند ، اما قسمت ناچیزی از اتم توپر و متراکم است که دارای بار الکتریکی مثبت است و هنگامی که پرتو آلفا به آن برخورد می کند منعکس می شود و یا هنگامی که از نزدیکی آن عبور می کند منحرف می شود .

در اطراف این منطقه توپر “هسته اتم” الکترون ها پراکنده شده اند . و علت آنکه چرا هنگامی که پرتو آلفا از فضای اطراف هسته عبور می کند و از کنار الکترون ها بدون هیچ انحرافی به مسیر خود ادامه می دهد آن است که در یک اتم اندازه بارالکتریکی مثبت هسته با مجموع اندازه بار الکتریکی منفی الکترون های اطراف آن برابر است . پس مطابق مدل اتمی رادرفورد ، اتم از هسته که دارای بار الکتریکی مثبت است و در مرکز اتم قرار دارد و همچنین الکترون که در اطراف هسته قرار دارد، تشکیل شده است . با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد این سوال برای دانشمندان پیش آمد که طیف نشری خطی اتم عناصر ، حاصل از چیست ؟

معمای جدید در طراحی مدل اتمی ، باعث شد که دانشمندان دست به تحقیقات و آزمایش های گسترده بزنند .

مدل اتمی- مدل اتمی رادرفورد

با پیشرفت روز افزون علم شیمی، نوآوری در ابزارها و گسترش روش های پیشرفته آزمایشگاهی شواهد و یافته های فراوانی به دست آمد که تفسیر آنها بر اساس نظریه اتمی دالتون امکان پذیر نبود.
شواهد بدست آمده مبنی بر این که اتم ذره ای تجزیه پذیر است و خود از ذره های ریزتر تشکیل شده است با نظریه اتمی دالتون سازگاری نداشت. به همین دلیل تلاش برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر و دقیق تر به عمل آمد تا امکان پیشنهاد نظریه جامع تری برای تفسیر ساختار درونی اتم فراهم آید.
واقعیت این است که بسیاری از چیزها رانمی توان بطور مستقیم مشاهده کرد، اما با استفاده از شواهد غیرمستقیم می توان به وجود آنها پی برد. برای نمونه هوا را با چشم نمی توان دید اما با حرکت دادن یک قطعه مقوا در مقابل صورت و یا حرکت دادن بادبزن می توان برخورد هوا به صورت را حس کرد و به وجود آن پی برد . همچنین اگر چه نمی توان اتم را با قویترین میکروسکوپ ها دید و از راز درون آن با خبر شد، اما می توان از راه جمع آوری شواهد فراوان درباره خواص مواد واتم های سازنده آنها استنباط درست از اتم به دست آورد و مدلی را طراحی کرد که به کمک آن بتوان ساختار اتم ها را نشان داد و بسیاری ا ز خواص ماده را توجیه نمود. شیمیدان ها برای نمایش اتم ها که کوچکند و دیده نمی شوند از مدل استفاده می کنند. یک مدل از نظر علمی، توصیفی است که دانشمندان برای نمایش ویژگی های مهمی که در صدد بیان آن هستند به کار می بر ند. مدلی که بر اساس آزمایش های رادرفورد در سال ۱۹۱۱ برای اتم پیشنهاد شده و در حال حاضر نیز به کار می رود شامل یک هسته است که در مرکز اتم قرار دارد ودر این هسته ذره های باردار با بار مثبت به نام پروتون وجود دارد. با توجه به اینکه اتم از نظر الکتریکی خنثی است فضای اطراف هسته دارای ذره هایی با بار الکتریکی منفی است که الکترون نامیده می شود و در یک اتم تعداد آنها با تعداد پروتون ها برابر است. با توجه به اینکه قطر هسته اتم حدود ۱۰۰۰۰/۱ قطر اتم است می توان گفت که قسمت اعظم اتم فضای خالی است. ساده ترین هسته مربوط به اتم هیدروژن است که تنها یک پروتون دارد. هسته ها ی دیگر افزون بر پروتون، ذره های دیگری به نام نوترون دارند که جرم آن مشابه جرم پروتون است اما بارالکتریکی ندارد. الکترون نسبت به پروتون و نوترون خیلی سبکتر است (جرم الکترون ۱۸۳۶/۱جرم پروتون می باشد و به سرعت در فضای اطراف هسته حرکت می کند. پروتون، نوترون، و الکترون را به عنوان ذره های زیر اتمی می شناسیم. )

مدل اتمی بور

با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد این سوال برای دانشمندان پیش آمد ، که طیف نشری خطی اتم عناصر ، حاصل از چیست ؟

در این هنگام نیلس بور با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد چنین پیشنهاد داد که الکترون ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی قرار دارند و در این سطوح به دور هسته اتم در حال چرخیدن هستند . انرژی الکترون هایی که در سطوح انرژی پایین تر به هسته نزدیک تر هستند ، نسبت به الکترون هایی که از هسته دورند ، انرژی کمتری دارند . پس برای انتقال الکترون از سطح انرژی پایین به سطح انرژی بالا ، باید انرژی معادل اختلاف انرژی بین آن دو سطح ، را به آن الکترون بدهیم . پس انرژی الکترون ها در یک اتم کوانتیده است .

مدل اتمی بور توانست به ما نشان دهد که طیف نشر خطی که از اتم عناصر گسیل می شود ، بر اثر انتقال الکترون ها از سطوح انرژی بالا به سطوح انرژی پایین است ، که در این انتقال انرژی الکترون کاهش و به صورت نور و گرما آزاد می شود. که اگر این نور آزاد شده را از منشور عبور دهیم طیف نشری آن مشخص می شود .

بور ، بیشتر مدل اتمی خود را بر اساس آزمایش هایی که با اتم های هیدروژن و هیلیم انجام داده بود مطرح می ساخت به همین دلیل مدل اتمی او ( که به مدل منظومه شمسی معروف است ) برای اتم های سنگینی مانند اورانیم ، آهن و … صدق نمی کرد. در این هنگام مدل اتمی کوانتمی (یا ابر الکترونی ) به همکاری بسیاری از دانشمندان به در عرصه رقابت مطرح شد . از جمله دانشمندانی که در این مدل اتمی سهم چشمگیری داشتند ، هایزنبگ ، پلانک و شرودینگر را می توان نام برد .

البته انیشتین با ارائه فرمول های خود نیز توانست به این مدل اتمی کمک کند.

در مدل بور تعداد الکترونهای هر مدار ثابت از مداری به مدار دیگر تغییر می کند.

مدل اتمی اربیتالی

طبق این مدل اتمی اتم از هسته و الکترون تشکیل شده است ، که هسته در مرکز اتم قرار دارد و الکترون ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی حرکت می کنند ( در اینجا باید توجه داشت که همه الکترون ها به دور هسته نمی چرخند بلکه در اطراف آن در حال حرکت هستند ) ، اما تعیین دقیق مکان (موضع ) و سرعت ( نوع حرکت ) الکترون ها به طور هم زمان و در یک لحظه امکان پذیر نیست .

الکترون ها در اطراف هسته اتم در فضای مشخصی حرکت می کنند ، که به این فضای اطراف اتم که بیشترین احتمال وجود اتم را دارد ، اوربیتال می گویند . اوربیتال ها در واقع تراز انرژی الکترون ها را مشخص می کنند . هر کدام از این اوربیتال ها به چند زیر لایه تقسیم می شوند که الکترون های زیر لایه های یک اوربیتال ، دارای انرژی یکسانی هستند . در مدل اتمی کوانتمی ، تجسم اتم بسیار مشکل است . به همین دلیل بعضی از افراد برای مطالعه دگرگونی های اتم در یک واکنش از مدل اتمی بور استفاده می کنند .