به منظور توصیف یک پدیده در طبیعت، دانشمندان یک مدل علیت را فرض می‌کردند که در صورتی‌که از طریق آزمایش به تصویب می‌رسید، ممکن بود به عنوان یک نظریه شناخته شود. برای هر نظریه، صدها فرضیه‌ی دیگر وجود دارد که با شکست مواجه می‌گردد. این مورد در رابطه با نظریه اتمی نیز صدق می‌کند. دانشمندان قبل از این‌که به درک صحیحی از ساختار اتم دست یابند، فرضیات اشتباه بسیاری را در این زمینه مطرح کردند.
معرفی مدل کیک کشمشی
چرا این نام خوشمزه برای این فرضیه اتمی پیشنهاد شده است؟ ممکن است به نظر برسد که این نام از یک منوی رستوران انگلیسی گرفته شده است. تامسون در سال 1904 مدل کیک کشمشی را پیشنهاد داد. او فرض کرد که یک اتم با الکترون‌هایی با بار منفی در یک فضای کروی شکل از ذرات با بار مثبت قرار گرفته‌اند.الکترون‌ها مانند کشمش‌هایی درون یک کیک قرار دارند که درون فضای کروی با بار مثبت به صورت آزادانه در حال حرکت می‌باشند. اگرچه الکترون‌ها می‌توانند در محدوده‌ی کره حرکت کنند، اما به واسطه‌ی وجود قانون جاذبه کولمب نمی‌توانند این فضا را ترک کنند. بنابراین، الکترون‌ها در فضای کروی با بار مثبت قرار دارند و یک اتم خنثی و پایدار را تشکیل داده‌اند. این مدل موفق به توضیح طیف اتمی شناخته شده در آن زمان نشد.
دلیل شکست مدل اتمی تامسون
دانشمندی به نام رادرفورد در سال 1907 تصمیم گرفت که مدل اتمی تامسون را به تأیید برساند. هنگامی‌که این دانشمند فویل طلا را با ذرات آلفا بمباران کرد، انتظار داشت که اکثر ذرات از درون فضای کروی اتم با انحرافات جزئی عبور کنند. اما آن‌چه رخ داد این بود که تقریبا همه‌ی اتم‌ها عبور کردند و تنها تعداد کمی از آنها با انحراف جزئی تا 180 درجه برگشت داده شدند. این امر بدین معنی است که مدل اتمی ارائه شده توسط تامسون صحیح نیست.بنابراین، با استفاده از این آزمایش، نادرستی مدل اتمی تامسون به تایید رسید. این نتایج بدین معنا بود که فیزیک نیازمند نظریه‌ی جدیدی بوده که بتواند برای نتایج این آزمایشات در نظر گرفته شود.
بعد از آزمایشات رادرفورد، ماهیت واقعی اتم به صورت دقیق شناخته شد. بر اساس این آزمایشات به صورت کاملاً غیر منتظره‌ای مشخص شد که تقریبا همه‌ی جرم یک اتم در هسته که فضای بسیار کمی را اشغال کرده، متمرکز می‌باشد. در صورتی‌که شما یک اتم را به اندازه‌ی یک اتاق بزرگ در نظر بگیرید، هسته‌ی این اتم به اندازه‌ی یک ذره کوچک خواهد بود که مشاهده آن با چشم غیر مسلح دشوار خواهد بود.
همان طور که آزمایشات رادرفورد نشان داد، اکثر اتم‌ها دارای الکترون‌هایی هستند که در اطراف یک هسته با بار مثبت در حال چرخش می‌باشند. بعدها، دانشمندی به نام بور یک نظریه کوانتومی دقیق‌تری از اتم را ارائه داد. این نظریه دارای نقص‌هایی می‌باشد که این نقص بعدها از طریق ایجاد یک نظریه دقیق فیزیک کوانتوم برطرف شد. در نهایت، مدل صحیح برای اتم هیدروژن از طریق حل معادله شرودینگر ارائه گردید.
مدل اتمی تامسون در توصیف ساختار اتم با شکست مواجه شد، اما انگیزه‌ای به منظور انجام آزمایشاتی دقیق‌تر جهت کشف ساختار زیر اتمی را فراهم آورد.
خط زمانی ساختار اتم
همان طور که اشاره شد اتم‌ها بلوک‌های ساختمانی همه‌ی مواد هستند. این واحدهای اساسی از سه مجموعه ذره نوترون‌ها، پروتون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده‌اند. تعداد پروتون‌های موجود در اتم، عدد اتمی نامیده شده، در حالی‌که عدد جرمی برابر با تعداد پروتون‌ها به علاوه تعداد نوترون‌ها می‌باشد. هر عنصر یافت شده در طبیعت از نظر تعداد این سه ذره اتمی با عناصر دیگر متفاوت می‌باشد. یک عنصر دارای تعداد ثابتی از پروتون‌ها می‌باشد، اما تعداد متنوعی از نوترون‌ها را دارا می‌باشد. به اتم‌های یک عنصر با تعداد متفاوت نوترون‌ها به عنوان ایزوتوپ‌های آن عنصر اشاره می‌شود.ساختار اتم
پروتون‌ها و نوترون‌ها در مرکز اتم قرار دارند که هسته نامیده می‌شود، در حالی‌که الکترون‌ها اطراف این مرکز در یک مسیر خاص به نام اوربیتال، لایه و سطوح انرژی در چرخش هستند. یک اتم می‌تواند بسته به عدد اتمی آن دارای تعداد زیادی لایه باشد. هر لایه اجازه به حضور یک تعداد مشخصی از الکترون‌ها را در اتم می‌دهد. برای مثال، دو الکترون در لایه اول، هشت الکترون در لایه دوم و لایه سوم وجود دارند. جرم یک اتم عمدتاً در هسته متمرکز است.در یک اتم پایدار که دارای بار خالص صفر است، پروتون‌ها و الکترون‌ها با تعداد برابری حضور دارند. یک اتم بعد از دادن و یا پذیرفتن الکترون‌ها، باردار می‌گردد. بار اتم یا مثبت است که بعد از دادن الکترون این اتفاق می‌افتد و یا این‌که بعد از پذیرفتن الکترون‌ها دارای بار منفی خواهد شد. دانشمندان قبل از این‌که به درک صحیحی از ساختار اتم دست یابند، فرضیات اشتباه بسیاری را در این زمینه مطرح کردند. به عبارت دیگر، یک اتم با بار مثبت شامل تعداد پروتون‌های بیشتری نسبت به تعداد الکترون می‌باشد، در حالی‌که اتمی با بار منفی تعداد الکترون‌های بیشتری را نسبت به پروتون دارا می‌باشد.
زمان بندی ساختار اتمی
ایده اتم‌ها از دوران یونان وجود داشت. با این‌حال، اعتبار واقعی کشف اتم‌ها به زمان جان دالتون کسی که نظریه اتمی را پیشنهاد داد و عنوان کرد که همه مواد از ذرات محکم کروی شکلی به نام اتم‌ها ساخته شده‌اند، برمی‌گردد. بعد از این کشف، پیشرفت‌های زیادی در رابطه با اتم‌ها و ساختار آنها صورت گرفت.سال 1869: جدول تناوبی مندلیف
دیمیتری مندلیف عناصر را بر اساس خواص مشابه در هفت گروه مرتب کرد. او قانون دوره‌ای را پیشنهاد داد و بیان کرد که خواص عناصر بر اساس وزن اتمی آنها متفاوت می‌باشد.سال 1898: کشف الکترون
جوزف جان تامسون ادعا کرد که اتم‌ها می‌توانند ذرات باردار منفی کوچک به نام الکترون‌ها را دفع کنند.سال 1904: گازهای بی‌اثر
ریچارد آبگ پیشنهاد داد که پایداری و عدم واکنش‌پذیری شیمیایی گازهای بی‌اثر به واسطه ساختار الکترونیکی پایدار آنها می‌باشد.سال 1911: هسته اتم
ارنست رادرفورد پیشنهاد داد که هسته اتم دارای ساختاری کوچک، بسیار متراکم و با بار مثبت می‌باشد. او اولین کسی بود که فرض کرد الکترون‌ها در اطراف هسته قرار دارند.سال 1914: بار در هسته
هنری موزلی بار مثبت هسته اتم را کشف کرد. بر اساس این کشف، عدد اتمی یک عنصر برابر با تعداد پروتون‌ها می‌باشد.سال 1919: ایزوتوپ‌ها
دانشمندی به نام آستون وجود اتم‌ها با تعداد متفاوتی از نوترون‌ها را برای اولین بار با استفاده از طیف سنج جرمی کشف کرد. او آنها را ایزوتوپ نام نهاد.سال 1922: اوربیتال‌ها
نیلز بور ساختار اتمی و وجود لایه‌های اوربیتال را شرح داد. مدل اتمی متشکل از لایه‌های متوالی بوده که در آن الکترون‌ها مرتب شده‌اند.سال 1923: ماهیت دوگانه اتم‌ها
بروگلی ماهیت دوگانه الکترون‌ها را کشف کرد. او پیشنهاد داد که این واحدها می‌توانند به عنوان امواج و یا به عنوان ذرات عمل کنند.سال 1927: اصل عدم قطعیت
هایزنبرگ با استفاده از فرمول، تعداد اتم‌های یک عنصر را مشخص کرد. او اصل عدم قطعیت را بنیان نهاد و بیان کرد که موقعیت و سرعت یک ذره نمی‌تواند به طور همزمان تعیین گردد.سال 1930: مدل اتم
شرودینگر الکترون‌ها را به عنوان ابرهای مداوم مشاهده کرد. او مکانیک موجی را در مدل اتمی معرفی کرد.سال 1932: کشف نوترون‌ها
جیمز چادویک نوترون‌ها را با استفاده از ذرات آلفا کشف کرد. او پیشنهاد داد که جرم نوترون‌ها مشابه با جرم پروتون‌ها می‌باشد.به دنبال این یافته‌ها و کشفیات، مطالعات مختلف بر اساس اتم‌ها، واکنش‌های شیمیایی و مکانیزم واکنش‌های زنجیره‌ای انجام شده است. کشف اتم در واقع یک نقطه عطف در علم است که به مطالعه عناصر، ترکیبات و خواص آنها کمک می‌کند.
منبع: Omkar Phatak - ScienceStruck
