فیزیک اتمی و شیمیایی

فیزیک اتمی و شیمیایی

اگرچه برخی آنالوژی هایی بین سیستم خورشیدی و اتم بنابر این حقیقت که طول جاذبه نیروهای الکترو استاتیک و مکانیکی هر دو به مربع معکوس فاصله ملحق میشوند . وقتی برای عناصر اتمی در حال حرکت به طور مداوم درخواست میشوند. فرمهای کلاسیک الکترومغناطیس و نیرو های مکانیک رد میشوند. .ویژگیهای اتمی اغلب توسط استفاده آزمایشات غیر مستقیم استنباط میشود.طیف نما به عنوان مهمترین میباشد که با اندازه گیری و دخالت مواد دارای تشعشعات الکترو مغناطیس ادامه دار یا جذب شده.این تشعشعات کاراکتر شاخصی دارند. که مکانیک های کوانتوم به طور کمی به ساختاری که آنها را تولید میکند مربوط است.

فیزیک اتمی ، مطالعه علمی ساختار اتم ، حالات انرژی آن و برهم کنش آن با سایر ذرات و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی میباشد. فیزیک اتمی یک کاربرد فوق العاده موفق از مکانیک کوانتومی است که یکی از ارکان اصلی فیزیک مدرن است.

این تصور که ماده از سنگ بناهای اساسی ساخته شده است مربوط به یونانیان باستان است ، آنها معتقد بودند که زمین ، هوا ، آتش و آب ممکن است عناصر اساسی را تشکیل دهند که جهان فیزیکی از آنها ساخته شده است. آنها همچنین مکاتب فکری مختلفی در مورد ماهیت نهایی ماده ایجاد کردند.شاید مهمترین آنها مکتب اتمیستی بود که توسط یونانیان باستان لوسیپوس میلتی و دموکریتوس تراکیایی در حدود 440 قبل از میلاد تاسیس شد. آنها به دلایل کاملاً فلسفی و بدون بهره گیری از شواهد تجربی این تصور را ایجاد کردند که ماده از اتم های تجزیه ناپذیرتشکیل شده است.

اتم ها در خلأ اطراف خود در حرکت بی وقفه هستند و مانند توپ های بیلیارد با یکدیگر برخورد می کنند ، درست مانند نظریه جنبشی مدرن گازها. با این حال ، ضرورت وجود خلأ (یا خلاء) بین اتم ها سوالات جدیدی را ایجاد کرد که نمی توان به راحتی به آنها پاسخ داد.به همین دلیل ، تصویر اتمیستی توسط ارسطو و مکتب آتن به نفع این تصور که ماده پیوسته است ، رد شد. با این وجود ، این ایده همچنان پابرجا بود و 400 سال بعد در آثار شاعر رومی لوکرتیوس ، در اثرش De rerum natura (درباره ماهیت اشیاء) دوباره ظاهر شد.کارهای کمی برای پیشبرد این ایده که ممکن است ماده از ذرات ریز تا قرن 17 ساخته شود انجام شد. فیزیکدان انگلیسی ایزاک نیوتن ، در Principia Mathematica (1687) ، پیشنهاد کرد که قانون بویل ، که می گوید حاصلضرب فشار و حجم گاز در یک دما ثابت است ، می تواند در صورت فرض این که گاز متشکل از ذرات در سال 1808 شیمیدان انگلیسی جان دالتون پیشنهاد کرد که هر عنصر از اتم های یکسانی تشکیل شده است و در سال 1811 فیزیکدان ایتالیایی آمدئو آووگادرو فرض کرد که ذرات عناصر ممکن است شامل دو یا چند اتم چسبیده به هم باشند. آووگادرو چنین مجموعه ای را مولکول نامید و بر اساس کار آزمایشی ، او حدس زد که مولکولهای موجود در گاز هیدروژن یا اکسیژن از جفت اتم تشکیل شده اند.

کارهای کمی برای پیشبرد این ایده که ممکن است ماده از ذرات ریز تا قرن 17 ساخته شود انجام شد. فیزیکدان انگلیسی ایزاک نیوتن ، در Principia Mathematica (1687) ، پیشنهاد کرد که قانون بویل ، که می گوید حاصلضرب فشار و حجم گاز در یک دما ثابت است ، می تواند در صورت فرض این که گاز متشکل از ذرات در سال 1808 شیمیدان انگلیسی جان دالتون پیشنهاد کرد که هر عنصر از اتم های یکسانی تشکیل شده است و در سال 1811 فیزیکدان ایتالیایی آمدئو آووگادرو فرض کرد که ذرات عناصر ممکن است شامل دو یا چند اتم چسبیده به هم باشند. آووگادرو چنین مجموعه ای را مولکول نامید و بر اساس کار آزمایشی ، او حدس زد که مولکولهای موجود در گاز هیدروژن یا اکسیژن از جفت اتم تشکیل شده اند.در طول قرن نوزدهم ایده تعداد محدودی از عناصر ، که هر یک از یک نوع خاص از اتم تشکیل شده بود ، ایجاد شد که می تواند به تعداد نامحدودی از روشها ترکیب شود و ترکیبات شیمیایی را تشکیل دهد. در اواسط قرن ، نظریه جنبشی گازها با موفقیت پدیده هایی مانند فشار و گرانروی یک گاز را به حرکت ذرات اتمی و مولکولی نسبت داد. تا سال 1895 وزن فزاینده شواهد شیمیایی و موفقیت نظریه جنبشی در واقعی بودن اتم ها و مولکول ها تردید چندانی ایجاد نکرد.با این حال ، ساختار داخلی اتم تنها در اوایل قرن 20 با کار فیزیکدان بریتانیایی ارنست رادرفورد و شاگردانش مشخص شد.

تا زمان تلاش های رادرفورد ، یک مدل معروف اتم مدل موسوم به “پودینگ آلو” بود که توسط فیزیکدان انگلیسی جوزف جان تامسون حمایت میشد و معتقد بود که هر اتم شامل تعدادی الکترون (آلو) است که در یک ژل جاسازی شده اند. بار مثبت (پودینگ) ؛ کل بار منفی الکترون ها دقیقاً کل بار مثبت را متعادل می کند و اتمی را تولید می کند که از نظر الکتریکی خنثی است. رادرفورد مجموعه ای از آزمایش های پراکندگی را انجام داد که مدل تامسون را به چالش کشید. رادرفورد مشاهده کرد که وقتی یک پرتو از ذرات آلفا (که امروزه به عنوان هسته هلیوم شناخته می شوند) به یک ورقه نازک طلا برخورد کرد ، برخی از ذرات به عقب منحرف شدند. چنین انحرافات بزرگی با مدل پودینگ آلو ناسازگار بود.این کار منجر به مدل اتمی رادرفورد شد که در آن یک هسته سنگین بار مثبت توسط ابری از الکترون های سبک احاطه شده است. هسته از پروتونهای دارای بار مثبت و نوترونهای خنثی الکتریکی تشکیل شده است که هریک از آنها تقریباً 1836 برابر جرم الکترون دارند. از آنجا که اتمها بسیار کوچک هستند ، ویژگیهای آنها باید با روشهای تجربی غیر مستقیم استنباط شود. مهمترین آنها طیف سنجی است که برای اندازه گیری و تفسیر تشعشع الکترومغناطیسی ساطع شده یا جذب شده توسط اتم ها در هنگام انتقال از یک حالت انرژی به حالت دیگر استفاده می شود. هر عنصر شیمیایی در طول موج های متمایز ، انرژی منعکس می کند که ساختار اتمی آنها را منعکس می کند. از طریق روشهای مکانیک موج ، انرژی اتمها در حالتهای مختلف انرژی و طول موجهای مشخصی که از خود ساطع می کنند ممکن است از ثابتهای فیزیکی بنیادی خاصی – یعنی جرم و بار الکترون ، سرعت نور و ثابت پلانک محاسبه شود.

بر اساس این ثابت های بنیادی ، پیش بینی های عددی مکانیک کوانتومی می توانند بیشتر خواص مشاهده شده اتم های مختلف را در بر بگیرند. به طور خاص ، مکانیک کوانتومی درک عمیقی از چیدمان عناصر در جدول تناوبی ارائه می دهد و به عنوان مثال نشان می دهد که عناصر یک ستون جدول باید دارای خواص مشابه باشند.در سالهای اخیر قدرت و دقت لیزرها زمینه ای در زمینه فیزیک اتمی ایجاد کرده است. از یک سو ، لیزرها به طور چشمگیری دقت اندازه گیری طول موج مشخصه اتم ها را افزایش داده اند.به عنوان مثال ، استانداردهای مدرن زمان و فرکانس بر اساس اندازه گیری فرکانس های انتقال در سزیم اتمی است (ساعت اتمی را ببینید) ، و تعریف متر به عنوان واحد طول در حال حاضر مربوط به اندازه گیری فرکانس از طریق سرعت نور است. علاوه بر این ، لیزرها فناوری های کاملاً جدیدی را برای جداسازی اتم های جداگانه در تله های الکترومغناطیسی و خنک سازی آنها به صفر مطلق امکان پذیر کرده اند. هنگامی که اتم ها اساساً در تله قرار می گیرند ، می توانند یک گذار فاز مکانیکی کوانتومی را برای ایجاد یک ابرسیال که به عنوان تراکم بوز-اینشتین شناخته می شود ، ایجاد کنند ، در حالی که به شکل یک گاز رقیق باقی می مانند.در این حالت جدید ماده ، همه اتمها در یک حالت کوانتومی منسجم هستند. در نتیجه ، اتم ها هویت فردی خود را از دست می دهند و خواص موج کوانتومی موج دار آنها غالب می شود.

سپس کل میعانات به جای مجموعه ای از اتم های جداگانه ، به عنوان یک موجود واحد منسجم (مانند یک دسته ماهی) به تأثیرات خارجی پاسخ می دهد. کارهای اخیر نشان داده است که می توان یک پرتو منسجم از اتم ها را از تله استخراج کرد تا “لیزر اتمی” مشابه پرتوی منسجم فوتون ها در یک لیزر معمولی ایجاد شود. لیزر اتمی هنوز در مراحل اولیه توسعه است ، اما این پتانسیل را دارد که به عنصری کلیدی در فناوری های آینده برای ساخت میکروالکترونیک و سایر دستگاه های مقیاس نانو تبدیل شود.

منبع:برنیکا