نظریه های ساختار اتم آزمایش رادرفورد تاریخچه نظریه اتمی دالتون مقایسه قدرت نفوذ پرتوها کشف الکترون آزمایش ورقه طال مدل اتمی رادرفورد لوله پرتوی کاتدی

Transcript

1 آنچه در این فصل می آموزیم تاریخچه نظریه اتمی دالتون کشف الکترون آزمایش رادرفورد مقایسه قدرت نفوذ پرتوها آزمایش ورقه طال ) برقکافت ( الکترولیز مدل اتمی رادرفورد لوله پرتوی کاتدی آشنایی با مفاهیم اولیه مدل اتمی تامسون دیگر ذره های سازنده اتم عدد جرمی ایزوتوپ کشف بزرگ هانری بکرل جرم اتمی پرتوزایی

2 آنچه در این فصل می آموزیم فراوانی ایزوتوپ ها جرم اتم میانگین تفاوت عدد جرمی و جرم اتمی

3 ارسطو نظریه های ساختار اتم مطالعه روی عنصر ها به حدود 2500 سال پیش بر می گردد. تالس فیلسوف یونانی آب را عنصر اصلی سازنده جهان هستی می دانست. ارسطو دویست سال پس از تالس سه عنصر هوا خاک و آتش را به عنصر پیشنهادی تالس افزود و به این ترتیب آب و خاک و آتش و هوا را عنصرهای سازنده کاینات اعالم کرد ( که به عناصر اربعه معروف است ) و از آن به رطوبت و خشکی و گرمی و سردی نیز تعبیر می شود. نظر ارسطو تا دو هزار سال بعد مورد پذیرش دانشمندان بود. عناصر از دیدگاه تالس و ارسطو تالس ارسطو آب آب هوا خاک و آتش تالس

4 رابرت بویل نظریه های ساختار اتم در سال 1661 میالدی رابرت بویل در کتاب شیمیدان شکاک عنصر را به عنوان ماده ای که نمی توان آن را به مواد ساده تری تبدیل کرد معرفی کرد. در حقیقت بویل اولین کسی بود که تعریفی از عنصر به مفهوم امروزی ارائه نمود. بویل شیمی را علمی تجربی نامید و از دانشمندان خواست افزون بر مشاهده کردن اندیشیدن و نتیجه گیری کردن ( سه ابزار یونانیان در مطالعه طبیعت ) به پژوهش های علمی ( آزمایش ) نیز اقدام کنند. دموکریت 2500 سال پیش عقیده داشت که همه مواد از ذره های کوچک و تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده اند. در حقیقت واژه اتم اولین بار توسط دموکریت ارائه شد.

5 نظریه اتمی دالتون دالتون با اجرای آزمایش های بسیاری در سال 1803 با نظریه اتمی خود گام مهمی برای مطالعه ماده و ساختار آن برداشت. دالتون با استفاده از واژه یونانی اتم که به معنای تجزیه ناپذیر است ذره های سازنده عنصر ها را توضیح داد. وی نظریه اتمی خود را در هفت بند و به شرح زیر بیان کرد : 1- ماده از ذره های تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده است. 2- همه اتم های یک عنصر مشابه یکدیگرند. 3- اتم ها نه به وجود می آیند و نه از بین می روند. 4- اتم های عنصرهای مختلف جرم و خواص شیمیایی متفاوتی دارند. 5- اتم های عنصرهای مختلف به هم متصل می شوند و مولکول ها را به وجود می آورند. 6- در هر مولکول از یک ترکیب معین همواره نوع و تعداد نسبی اتم های سازنده آن یکسان است. 7- واکنش های شیمیایی شامل جابه جایی اتم ها یا تغییر در شیوه اتصال آن ها در مولکول هاست. در این واکنش ها اتم ها خود تغییری نمی کنند نظریه اتمی دالتون دالتون.

6 نظریه اتمی دالتون علی رغم نارسایی ها و ایرادهایی که داشت به نقطه آغازی برای مطالعه دقیق تر و عمیق تر ساختار و رفتار ( خواص ) ماده تبدیل شد. نظریه های اتمی دالتون موارد زیر را می تواند توجیه کند : تغییر حالت فیزیکی مواد ( مانند ذوب انجماد تبخیر میعان تصعید و چگالش ) قانون پایستگی جرم تبدیل اتم ها به مولکول ها ترکیب عنصر ها به نسبت جرمی معین. نظریه های اتمی دالتون موارد زیر را نمی تواند توجیه کند : پدیده های مرتبط با الکترون : برقکافت پرتوی کاتدی ظرفیت عناصر الکتریسیته ساکن تبدیل اتم ها به یون تغییر خواص عناصر در دوره های جدول تناوبی و... پدیده های مرتبط با پروتون : عدد اتمی بار موثر هسته و... پدیده های مرتبط با نوترون : ایزوتوپ خاصیت پرتوزایی ( رادیواکتیوی ) و... جمع بندی : به طور کلی نظریه اتمی دالتون هر پدیده ای را که ماهیت آن به ذرات زیر اتمی ( الکترون نوترون پروتون ) مرتبط است نمی تواند توجیه کند.

7 مایکل فارادی نظریه های ساختار اتم کشف الکترون اجرای آزمایش های بسیاری با الکتریسیته مقدمه ای برای شناخت ساختار درونی اتم بوده است. مایکل فارادی دانشمند معروف انگلیسی مشاهده کرد به هنگام عبور جریان برق از درون محلول یک ترکیب شیمیایی فلزدار ( برقکافت ) یک واکنش شیمیایی در آن به وقوع می پیوندد. فیزیک دان ها برای توجیه این مشاهده ها برای الکتریسیته ذره ای بنیادی پیشنهاد کردند و آن را الکترون نامیدند. اما در آن زمان به وجود رابطه ای میان اتم و الکترون پی برده نشد. در آغاز قرن نوزدهم میالدی پس از کشف الکتریسیته ساکن یا مالشی به این نکته پی برده شد که بارهای الکتریکی مثبت یا منفی ایجاد شده به هنگام مالیدن یک جسم روی جسم دیگر از جایی نمی آیند و پیدایش آن ها به خود ماده و شاید به اتم های سازنده آن مربوط است.

8 جورج استونی نظریه های ساختار اتم برقکافت ( الکترولیز ) : به تجزیه یک ماده به کمک جریان برق در حالت محلول یا مذاب برقکافت ( الکترولیز ) گفته می شود. اجرای آزمایش برقکافت توسط فارادی منجر به کشف الکترون گردید. جورج استونی در سال 1891 ذره های حمل کننده جریان برق را الکترون نامید.

9 لوله پرتوی کاتدی لوله ای شیشه ای است که تقریبا همه هوای درون آن به کمک پمپ خالء خارج شده است. در دو انتهای این لوله الکترودی از جنس فلز شرایط ایجاد نصب شده است. هنگامی که یک ولتاژ بسیار قوی بین دو الکترود برقرار پرتوی کاتدی شود پرتوهایی از الکترود منفی ( کاتد ) به سمت الکترود مثبت ( آند ) جریان می یابد که به آن پرتوهای کاتدی گفته می شود. پرتوهای کاتدی بر اثر برخورد با یک ماده فلوئورسنت نور سبز رنگی ایجاد می کنند. خالء نسبی ( فشار پایین گاز ) ولتاژ قوی ( اختالف پتانسیل باال )

10 آشنایی با مفاهیم اولیه الکترود : میله یا تیغه ( یا هر شکل دیگری ) است که رسانای جریان برق است. الکترود می تواند از جنس فلز یا گرافیت باشد. پرتوی کاتدی : پرتویی دارای بار الکتریکی منفی است که در یک لوله پرتوی کاتدی از کاتد به سمت آند می تابد. فلوئورسانس : از جمله خواص فیزیکی برخی مواد شیمیایی است. مواد دارای ای نخاصیت نور با طول موج ( رنگ اگر طول موج در ناحیه مرئی باشد ) معینی را جذب می کنند و به جای آن. نور با طول موج بلندتری را منتشر می سازند. تابش این نور با قطع شدن منبع نور قطع می شود. فلوئورسنت : به ماده ای که خاصیت فلوئورسانس داشته باشد فلوئورسنت گفته می شود. مانند روی سولفید ( ZnS ) که در تولید المپ تلویزیون و نمایشگرها کاربرد دارد.

11 جوزف تامسون نظریه های ساختار اتم جوزف تامسون فیزیکدان انگلیسی با مطالعه پرتوهای کاتدی توانست به برخی از ویژگی های پرتوی کاتدی پی ببرد. نتیجه گیری حاصل از آزمایش : 1- پرتوهای کاتدی به خط راست حرکت می کنند. 2- همه مواد دارای الکترون هستند. 3- پرتوهای کاتدی دارای بارالکتریکی منفی هستند. گاز درون لوله بر اثر التهاب به رنگ مشخصی در می آید. به عنوان مثال گاز هیدروژن بر اثر التهاب به رنگ صورتی روشن در می آید. لذا وجود مقدار کمی گاز ( گاز با فشار کم ) و التهاب آن در مسیر پرتوی کاتدی به رویت پرتوی کاتدی منجر می شود.

12 رابرت میلیکان نظریه های ساختار اتم تامسون با بررسی انحراف پرتوی کاتدی در میدان های الکتریکی و مغناطیسی موفق شد نسبت بار به جرم الکترون را اندازه گیری کند که این نسبت برابر است با : e m بار الکترون جرم الکترون e m 1/ C / g رابرت میلیکان در سال 1909 موفق به اندازه گیری مقدار بار الکتریکی الکترون شد : /602 : بار الکترون C /109 جرم الکترون g یکای SI برای اندازه گیری بار الکتریکی کولن است و با نماد C نمایش داده می شود.

13 جمع بندی : 1- اجرای آزمایش برقکافت توسط مایکل فارادی به کشف الکترون منجر شد. 2- جورج استونی ذره های حمل کننده جریان برق را الکترون نامید. 3- جوزف تامسون با آزمایش لوله پرتوی کاتدی وجود الکترون در اتم را به عنوان یک ذره زیر اتمی اثبات نمود. نتیجه مهم : اولین کسی که الکترون را به عنوان یک ذره زیر اتمی ( یعنی اجزای سازنده اتم ) معرفی نمود تامسون است.

14 مدل اتمی تامسون جوزف تامسون با کمک آزمایش های خود ضمن اثبات وجود ذره ای به نام الکترون در اتم و معرفی آن به عنوان یک ذره زیر اتمی موفق شد ساختاری برای اتم پیشنهاد کرد. ویژگی های مدل اتمی تامسون 1- الکترون ها که ذره هایی با بار منفی هستند درون فضای کروی ابرگونه ای با بار الکتریکی مثبت پراکنده شد ه اند. 2- اتم در مجموع خنثی است بنابراین مقدار بار مثبت فضای کروی ابرگونه با مجموع بار منفی الکترون ها برابر است. 3- جرم اتم به تعداد الکترون های آن بستگی دارد و ابر کروی مثبت جرمی ندارد. 4- جرم زیاد اتم از وجود تعداد بسیار زیادی الکترون در آن ناشی می شود. از مدل اتمی تامسون با نام هایی چون مدل کیک کشمشی یا مدل هندوانه ای نیز یاد می شود. در این مدل ها فضای ابرگونه ای با بار مثبت به کیک یا هندوانه و الکترون به کشمش یا تخمه های هندوانه تشبیه می شوند.

15 هانری بکرل نظریه های ساختار اتم پرتوزایی کشف بزرگ هانری بکرل داستان از این قرار بود که بکرل روی پدیده فلوئورسانس و فسفرسانس تحقیق می کرد. در آن زمان رونتگن مقاله ای در مورد شیوه تولید پرتوهای X منتشر کرد. وی در این اندیشه فرو رفت که شاید مواد دارای خاصیت فلوئورسانس و فسفرسانس نیز در هنگام نورافشانی چنین پرتوی مرموزی را تابش می کنند. از این رو بلورهای مواد را برای مدتی در برابر نور خورشید قرار می داد و بی درنگ در محیطی تاریک روی یک فیلم خام عکاسی می گذاشت که درون یک پاکت کاغذی تیره بود. پس از چند دقیقه فیلم را برداشته ظاهر می کرد و از روی میزان وضوح تصویر شدت تابش آن ماده را اندازه می گرفت. یک روز بکرل دو قطعه بلور ترکیب های اورانیوم دار را برداشت تا با آن آزمایش هایش را تکرار کند. اما به دلیل ابری بودن آسمان از انجام آزمایش صرف نظر کرد و بلور ها را به همراه فیلم خام عکاسی درون کشو گذاشت. پس از چند روز بکرل به سراغ آزمایشگاه و بلورها و فیلم خام عکاسی رفت و تصمیم گرفت فیلم درون کشو را ظاهر کند. وی انتظار داشت که هیچ گونه اثری روی فیلم ها نباشد زیرا وی بلوها را مقابل آفتاب قرار نداده بود.

16 پس بلورها نباید در اثر پدیده فسفرسانس نوری از خود ساطع کرده باشند. هم چنین فیلم در محیط تاریک کشوی میز بود. اما بر خالف انتظار در فیلم عکاسی پس از ظهور دو قطعه بلور آفتاب ندیده به وضح دیده می شد. در حقیقت او پدیده تازه ای را کشف کرده بود که ماری کوری دانشمند معروف لهستانی آن را پرتوزایی و مواد دارای این خاصیت را پرتوزا نام نهاد. پرتوزایی : تبدیل خودبه خودی ایزوتوپ های ناپایدار یک عنصر به ایزوتوپ های دیگر عنصرهاست که با گسیل پرتو ها یا ذره های پر انرژی همراه است.

17 ارنست رادرفورد نظریه های ساختار اتم آزمایش رادرفورد ارنست رادرفورد همکار نیوزلندی جوزف تامسون نیز به موضوع پرتوزایی عالقه مند شد و پس از سال ها تالش فهمید تابشی که بکرل نخستین بار به وجود آن پی برده بود خود ترکیبی از سه نوع تابش مختلف است. رادرفورد مقداری از یک ماده پرتوزا را در یک محفظه سربی قرار داد و شکافی را در آن ایجاد کرد تا باریکه ای از تابش مواد پرتوزا امکان عبور داشته باشد. ( محفظه سربی مانع عبور تابش به اطراف می شود و با ایجاد شکاف می توان مسیر کنترل شده ای از پرتو ایجاد کرد.( رادرفورد پرتو را از درون یک میدان الکتریکی عبور داد و مطابق شکل به وجود سه پرتو پی برد.

18 پرتو های تشکیل دهنده تابش رادیواکتیو 1- پرتو های آلفا ( ) : دارای بار الکتریکی مثبت هستند. زیرا به سمت قطب منفی میدان الکتریکی منحرف می شوند. پرتوهای α از جنس هسته اتم هلیم یا یون هلیم ( +2 ) 4 He بوده جرمی معادل چهار برابر جرم اتم 2 هیدروژن دارند و دارای دو پروتون و دو نوترون هستند. 2- پرتوهای بتا ( β ) : دارای بار الکتریکی منفی هستند زیرا به سمت قطب مثبت میدان الکتریکی منحرف می شوند و همانند پرتوهای کاتدی از جنس الکترون هستند و بنابراین دارای جرم کمی می باشند. 3- پرتوهای گاما ( ) : بدون بار هستند. زیرا در میدان الکتریکی منحرف نمی شوند و همانند پرتوهای X از جنس نور بوده و فاقد جرم هستند. ᴽ α پرتوهای آلفا بتا گاما را می توان به صورت مقابل نمایش داد : 4 2 α 0-1 β 0 0 ᴽ جمع بندی : پدیده پرتوزایی را بکرل کشف نمود. ماری کوری آنرا نام گذاری و رادرفورد ماهیت پرتوها را کشف نمود.

19 مقایسه قدرت نفوذ پرتوها مانند آزمایش اول یک باریکه پرتو را تولید نموده و مطابق شکل در مسیر آن یک ورق کاغذی یک ورق آلمینیومی و یک قطعه ضخیم سربی قرار می دهیم. مشاهدات 1- پرتوی آلفا قدرت نفوذ کمی دارد و توسط یک ورق کاغذی متوقف شده و از آن عبور نمی کند. 2- پرتوی بتا از ورق کاغذ عبور می کند اما از ورق آلمینیومی عبور نمی کند. 3- پرتوی گاما بیش ترین قدرت نفوذ را دارد و از ورق کاغذی و ورق آلمینیومی عبور می کند ولی از ورق ضخیم سربی عبور نمی کند.

20 پرتوی آلفا < پرتوی بتا < پرتوی گاما : قدرت نفوذ پرتوها ( پرتوی گاما فاقد جرم است. ) پرتوی گاما < پرتوی بتا < پرتوی آلفا : جرم پرتوها ( پرتوی گاما انحراف ندارد. ) پرتوی گاما < پرتوی آلفا < پرتوی بتا : انحراف پرتوها

21 رادرفورد نتوانست تشکیل تابش های حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمی تامسون توجیه کند چون اتم ها در مدل تامسون کامال پایدار بودند و براساس این مدل دلیلی وجود نداشت تا بتوان جدا شدن قطعاتی از اتم به صورت تابش مواد پرتوزا را توجیه کرد. به یاد دارید که پرتوزایی خاصیت اتم هایی است که هسته ناپایداری دارند. از این رو رادرفورد در درستی مدل تامسون تردید کرد و برای شناسایی دقیق تر ساختار اتم آزمایش جالبی را طراحی و اجرا کرد. رادرفورد در آزمایش خود نیاز به ورقه فلزی بسیار نازکی داشت. وی از ورقه طال استفاده نمود که قابلیت تبدیل به ورقه نازک دارد. رادرفورد ورقه نازکی از طال با ضخامت حدود 2000 اتم را با ذره های آلفا بمباران کرد به امید آن که همه ذره های پر انرژی و سنگین آلفا دارای بار مثبت هستند با کم ترین انحراف از این ورقه نازک عبور کنند. زیرا طبق مدل اتمی تامسون جرم اتم در تمام در تمام فضای اتم به طور یکنواخت پخش شده است و الکترون هایی که در سرتاسر اتم پخش شده اند به دلیل کوچک بودن توانایی بازگرداندن پرتوی آلفا را نخواهد داشت. رادرفورد طبق مدل اتمی تامسون نتیجه ای مطابق شکل مقابل را انتظار داشت. آزمایش ورقه طال

22 رادرفورد طبق مدل اتمی تامسون نتیجه ای مطابق شکل مقابل را انتظار داشت. اما آزمایش نتایج دیگری داشت و آن چه رادرفورد مشاهده نمود مطابق شکل زیر بود.

23 مشاهده ها و نتایج آزمایش ورقه طال : مشاهده بیش تر ذره های آلفا بدون انحراف و در مسیری مستقیم از ورقه نازک طال عبور کردند. تعداد زیادی از ذره های آلفا با زاویه اندکی از مسیر اولیه منحرف شدند. تعداد بسیار اندکی از ذره های آلفا ( حدود یک از بیست هزار ) با زاویه ای بیش از 90 درجه از مسیر منحرف شدند. نتیجه گیری بیش تر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می دهد. یک میدان الکتریکی قوی در اتم وجود دارد. اتم طال هسته ای بسیار کوچک با جرم بسیار زیاد دارد.

24 مدل اتمی رادرفورد رادرفورد با استفاده از نتایج آزمایش خود نشان داد که مدل اتمی تامسون نادرست است و مدل دیگری برای اتم پیشنهاد داد که مدل اتم هسته دار نامیده شد. در مدل اتم هسته دار همه بار مثبت اتم در حجم بسیار کوچکی در مرکز اتم قرار دارد و الکترون ها در اطراف هسته قرار دارند. رادرفورد بر اساس مشاهدات خود توانست قطر اتم طال و قطر هسته آن را به طور تقریبی محاسبه کند که به ترتیب تقریبا برابر 8-10 و است نتیجه : قطر اتم طال برابر قطر هسته طال است.

25 هنری موزلی نظریه های ساختار اتم دیگر ذره های سازنده اتم آزمایش بعدی رادرفورد و همکارانش در سال 1919 باعث کشف دومین ذره سازنده اتم به نام پرتون شد. پرتون ذره ای با بار الکتریکی مثبت است که بزرگی بار الکتریکی آن با بار الکترون برابر است و جرمی 1837 بار سنگین تر از جرم الکترون دارد. مطالعات گسترده هنری موزلی روی پرتوهای X تو لید شده از عنصر های مختلف زمینه ساز کشف پروتون به عنوان دومین ذره زیر اتمی شد. امروزه از موزلی به عنوان کشف کننده پروتون یاد می شود اگر چه استاد او رادرفورد با تجزیه و تحلیل داده های تجربی موزلی به وجود پروتون پی برد. رادرفورد با استفاده از نتایج مطالعات موزلی توانست مقدار بار مثبت هسته برخی از اتم ها را تعیین کند. وی -19 مقادیر بار اندازه گیری شده را بر مقدار بار الکتریکی پروتون ) C 10 1/602 + ( تقسیم کرد. در نتیجه 602/ عدد های صحیحی به دست آمد که وی آن را عدد اتمی نامید.

26 جیمز چادویک نظریه های ساختار اتم عدد اتمی : بیانگر تعداد پروتون ها در هسته اتم می باشد و با حرف Z نمایش داده می شود. یک سال بعد رادرفورد به وجود ذره دیگری در اتم اشاره کرد. وی گفت : )) پروتون ها تنها ذره سازنده هسته نیستند بلکه آزمایش ها نشان می دهد که در هسته اتم باید ذره دیگری وجود داشته باشد که بارالکتریکی ندارد ولی جرم آن با جرم پروتون برابر است. (( این گفته رادرفورد در جامعه علمی آن روز به دلیلی عدم ارائه شواهد آزمایشگاهی مورد قبول واقع نشد تا اینکه یکی از دانشجویان وی به نام جیمز چادویک در سال 1932 با طراحی آزمایشی وجود این ذره خنثی را در اتم به اثبات رساند و آن را نوترون نام نهاد. چادویک با استفاده از داده های به دست آمده از واکنش های هسته ای که در آن ها نوترون تولید می شود. جرم نوترون را محاسبه کرد اندکی سنگین تر از پروتون است.

27 عدد جرمی جرم اتم به تعداد پروتون ها و نوترون های درون هسته آن بستگی دارد و جرم الکترون ها حتی اگر اتم بیش از 100 الکترون هم داشته باشد بر جرم اتم تاثیر چشم گیری نخواهد داشت. A نوکلئون : به پروتون یا نوترون نوکلئون یا ذره سازنده هسته گفته می شود. عدد اتمی : به تعداد پروتون های موجود در هسته اتم گفته می شود. عدد جرمی : به مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های یک اتم عدد جرمی می گویند که آن را با نماد نمایش می دهند. تعداد نوترون ها + تعداد پروتون ها ( عدد اتمی( = عدد جرمی A = Z + N

28 نمایش عدد اتمی و عدد جرمی : شیمی دان ها برای هر اتم این اطالعات را به طور خالصه به صورت زیر نمایش می دهند : نماد شیمیایی عنصر A Z X عدد جرمی عدد اتمی در هسته اتم های پایدار تعداد نوترون ها بیش تر یا برابر تعداد پروتون ها است ( Z ) N > به جز هیدروژن معمولی یا پروتیم که نوترون ندارد. در کاتیون و آنیون ها بار یون از رابطه مقابل به دست می آید : تعداد الکترون - تعداد پروتون = بار یون

29 ایزوتوپ دانشمندان با کمک دستگاهی به نام طیف سنج جرمی جرم اتم ها را با دقت بسیار زیادی اندازه گیری می کنند. این اندازه گیری ها نشان می دهد که در بسیاری از عناصر همه اتم های یک عنصر جرم یکسانی ندارند. از آن جا که عدد اتمی و در واقع تعداد پروتون ها در همه اتم های یک عنصر یکسان است پس تفاوت جرم باید به تعداد نوترون های موجود در هسته اتم مربوط باشد. این مطالعات به معرفی مفهوم ایزوتوپ می انجامید. ایزوتوپ : به اتم های یک عنصر گفته می شود که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند. ایزوتوپ به معنی هم مکان می باشد و اتم هایی که ایزوتوپ یکدیگرند در جدول تناوبی در یک خانه قرار می گیرند. تاکنون بیش از 2300 ایزوتوپ مختلف ( طبیعی و ساختگی ) شناخته شده است. در این میان فقط 279 ایزوتوپ پایدار وجود دارد. برخی عنصرها مانند فلوئور فسفر و آلمینیوم تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند. در حالی که برخی از دو یا تعداد بیش تری ایزوتوپ پایدار برخوردارند. برای نمونه قلع دارای ده ایزوتوپ پایدار است.

30 سه ایزوتوپ هیدروژن عبارت است از : نام ایزوتوپ پروتیم دوتریم تریتیم نام معمولی هیدروژن معمولی هیدروژن سنگین هیدروژن پرتوزا 3 1 T 2 1 D 1 H نماد شیمیایی تعداد پروتون تعداد الکترون تعداد نوترون

31 پایداری ایزوتوپ ها : به تعداد پروتون ها و نوترون های درون هسته بستگی دارد. برای نمونه همه هسته هایی که 84 یا بیش از این تعداد پروتون دارند ناپایدار هستند. اما بر طبق یک قاعده کلی اگر برای هسته ای نسبت تعداد نوترون به ) هسته یاد شده ناپایدار خواهد بود. این گونه نوترون پروتون ها 1/5 یا بیش از این باشد ( 1/5 < پروتون هسته های ناپایدار بر اثر واکنش های تالشی هسته ای به هسته های پایدار تبدیل می شوند. غده تیروئید در جلوی گردن قرار دارد و هورمون های تیروئیدی ( 3 ) T 4, T را ترشح می کند. این غده برای ساختن این هورمون ها مقدار زیادی از ید موجود در مواد غذایی را در خود جمع می کند. از این رو رادیو ایزوتوپ ید 131 برای تشخیص بیماری های غده تیروئید به کار می رود. استفاده از نمک ید دار در رژیم غذایی برای سالم ماند غده تیروئید ضروری است.

32 جرم اتمی شیمی دان ها ایتدا جرم اتم ها را به طور نسبی اندازه گیری می کردند. برای مثال جرم یک اتم اکسیژن 1/33 برابر جرم یک اتم کربن وجرم یک اتم کلسیم 2/5 برابر جرم یک اتم اکسیژن در نظر گرفته می شد. استفاده از این نسبت ها در محاسبه های آزمایشگاهی کار دشواری بود. از این رو شیمی دان ها ناگزیر شدند جرم خاصی را به یک عنصر معین نسبت دهند و سپس به کمک نسبت های اندازه گیری شده جرم عنصر های دیگر را محاسبه کنند. در گذشته شیمی دان ها ابتدا هیدروژن و سپس اکسیژن را به عنوان مبنایی برای اندازه گیری جرم اتم ها انتخاب کردند اما در نهایت فراوان ترین ایزوتوپ کربن یعنی کربن 12 ) 12 برای این منظور انتخاب شد. C ( 14 6 همان طور که مشاهده می کنید کربن دارای سه ایزوتوپ C 13 است به طوری که از هر هزار اتم کربن C 12 C موجود در نمونه های طبیعی 989 اتم آن کربن 12 و تعداد 11 اتم آن کربن 13 است. اتم کربن 12 دارای 6 پروتون و 6 نوترون است. دانشمندان جرم این اتم را دقیقا برابر 12/000 در نظر گرفته اند.

33 با این حساب اتم اکسیژن که جرمی معادل 1/33 برابر جرم کربن دارد در این مقیاس جرمی برابر = 16/000 ( 12 1/33 ) خواهد داشت. از آن جا که جرم اتم ها به صورت نسبی اندازه گیری می شوند یکایی ندارند. اما به تجربه ثابت شده است که استفاده از یکایی مناسب برای جرم اتم سودمند است. از این رو شیمی دان ها برای جرم یک اتم یا جرم اتمی را که کوتاه شده عبارتamu Atomic Mass Unit, به معنای واحد جرم اتمی است به عنوان یکای جرم اتمی معرفی کردند. amu = 10 1/66 گرم است است که برابر با 1 12 یک دوازدهم ( ) جرم اتم کربن جرم اتمی = جرم اتم بر حسب واحد جرم اتمی ( amu ) است. 12 برابر با بنابر این در این مقیاس جرم اتم کربن 12/0000 و جرم اتم اکسیژن 16/000 خواهد بود. amu amu

34 در این مقیاس جرم پروتون و نوترون تقریبا 1 amu است. در حالی که جرم الکترون تقریبا یک دو هزارم این مقدار است. در جدول زیر ویژگی های ذره های زیر اتمی را مشاهده می کنید. نام ذره نماد بار الکتریکی نسبی جرم g -28 amu 9/ / الکترون e -24 1/ / پروتون p -24 نوترون 10 1/ n 1/ در نماد زیر اتمی عدد های سمت چپ از باال به پایین جرم نسبی و بار نسبی ذره را مشخص می کند. مثال : جرم نسبی بار نسبی 1 p 1 نتیجه : جرم نوترون اندکی بیشتر از جرم پروتون است و هرو دو کمی از 1 سنگین تر هستند. amu

35 35 17 Cl 17 Cl فراوانی ایزوتوپ ها در طبیعت یکسان نیست. برخی فراوان تر و برخی کم یاب ترند. برای مثال حدودا از هر چهار اتم کلر موجود در طبیعت سه اتم Cl و یک اتمCl است. به عبارت دیگر 75/8 درصد از اتم های کلر را تشکیل می دهد. و 35 و 42/2 درصد آن ها را با توجه به وجود ایزوتوپ ها و تفاوت در فراوانی آن ها برای گزارش جرم نمونه های طبیعی از اتم عنصر های مختلف جرم اتمی میانگین به کار می رود. به عنوان مثال در جدول تناوبی جرم اتم کربن به جای 12/ گزارش شده است.

36 جرم اتم میانگین : به میانگین جرم اتمی ایزوتوپ های یک عنصر با توجه به درصد فراوانی آن ها در طبیعت گفته می شود. برای محاسبه جرم اتمی میانگین از رابطه زیر استفاده می شود. = )M ) جرم اتمی میانگین M1 a 1 + M2a a a 2 و جرم ایزوتوپ ها و a 1 و a 1 و درصد فراوانی آن ها در طبیعت گفته می شود. M 1 Mو 1

37 تفاوت عدد جرمی و جرم اتمی : عدد جرمی به مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های یک اتم گفته می شود. در حالی که جرم اتمی برابر جرم یک اتم برحسب واحد جرم اتمی ( amu ) است. عدد جرمی همواره عدد صحیحی است در حالی که جرم اتمی عدد صحیح نیست. اما از آن جا که جرم پروتون و نوترون راحدود 1 amu در نظر می گیریم و از جرم الکترون صرف نظر می کنیم جرم اتمی یک عنصر به عدد جرمی آن بسیار نزدیک است و می توان با تقریب به خوبی از عدد جرمی به جای جرم اتمی استفاده نمود.