مدل هاي اتمي

یک اتم کوچکترین جزء اصلی غیر قابل تقلیل یک سیستم شیمیایی می باشد این کلمه از کلمه یونانی atomos، غیر قابل تقسیم، که از a-، بمعنی غیر، و tomos، بمعنی برش، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم های شیمیایی یعنی اساسی ترین اجزاء مولکول ها و مواد ساده می باشد. اتم ها  قابل تفکیک نیستند اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم معمولا میان 10pm تا100pm متفاوت است.

 

مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی ماننددموکریتوس(Democritus)،لئوسیپوس((Leucippusواپیکورینز(Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن 18 (Rudjer Boscovich)راجر بسکوویچ آنرا احیاء نمود، و بعد از آن توسط «John Dalton)جان دالتون در شیمی بکار برده شد.

جان دالتون

راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

براساس نظریه بوسویچ، اتمها نقاط بی اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده، استفاده نمود. در اثر تلاش «Amendo Avogadro)آمندو آواگادرو در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم ها و مولکولها را درک نمایند. در عصر مدرن اتم ها بصورت تجربی مشاهده شدند.
در آزمایش ها نیز مشخص گردید که اتمها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هسته       ( پروتونها و نوترونها)، و بقیه اتم فقط از پوسته های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم های با تعداد مساوی الکترون و پروتون، از نظر الکتریکی خنثی هستند.
اتم ها عموما بر حسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتونهای آن اتم می باشد، طبقه بندی می شوند. برای مثال، اتم های کربن اتم هایی هستند که دارای شش پروتون میباشند. تمام اتمهای با عدد اتمی مشابه، دارای خصوصیات فیزیکی متنوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می دهند. انواع گوناگون اتمها در جدول تناوبی لیست شده اند.

 اتمهای دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (به علت تعداد متفاوت نوترونهای آنها) ایزوتوپ نامیده می شوند.

ساده ترین اتم، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی، خصوصا در اوایل شکل گیری نظریه کوانتوم، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم ها بطور عمده ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترونهای آن می باشد. خصوصا الکترونهایی که در خارجی ترین لایه اتمی قرار دارند بنام الکترونهای ظرفیتی، بیشترین اثر را در واکنشهای شیمیایی نشان می دهند. الکترونهای مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر میباشند ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی، نقش ثانویه دارد.

اتم ها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند، لایه خارجی هیدروژن و هلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل با استفاده مشترک از الکترونهای اتمهای مجاور و یا با جداکردن کامل الکترونها از اتمهای دیگر فراهم میشود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کوالانسی میان دو اتم تشکیل می گردد. پیوندهای کوالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی می باشند.

هنگامیکه بوسیله اتم، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می گردد، یونها ایجاد می شوند. یونها اتم هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو نها و الکترونها، دارای بار الکتریکی ویژه می شوند. یونهایی که الکترون(ها) را بر می دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون(ها) را از دست می دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد. کاتیونها و آنیونها بعلت نیروی کولمبیک(coulombic) میان بارهای مثبت و منفی، یکدیگر را جذب می نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده می شود و از پیوند کوالانسی ضعیفتر است.

همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتی ایجاد میشود که در آن الکترونها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می شود، درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد میگردد که الکترون ها کاملا در انحصار آنیون قرار میگیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر، هیچکدام از این توصیف ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کوالانسی، الکترونها بطور نامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم های با بار الکتریکی منفیتر می کنند، که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواص یونی می گردد. بطور مشابهی، در پیوندهای یونی الکترونها اغلب در مقاطع کوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت تر می چرخند، که باعث ایجاد بعضی از خواص کووالانسی در پیوند یونی می گردد.

نظریه اتمی دالتون

جان دالتون نظریه اتمی را بگونه‌ای طرح کرد که شاخص برجسته‌ای در تاریخ شیمی شد. این نظریه در سالهای 1803 تا 1808 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

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

2. 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.

3. 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.

الکترون

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 1807 و 1808 شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته پنج عنصر پتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد.

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 .

الکترونها در کره ای از بارهای مثبت پراکنده اند

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 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 الكترونهاي هر مدار ثابت از مداري به مدار ديگر تغيير مي كند.

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 .

البته مدل کوانتمی را در صفحه های سه بعدی (رایانه ) نشان می دهند .
ورنر هایزنبرگ ، دانشمند آلمانی ، خاطر نشان ساخت که تعیین دقیق الکترون ( موضع ومکان آن ) و همچنین اندازه سرعت آن (نوع حرکت ) در یک لحظه امکان پذیر نیست . برای دیدن جسمی و همچنین تشخیص محل آن کافیست یک فوتون را به سطح آن گسیل کنیم و با انعکاس آن فوتون از سطح و بازگشتش به حسگر های مجازی یا حقیقی ( چشم یا هر نوع حسگر مجازی که رادار ها را دریافت می کند ) ، موقعیت آن جسم را بازگو می کند .

 طبق قوانین پلانک در مورد امواج ، فوتون دارای طول موج و همچنین انرژی می باشد ، به همین دلیل هنگامی که به سطح جسم برخورد می کند ، مقداری از انرژی خود را به سطح جسم مقابل منتقل می کند . اما ممکن است تاثیری بر آن نداشته باشد . ( مانند برخورد نور به سطح آینه وانعکاس آن ) اما اگر بخواهیم موقعیت یا جایگاه احتمالی الکترون ها را در اطراف هسته اتم بیابیم و یک فوتون به الکترون بتابانیم ، الکترون با دریافت مقداری انرژی از فوتون ، سرعتش افزایش می یابد ، و در نتیجه می توانیم از جایگاه و محل حرکت الکترون مطلع شویم ، اما نمی توانیم از حرکت و سرعت آن سخنی بگوییم و اگر با انجام آزمایش هایی (از جمله استفاده از میدان مغناطیسی ) بتوانیم سرعت الکترون را ثبت کنیم، در اینجا نمی توانیم به طور دقیق محل حرکت الکترون را مشخص کنیم . این بیان به عنوان عدم قطعیت هایزنبرگ شناخته شده است .
پس ما در واقع اشکال اوربیتال ها را بر اساس امواجی که از الکترون ها ساطع می شود ، مجسم می کنیم .

عدد اتمي (Z)

عدد اتمی ( z )، اصطلاحی است که در شیمی و فیزیک برای بیان تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم به کار می‌رود.

عدد اتمی اصولاً شماره محل هر اتم در جدول تناوبی می‌باشد. وقتی مندلیف، عناصر شیمیائی شناخته شده را بر اساس تشابهاتشان در شیمی مرتب کرد، متوجه شد که قرار دادن دقیق آنها بر اساس جرم اتمی، ناهماهنگیهای را بوجود می‌آورد. او متوجه شد که اگر ید و تلوریوم بر اساس جرم اتمی‌شان قرار بگیرند، ترتیبشان غلط به نظر می رسد و وقتی در جدول در جای مناسب قرار خواهند گرفت که جابجا شوند. با قرار دادن آنها بر اساس نزدیکتر بودن خواص شیمیائی، شماره آنها در جدول تناوبی، همان عدد اتمی آنها بود. به نظر می‌رسید که این عدد تقریباً با جرم اتم نسبت دارد، اما همانطور که تفاوت جرم _ خواص شیمیای نشان داد، بازتاب خاصیت دیگری به جز جرم بود.

عجیب بودن این ترتیب، بالاخره بعد از تحقیقات Henry Gwyn Jeffries Moseley در سال 1913 تشریح شد. موسلی کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب اشعه X عناصر و محل صحیح آنها در جدول تناوبی وجود دارد. بعداً نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته می باشد- به عبارت دیگر تعداد پروتونها-؛ و این بار الکتریکی است که خواص شیمیائی عناصر را بوجود می‌آورد، نه جرم اتمی.

 به تعداد پروتونهاي هر اتم(به تعداد بارهاي مثبت اتم)عدد اتمي مي گويند براي مثال اتم سديم 11 پروتون دارد,پس عدد اتمي سديم11 است.عدد اتمي را گوشه پايين سمت چپ نماد شيميايي مي نويسند11^Na
عناصر بر اساس افزايش عدد اتمي در جدول تناوبي مرتب شده اند بنابراين عدد اتمي مكان هر عنصر را در جدول تعيين مي كند.

عدد جرمي (A)

عدد جرمی عددی صحیح می باشد که مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های هسته یک اتم را مشخص می کند.

به عبارتی دیگر عدد جرمی عبارت است از تعداد نوکلئون های هسته اتم. عدد جرمی اتم های عناصر با یکدیگر متفاوت می باشد. اختلاف میان عدد جرمی و عدد اتمی برابر است با تعداد نوترون های آن هسته. خواص شیمیایی و فیزیکی عناصر توسط عدد اتمی و عدد جرمی مشخص می شود. تمام اتم های یک عنصر دارای عدد اتمی یکسان می باشند که این عدد اتمی، ماهیت شیمیایی عنصر را مشخص می کند. اما ممکن است اتم های یک عنصر عدد جرمی متفاوتی داشته باشند که در این حالت به آن ایزوتوب آن عنصر می گویند.

 

علت تفاوت عدد جرمی در اتم های یک عنصر ، تغییر تعداد نوترون های آن می باشد. پس عدد جرمی اتم های یک عنصر می تواند در خواص فیزیکی عنصر مانند : چگالی، جرم و ... تغییر ایجاد کند.

در نماد گذاری عدد جرمی را با A سمت راست و در بالا و عدد اتمی را با Z سمت راست ، پایین نماد عنصر می نویسند .

عدد جرمی بیشتر در واکنش های هسته ای مورد تحلیل قرار می گیرد ، زیرا عناصری وجود دارند که در برخی از ایزوتوپ هایشان پایدار و در برخی دیگر فعالیت رادیواکتیو از خود نشان می دهند. مثلاً هیدروژن دارای سه ایزوتوپ ( عدد جرمی 1،2و3)می باشد که در دو ایزوتوپ 1 و2 ( پریتیم و دوتریم ) دارای هسته پایداری می باشد ، اما ایزوتوپ تریتیم ( ایزوتوپ3) دارای هسته ناپایداری می باشد .

در طبیعت ایزوتوپ های فراوانی از عناصر مختلف وجود دارند . امروزه با پیشرفت علم هسته ای ، در آزمایشگاه ها توانسته اند ایزوتوپ های جدیدی از عناصر مختلف تولید کنند بطوری برخی از آن ها در طبیعت وجود دارند.

 

به مجموع تعداد پروتونها و نوترونهاي يك اتم عدد جرمي گفته مي شود.
تمام اتمهاي يك عنصر پروتونهاي يكسان دارند اما تعداد نوترونهای آنها مي تواند متفاوت باشد.

عدد جرمي در گوشه بالا و سمت چپ نماد شيميايي نوشته مي شود مثلا اتم كربن در هسته خود 6 پروتون و 6 نوترون دارد پس عدد جرمي آن 12 است.   12_C

تعریف هسته:

هسته مجموعه ای از ذرات باردار با بار مثبت می باشد که در یک حجم فوق العاده کوچک تمرکز یافته اند وبا نیروی بسیار قوی و برد کوتاه (نیروی برهمکنش قوی هسته ای) به هم مقید شده اند که این مجموعه متراکم کل جرم اتم را در خود دارد و الکترون ها در اربیتال هایی حول این نقطه چگال مرکزی در حال دوران هستند .

اجزای اصلی هسته :

ذرات اساسی که کلیه هسته ها از آنها ترکیب شده است عبارتند از:

• پروتون ها

• نوترون ها

• الکترون ها

خواص اساسی هسته :

این خواص بر دونوع است که عبارتند از :

• خواص مستقل از زمان : خواصی هستند که وابسته به زمان نیستند . مانند جرم ، اندازه ، بار

• خواص وابسته به زمان : خواصی هستند که وابستگی به زمان دارند مانند واپاشی پرتوزا و واکنش های هسته ای .

جرم و بار هسته:

جرم هسته را می توان با فرمول زیر پیدا کرد : M=Z×Mh+N×Mn که در آن
M جرم هسته ، Mh جرم یک اتم هیدروژن یا جرم پروتون و Mn جرم نوترون می باشند .

شعاع هسته:

آزمایش های دقیق تر با بهره گیری از پراکندگی ذرات هسته ای دیگر و الکترون ها نشان داده اند شعاعی که در ان آثار هسته ای ظاهر می شود از رابطه زیر بدست می آید .
R=R₀ A^1/3 که در آن R0 ثابت شعاع دارای مقادیر زیر است R₀=1.2 F , 1.4 F که در آن F نماد فرمی واحد طول هسته ای است و A جرم اتمی می باشند .

خواص دینامیکی هسته :

• هسته ها مانند اتم ها می توانند در حالت برانگیخته با انرژی های معین باشند. گذارهای بین حالت های برانگیخته با گسیل تابش الکترو مغناطیسی صورت می گیرد (اشعه گاما).

• 

• هسته ها همچنین می توانند به یگدیگر تبدیل شوند بعضی از تبدیل ها خود به خود با گسیل الکترون های مثبت یا منفی (ذره بتا) یا گسیل ذره آلفا صورت می گیرد .

• تبدیل های متنوعی را می توان توسط بمباران هسته ای القاء کرد

 

جدول تناوبي عناصر:
ليستي از كليه عناصري است كه تا كنون شناخته شده است اين عناصر به ترتيب عدد اتمي در جدول مرتب شده اند در اين جدول كه بوسيله مندليف دانشمند روسي تنظيم شده است در هر خانه جدول نشانه شيميايي، عدد اتمي و عدد جرمي عنصر نوشته شده است در اين جدول به هر رديف افقي تناوب يا دوره مي گويند.
تمامي عناصر يك دوره يا تناوب لايه هاي الكتروني برابر دارند در هر رديف از چپ به راست خاصيت فلزي عناصر كاهش و خواص غير فلزي افزايش مي يابد.
ستونهاي عمودي جدول تناوبي گروه نام دارد تمامي عناصر يك گروه در لايه آخر تعداد الكترونهاي يكسان و خواص شيميايي مشابهي دارند.در هر گروه از بالا به پايين خواص فلزي افزايش مي يابد.

ايزوتوپ

ايزوتوپ ها اتمهاي يك عنصر هستند كه در تعداد نوترون و در نتيجه عدد جرمي با هم تفاوت دارند اما عدد اتمي آنها يكسان است.
مثلا هيدروژن داراي سه ايزوپ است.

ايزوتوپ هاي يك عنصر خواص فيزيكي (جرم و چگالي) متفاوت اما خواص شيميايي يكسان دارند         (چون الكترونهاي آنها برابر است)
بيشتر عناصر، يك ايزوتوپ معمول و چند ايزوتوپ كمياب دارند به ايزوتوپ هاي كمياب تر ناخالصي های ايزوتوپي مي گويند.
 

توجه داشته باشيد كه تعداد نوترونهاي در هر اتم از رابطه زير محاسبه مي شود.

یکی از فرض های بدیهی نظریه اتمی دالتون این است که هر یک از اتمهای یک عنصر از هر لحاظ (از جمله جرم) با اتمهای دیگر آن یکسان است. ولی در اوایل قرن بیستم معلوم شد که یک عنصر ممکن است شامل چند نوع اتم باشد که اختلاف آنها با یکدیگر در جرم اتمی است. فردریک سودی اصطلاح ایزوتوپ (از واژه یونانی به معنای هم مکان) را برای اتمهای یک عنصر که که از نظر جرم با یکدیگر تفاوت دارند پیشنهاد کرد.

برای بررسی ایزوتوپها از طیف نگار جرمی استفاده می شود.دستگاههایی از این نوع ابتدا توسط فرانسیس استون (1919) و آرتور دمپستر (1918) با پیروی از اصول روشهایی که جی جی تامسون در 1912 ارائه کرده بود ساخته شد.

جی جی تامسون

اگر عنصری شامل چند نوع اتم با جرمهای متفاوت (ایزوتوپها ) باشد، این تفاوت در مقادیر یونهای مثبت حاصل از این اتمها پدیدار می گردد.طیف نگار جرمی یونها را بر حسب مقادیر نسبت بار به جرم ، از یکدیگر جدا می کند، و سبب می شود که یونهای مثبت متفاوت در محلهای مختلف روی یک صفحه عکاسی اثر کند.

 

وقتی دستگاه کار می کند، اتمهای بخار ماده مورد مطالعه در معرض بمباران الکترونی قرار گرفته و به یونهای مثبت تبدیل می شوند.این یونها بر اثر عبور از یک میدان الکتریکی ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب پیدا می کنند. اگر ولتاژ این میدان ثابت نگه داشته شود، تمام یونهایی که مقدار بار به جرم مساوی دارند، با سرعت مساوی وارد یک میدان مغناطیسی می شوند. این سرعت، مقدار بار به جرم و شدت میدا مغناطیسی، شعاع مسیر یون را در میدان مغناطیسی تعیین می کند.

اگر شدت میدان مغناطیسی و ولتاژ شتاب دهنده ثابت نگه داشته شوند، تمام یونهایی که مقدار بار به جرم مساوی دارند، در یک محل بر روی صفحه عکاسی متمرکز می شوند. این محل را می توان با تغییر پتانسیلی که موجب شتاب یونها می شود، تغییر داد. ولی یونهایی که مقدار بار به جرم متفاوت دارند در محلهای مختلف روی صفحه عکاسی متمرکز می شوند. هر گاه یک وسیله الکتریکی که شدت اشعه یونی را اندازه می گیرد، جای گزین صفحه عکاسی شود، دستگاه را طیف سنج جرمی می نامیم. با استفاده از طیف سنج جرمی می توان هم جرم اتمی دقیق ایزوتوپها و هم ترکیب ایزوتوپی عناصر (انواع ایزوتوپهای موجود و مقدار نسبی هر یک) را تعیین کرد.
 

ایزوتوپها، اتمهایی با عدد اتمی مساوی و عدد جرمی متفاوتند. این اتمها دارای خواص شیمیایی بسیار مشابه هم (در اغلب موارد غیر قابل تشخیص) هستند. مثلا در طبیعت دو نوع اتم کلر وجود داردکه هر دو 17 پروتون و 17 الکترون دارند ولی یکی دارای 18 نوترون و دیگری دارای 20 نوترون است. بنابراین، اختلاف ایزوتوپها در تعداد نوترونهای هسته ها آنهاست. بعضی از عناصر فقط به یک شکل ایزوتوپی در طبیعت وجود دارند(مثل سدیم، بریلیم و فلوئور). ولی اغلب عناصر بیش از یک ایزوتوپ دارند.مثلا قلع دارای ده ایزوتوپ است. اصطلاح نوکلید، به طور کلی، برای گونه های اتمی به کار می رود.
 

 

بسیاری از ایزوتوپها از ایزوتوپها رادیواکتیو هستند ، یعنی ذراتی با فرکانس بالا را از هسته (مرکز) اتمهای خود را ساطع می کنند . از آنها می توان برای دنبال کردن مسیر مواد متحرکی که از دید پنهان هستند ، مانند جریان خون در بدن یک بیمار در بیمارستان ، استفاده کرد.

جریان خون

مقدار کمی از یک ایزوتوپ رادیو اکتیو به درون جریان خون بیمار تزریق می شود . سپس مسیر آن توسط آشکارسازهای خاصی که فعالیت رادیواکتیویته را مشخص می کنند دنبال می شود . این اطلاعات به یک کامپیوتر داده می شود ، که صفحه آن هر گونه اختلالی ، مانند انعقاد خون در رگها ، را نشان می دهد . با استفاده از روشی مشابه ، می توان از ایزوتوپها برای مطالعه جریان مایعات در تاسیسات شیمیایی نیز استفاده کرد.

فرسودگی ماشین آلات

آهنگ فرسودگی ماشین آلات صنعتی را نیز می توان با استفاده از ایزوتوپها اندازه گرفت . مقادیر اندکی از ایزوتوپهای رادیواکتیو به بخشهای فلزی ماشین آلات ، مانند یاتاقانها و رینگ وپیستونها اضافه می شود . سپس سرعت فرسودگی با اندازه گرفتن رادیواکتیویته روغنی که برای روغنکاری این بخشها به کار رفته است مححاسبه می شود.