نظریه اتمی: تاریخچه و مدل‌های مختلف اتم‌ها در علم شیمی و فیزیک

نظریه اتمی توصیف علمی از ماهیت اتم ها و ماده است که عناصر فیزیک، شیمی و ریاضیات را ترکیب می کند. بر اساس نظریه مدرن، ماده از ذرات ریز به نام اتم ها تشکیل شده است که خود از ذرات زیراتمی ساخته شده اند. اتم های یک عنصر مشخص در بسیاری از جنبه ها یکسان هستند و با اتم های عناصر دیگر متفاوتند. اتم ها در نسبت های ثابت با سایر اتم ها ترکیب می شوند تا مولکول ها و ترکیبات را تشکیل دهند. این نظریه طی زمان تکامل یافته است، از فلسفه اتمیسم تا مکانیک کوانتومی مدرن. در اینجا تاریخچه ای مختصر از نظریه اتمی آورده شده است.

اتم و اتمیسم

تاریخ نظریه اتمی به عنوان یک مفهوم فلسفی در هند و یونان باستان آغاز شد. واژه "اتم" از کلمه یونانی باستان "اتوموس" به معنای "غیرقابل تجزیه" نشأت گرفته است. بر اساس اتمیسم، ماده از ذرات مجزا تشکیل شده است. با این حال، این نظریه یکی از توضیحات بسیاری برای ماده بود و بر اساس داده های تجربی نبود. در قرن پنجم قبل از میلاد، دموکریتوس پیشنهاد داد که ماده از واحدهای غیرقابل تخریب و غیرقابل تجزیه به نام اتم ها تشکیل شده است. شاعر رومی لکرشیوس این ایده را ثبت کرد که به این ترتیب، در دوران تاریکی نیز زنده ماند تا مورد بررسی قرار گیرد.

نظریه اتمی دالتون

در انتهای قرن هجدهم طول کشید تا علم شواهد واضحی از وجود اتم ها ارائه کند. در سال 1789، آنتوان لویسیر قانون حفاظت از جرم را معرفی کرد که بیان می کند جرم محصولات یک واکنش همان جرم مواد واکنش دهنده است. ده سال بعد، جوزف لوئی پراست قانون تناسب های معین را پیشنهاد کرد که بیان می کند جرم های عناصر در یک ترکیب همیشه در نسبت یکسانی اتفاق می افتند.

این نظریه ها به اتم ها اشاره نمی کردند، اما جان دالتون بر اساس آن ها به توسعه قانون نسبت های چندگانه پرداخت که بیان می کند نسبت های جرم عناصر در یک ترکیب، عددهای صحیح کوچک هستند. قانون نسبت های چندگانه دالتون به داده های تجربی اتکا داشت. او پیشنهاد کرد که هر عنصر شیمیایی از یک نوع اتم واحد تشکیل شده است که هیچ گونه راه شیمیایی قادر به تخریب آن نیست. ارائه شفاهی او در سال 1803 و انتشار مقاله اش در سال 1805، آغاز نظریه اتمی علمی را رقم زد.

در سال 1811، آمدئو آووگادرو مشکلی را در نظریه دالتون اصلاح کرد و پیشنهاد داد که حجم های مساوی از گازها در دما و فشارهای مساوی، تعداد یکسانی از ذرات را در خود دارند. قانون آووگادرو این امکان را فراهم کرد که به طور دقیق جرم های اتمی عناصر را برآورد کرده و تمایز واضحی بین اتم ها و مولکول ها برقرار کند.

یکی دیگر از مشارکت های مهم در تاریخ نظریه اتمی به سال 1827 برمی گردد که توسط گیاه شناس رابرت براون صورت گرفت. او متوجه شد که ذرات گرد و غبار معلق در آب به طور تصادفی و بدون دلیل مشخصی حرکت می کنند. در سال 1905، آلبرت اینشتین فرضیه ای مطرح کرد که حرکت براونی ناشی از حرکت مولکول های آب است. مدل و تأیید آن در سال 1908 توسط ژان پرن، نظریه اتمی و نظریه ذرات را تقویت کرد.

مدل دسر پلومی و مدل رادرفورد

تا این نقطه، اتم ها به عنوان کوچک ترین واحدهای ماده در نظر گرفته می شدند. در سال 1897، جی. جی. تامسون الکترون را کشف کرد. او معتقد بود که اتم ها قابل تقسیم هستند. از آنجایی که الکترون بار منفی داشت، او مدل دسر پلومی را برای اتم پیشنهاد کرد که در آن الکترون ها در یک جرم بار مثبت جا داده شده بودند تا یک اتم الکتریسیته خنثی ایجاد شود.

ارنست رادرفورد، یکی از شاگردان تامسون، مدل دسر پلومی را در سال 1909 رد کرد. رادرفورد دریافت که بار مثبت یک اتم و بیشتر جرم آن در مرکز یا هسته اتم قرار دارد. او مدل سیاره ای را توصیف کرد که در آن الکترون ها به دور یک هسته کوچک و دارای بار مثبت در حال چرخش هستند.

مدل اتمی بور

رادرفورد در مسیر صحیحی بود، اما مدل او نمی توانست طیف های ساطع و جذب اتم ها را توضیح دهد و همچنین دلیل عدم برخورد الکترون ها به هسته را روشن کند. در سال 1913، نیلز بور مدل بور را پیشنهاد کرد که بیان می کند الکترون ها فقط در فواصل مشخصی از هسته در حال چرخش هستند. بر اساس مدل او، الکترون ها نمی توانند به سمت هسته پیچ بخورند، اما می توانند در سطوح انرژی بین ها پرش های کوانتومی انجام دهند.

نظریه اتمی کوانتومی

مدل بور طیف خط های هیدروژن را توضیح داد، اما به رفتار اتم هایی که چندین الکترون دارند توسعه نیافت. چندین کشف، پیشرفت هایی در تاریخ نظریه اتمی به شمار می روند. در سال 1913، فردریک سدی ایزوتوپ ها را توصیف کرد که اشکالی از یک اتم از یک عنصر بودند که تعداد متفاوتی از نوترون ها را در خود داشتند. نوترون ها در سال 1932 کشف شدند.

لویی د برولی رفتار موجی ذرات در حال حرکت را پیشنهاد کرد که ارنست شرودینگر آن را با استفاده از معادله شرودینگر در سال 1926 توصیف کرد. این موضوع به اصلی عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ در سال 1927 منجر شد که بیان می کند نمی توان به طور همزمان موقعیت و جنبش یک الکترون را دانست.

مکانیک کوانتومی منجر به نظریه اتمی شد که در آن اتم ها از ذرات کوچک تری تشکیل شده اند. الکترون می تواند در هر نقطه ای از اتم وجود داشته باشد، اما بیشترین احتمال آن در یک اوربیتال اتمی یا سطح انرژی وجود دارد. به جای مدارهای دایره ای مدل رادرفورد، نظریه اتمی مدرن اوربیتال هایی را توصیف می کند که ممکن است کروی، به شکل دمبل و غیره باشند. برای اتم هایی با تعداد بالایی از الکترون ها، اثرات نسبیتی نقش پیدا می کند، زیرا ذرات با کسری از سرعت نور در حال حرکت هستند.

دانشمندان مدرن ذرات کوچک تری را که پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها را تشکیل می دهند، کشف کرده اند، اگرچه اتم همچنان کوچک ترین واحد ماده است که نمی توان آن را با روش های شیمیایی تقسیم کرد.