ساختار اتم

هندسه دوجيني و ساختار اتم

ابتدا بايد بدانيم كه مفهوم عبارات ( اصطلاحات ) زير در فيزيك چيست ؟

طيف اتمي :

همانطور كه مي‌دانيم نيوتن با گذراندن نور خورشيد از منشور ، طيف نور سفيد را تجزيه كرد . نيوتن نشان داد كه نور سفيد آميزه‌اي از رنگهاي مختلف است . گستره طول موج اين رنگها از 0.4 ميكرون ( بنفش مريي ) تا 0.7 ميكرون ( قرمز مريي ) ميباشد . طيف نور سفيد يك طيف پيوسته است . به همين ترتيب مي‌توان طيف هر نوري را توسط پاشندگي در منشور شناسايي كرد . طيف نور گسيل شده از بخار هر عنصري را طيف اتمي آن عنصر مي‌نامند . طيف اتمي عناصر مختلف با هم تفاوت دارد . اما علت اينكه در طيف اتمي خطوط مختلفي ديده مي‌شود چيست ؟

تصوير فوق تجزيه نور سفيد را نشان مي‌دهد

خطوط طيفي :

طيف اتمي ، مستقيما به ترازهاي انرژي اتم نسبت داده مي‌شود . هر خط طيفي متناظر يك گذار خاص بين دو تراز انرژي يك اتم است . پس آنچه در طيف نمايي داراي اهميت است ، تعيين ترازهاي انرژي يك اتم به كمك اندازه گيري طول موج‌هاي طيف خطي گسيل شده از اتم‌ها است . پايين‌ترين تراز انرژي ، حالت پايه است و همه ترازهاي بالاتر ، حالت‌هاي برانگيخته ناميده مي‌شوند . طبق تعاريف فعلي موقعي كه يك اتم از حالت برانگيخته بالاتر به يك حالت برانگيخته پايين‌تر گذر كند ، موج الكترومغناطيس ( يك طيف نور حامل انرژي ) متناظر به يك خط طيفي گسيل مي‌شود . البته بعدا توضيح خواهيم داد كه برعكس اين قضيه نيز صادق است يعني با جذب انرژي توسط ترازهاي انرژي ، اتم به يك حالت برانگيخته بالاتر صعود و با دفع انرژي به يك حالت پايين‌تر انرژي نزول ( گذر ) مي‌كند .

تصوير فوق طيف نشري خطي عنصر آهن را نشان مي‌دهد

طيف نشري

اگر جسمي نور توليد كند و نور توليد شده را از منشوري عبور دهيم ، طيفي به دست مي‌آيد كه طيف نشري ناميده مي‌شود . اگر رنگ‌هاي طيف حاصل به هم متصل باشند ، طيف نشري اتصالي و اگر بين آنها فاصله‌اي باشد ، طيف نشري را انفصالي يا خطي مي‌نامند . به عنوان مثال لامپ حاوي بخار يا گاز بسيار رقيق را در نظر بگيريد . اين لامپ به صورت لوله باريك شيشه‌اي است كه درون آن يك گاز رقيق در فشار كم وجود دارد . دو الكترود به نام‌هاي كاتد و آند در دو انتهاي لوله قرار دارند . اگر بين اين دو الكترود ، ولتاژ بالايي برقرار شود ، اتم‌هاي گاز درون لامپ شروع به گسيل نور مي‌كنند . اگر اين گاز مربوط به هليم باشد ، به رنگ زرد مايل به سبز روشن است كه اگر آن را از منشور بگذرانيم ، مي‌بينيم كه اين طيف پيوسته نيست . بلكه تنها از چند خط رنگي جدا از هم با طول موج‌هاي معين تشكيل شده است . يعني تصوير زير :

طيف جذبي

در سال 1814 فرانهوفر كشف كرد كه اگر به دقت طيف خورشيد را برسي كنيم ، خط‌هاي تاريكي در طيف پيوسته آن مشاهده خواهيم كرد . اين مطلب نشان مي‌دهد كه بعضي از طول موج‌ها در نوري كه از خورشيد به زمين مي‌رسد ، وجود ندارد و به جاي آنها ، در طيف پيوسته نور خورشيد خط‌هاي تاريك ( سياه ) ديده مي‌شود . اكنون مي‌دانيم كه گازهاي عناصر موجود در جو خورشيد ، بعضي از طول موج‌هاي گسيل شده از خورشيد را جذب مي‌كنند و نبود آنها در طيف پيوسته خورشيد به صورت خط‌هاي تاريك ظاهر مي‌شود . در اواسط قرن نوزدهم معلوم شد كه اگر نور سفيد از داخل بخار عنصري عبور كند و سپس طيف آن تشكيل شود ، در طيف حاصل خطوط تاريكي ظاهر مي‌شود . اين خطوط توسط اتم‌هاي بخار جذب شده‌اند .

در واقع هم در طيف گسيلي و هم در طيف جذبي هر عنصر ، طول موج‌هاي معيني وجود دارد كه از ويژگي‌هاي مشخصه آن عنصر است . طيف‌هاي گسيلي و جذبي هيچ دو عنصري مثل هم نيست . اتم هر عنصر دقيقا همان طول موج‌هايي را جذب مي‌كند كه اگر دماي آن به اندازه كافي بالا رود و يا به‌هر صورت ديگر برانگيخته شود ، آنها را تابش مي‌كند .
اين طيفهاي جذبي و نشري همگي مربوط به ترازهاي انرژي و يا بهتر است بگوييم به لايه‌ها و زير لايه‌هاي اتم عناصر مربوط ميشود زيرا در هندسه فضايي همانگونه كه براي مشخص كردن مكان يك شي در فضاي سه بعدي به سه پارامتر طول ، عرض و ارتفاع ( x y z ) نياز داريم ، براي مشخص كردن هريك از اوربيتالهاي يك اتم نيز به اين چنين پارامترهايي نياز داريم . به اين منظور از سه عدد m1 , l , n استفاده شده است كه اينها به اعداد كوانتومي مشهورند .
n عدد كوانتومي اصلي ناميده ميشود ، در مدل كوانتومي به جاي ترازهاي انرژي از واژه لايه‌هاي الكتروني استفاده ميشود و n سطح انرژي آنها را معين مي‌كند . n=1 پايدارترين لايه الكتروني را نشان ميدهد و هر چه مقدار n بالاتر رود سطح انرژي لايه الكتروني افزايش مي‌يابد ( يعني براي بالا بردن الكترونها در لايه‌ها ، مرحله به مرحله به انرژي بيشتري نياز داريم ) . اطراف هسته اتم حداكثر هفت لايه الكتروني شناخته و شناسايي شده است كه همگي منطبق با تناسبات موجود در مدارها و ميان مدارهاي رسم شده در شكل توسعه يافته ستاره داوود مي‌باشند .

البته ما بايد اين موضوع را همواره در نظر بگيريم كه الكترونها در لايه‌ها و زير لايه‌ها ( داخل اتم ) نسبت به يكديگر جاذبه و دافعه داشته و مي‌تواند وضعيت آنها كمي متفاوت با شكل ترسيمي فوق باشد . ولي به هر حال ساختار كلي و پايه‌اي در اتم‌ها ، همين تناسبات موجود در رسم ستاره داوود توسعه يافته است .

شكل فوق طيف نشري خطي عنصر كربن را نشان مي‌دهد.

با مقايسه طيف نشري خطي كربن با مدارها و ميان مدارهاي شكل توسعه يافته‌ ستاره داوود ، متوجه تشابه تناسبات موجود ميشويم كه اين موضوع دال بر اين واقعيت است كه اتم‌ها در ساختار فيزيكي خود از شكل توسعه يافته ستاره داوود و تناسبات موجود در آن تبعيت مي‌كنند . دليل اين موضوع چيست و چه ميتواند باشد ؟ در مطالب بعدي در اين رابطه توضيح خواهيم داد !

همانطور كه مي‌دانيم طبق تعريف در يك اتم چند الكتروني ، بار منفي هر الكترون ، مقداري از بار مثبت هسته آن اتم را خنثي كرده و از تاثير تمامي بار مثبت آن بر الكترونهاي ديگر ، به ميزان معيني مي كاهد . عمل جلوگيري كردن الكترونها از تاثير تمامي بار مثبت هسته بر الكترون مورد نظر در يك اتم ، اصطلاحاً اثر پوششي آن الكترونها ناميده مي شود . البته اين در صورتي خواهد بود كه ما ميادين الكتريكي در داخل اتم را به صورت خطي ( مستقيم ) فرض كنيم . اينك اين سوال مطرح ميشود كه اگر اتمي يونيزه شود ، در حالت اول اگر الكترون از دست بدهد مي‌بايست تعادل و موازنه الكتريكي در اتم به هم خورده و ساير الكترونها به طرف هسته سقوط كنند كه در اين مورد اينگونه مطرح ميشود كه با نزديك شدن الكترونها به هسته به سرعت زاويه‌اي ( دوران آنها حول هسته ) افزوده شده و نيروي گريز از مركز باعث ماندن الكترونها در مدار ميشود ، علي‌رغم اينكه اين نگرش يك ديد كلاسيك به فيزيك هسته‌اي است برعكس اين اتفاق هم روي مي‌دهد ، يعني در حالت دوم اگر اتم ، الكترون اضافي داشته باشد الكترونها از هسته دور شده و ميبايست از سرعت زاويه‌اي خود بكاهند تا از اتم به طرف بيرون پرتاب نشوند . ولي براي اين پديده ميتوان يك توجيه جديد و نو ارايه داد يعني همانطور كه در مبحث ( وارونگي ميادين الكتريكي ، توجيهي جديد براي توليد زوج ماده - پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده - پاد ماده يكديگر را نابود نمي‌كنند ) ذرات باردار همچنين هسته اتمها دوران ( اسپين ) دارند و با اين اسپين آنها پديده دوران ميادين الكتريكي روي مي‌دهد ، يعني خطوط ميدان الكتريكي از خط راست تبديل به دايره‌‌هاي بسته و نيمه باز ميشوند كه ذرات الكتريكي با بار مخالف و سبك تر مجبورند در داخل اين ميادين انحنا يافته تا بينهايت دوران داشته باشند و به بار مخالف هم نرسند . در اين حالت نيروي گريز از مركز الكترونها مطرح نيست بلكه بجاي اينكه نيروي الكتريكي مابين هسته و الكترونها آنهم به صورت خطي راست تعيين كننده قطر اتم باشد ، نيروي دافعه الكتريكي مابين الكترونها و زوج الكترونها در مدارهاي دايره‌اي شكل تعيين كننده قطر اتم خواهد بود . يعني دو الكترون با هم پيوند داشته و تشكيل زوج داده و يك اوربيتال را تشكيل مي‌دهند و روي مدارهاي پيرامون هسته ميچرخند . اينك اگر از تعداد آنها كاسته شود نيروي دافعه مابين الكترونها و زوج الكترونها در مدارها كاسته خواهد شد ، پس لايه‌ها و زير لايه‌ها به هسته نزديك خواهند شد و برعكس اگر تعداد زوج الكترونها و الكترونها افرايش يابد دافعه الكتريكي در مدارها افزايش يافته و مدارها از هسته فاصله مي‌گيرند و البته اين در صورتي خواهد بود كه تعداد پروتونهاي هسته ثابت باشد . به هر حال علت چرخش الكترونها پيرامون هسته ، به استناد قوانيني نيست كه مكانيك كلاسيك و يا مكانيك كوانتوم مطرح ميكند و علت آن فقط ميتواند دوران ميادين الكتريكي باشد . در دوران ميادين الكتريكي پيرامون هسته مناطقي بوجود مي‌آيد كه بگونه‌اي خلاء الكتريكي در آنها حاكم شده است كه الكترونها در آنها حضور نخواهند داشت و اين مسئله باعث پديدار شدن لايه‌ها و زير لايه‌ها ميشود . با توجه به نظريه اثر پوششي الكترونها ، لايه‌هاي بيروني‌تر اتم ميبايست فاصله بيشتري از يكديگر داشته باشند ، در صورتي كه لايه‌هاي بيروني به يكديگر نزديكتر هستند و اين پديده را شكل هندسي ستاره داوود توسعه يافته ميتواند توجيه ‌كند ، براي اينكه مدارهاي 1 و 2 و 3 همچنين مدارهاي 5 و 6 و 7 و 8 به هم نزديكند و تراكم الكترونها در اين مناطق زيادتر از مكانهاي ديگر خواهد بود و اين مسئله فعلا توجيه هندسي دارد ولي در آينده ، انشا الله پي به ماهيت و مفهوم اين ترسيمات هندسي خواهيم برد ، به طور مثال اينها ميتوانند برآيند نيروهاي ناشناخته‌اي براي ما باشند . چيزي كه فعلا به ما كمك خواهد كرد هندسه است و ترسيمات آن ، چرا كه ستاره داوود توسعه يافته ميتواند ساختار اتمها و ..... توجيه كرده و يا اينكه پيشگويي و نشان دهد .

منبع:

1-محمدرضا طباطبايي
2-http://www.ki2100.com
3-http://www.articles.ir

/س