ساختار اتم: اتم از چه چیزی تشکیل شده است

اتم کوچک‌ترین ذره یک عنصر شیمیایی است که خواص آن را حفظ می‌کند. ساختار آن ساده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد و تنها از دو «بخش» تشکیل شده است:

• هسته — مرکز اتم. در آن دو نوع ذره زندگی می‌کنند: پروتون‌های مثبت و نوترون‌های خنثی. هسته بسیار کوچک است — تقریباً ۱۰۰,۰۰۰ بار کوچک‌تر از خود اتم — اما بیش از ۹۹.۹٪ جرم اتم در آن متمرکز است.
• پوسته الکترونی — بقیه فضای اتم که در آن الکترون‌های سبک و منفی در اطراف هسته حرکت می‌کنند.

اگر اتم را به اندازه یک استادیوم بزرگ کنیم، هسته مانند یک نخود در مرکز زمین خواهد بود و بقیه فضا توسط پوسته الکترونی «تقریباً خالی» اشغال می‌شود.

تمام اتم‌های جهان تنها از سه نوع ذره ساخته شده‌اند — فقط تعداد آن‌ها متفاوت است. مقایسه ذرات بر اساس سه ویژگی راحت است: بار، جرم و «محل زندگی».

پروتون و نوترون از نظر جرم تقریباً یکسان هستند — حدود ۱ واحد جرم اتمی (amu). الکترون حدود ۱۸۳۶ بار سبک‌تر از آن‌ها است، بنابراین در محاسبات از جرم آن صرف‌نظر می‌شود. اما بار پروتون و الکترون از نظر مقدار برابر و از نظر علامت مخالف است: تا زمانی که تعداد پروتون‌ها در اتم با تعداد الکترون‌ها برابر باشد، اتم از نظر الکتریکی خنثی است.

ترکیب هر اتم با دو عدد توصیف می‌شود:

• عدد اتمی Z — تعداد پروتون‌ها در هسته. این همان شماره ردیف عنصر در جدول تناوبی است: شماره ۱ — هیدروژن (۱ پروتون)، شماره ۸ — اکسیژن (۸ پروتون)، شماره ۷۹ — طلا (۷۹ پروتون). بنابراین در مدل سیاره‌ای اتم، تعداد پروتون‌ها در هسته برابر با تعداد الکترون‌ها است: اتم خنثی است و به ازای هر پروتون دقیقاً یک الکترون وجود دارد.
• عدد جرمی A — تعداد کل ذرات در هسته: \(A = Z + N\)، که در آن N تعداد نوترون‌ها است. از اینجا فرمول اصلی برای مسائل مدرسه به دست می‌آید: \(N = A - Z\).

ترکیب اتم به این صورت نوشته می‌شود: \(^{A}_{Z}\text{X}\). برای مثال، \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — کلر، که ۱۷ پروتون و ۳۵ − ۱۷ = ۱۸ نوترون دارد. راهنمای زیر — کل الگوریتم در سه خط است.

الکترون‌ها به صورت تصادفی در اطراف هسته نمی‌چرخند: آن‌ها در ترازهای انرژی (پوسته‌ها) قرار می‌گیرند. هرچه تراز از هسته دورتر باشد، الکترون‌های بیشتری را در خود جای می‌دهد — حداکثر آن با فرمول \(2n^2\) محاسبه می‌شود:

• تراز اول — حداکثر ۲ الکترون؛
• تراز دوم — حداکثر ۸؛
• تراز سوم — حداکثر ۱۸؛
• تراز چهارم — حداکثر ۳۲.

ترازها به ترتیب، از نزدیک‌ترین به دورترین پر می‌شوند. برای مثال، در اکسیژن (Z = 8) الکترون‌ها به صورت ۲، ۶ چیده می‌شوند؛ در سدیم (Z = 11) — ۲، ۸، ۱؛ در کلر (Z = 17) — ۲، ۸، ۷. الکترون‌های لایه بیرونی را الکترون‌های ظرفیت می‌نامند — دقیقاً همین‌ها در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند و خواص عنصر را تعیین می‌کنند.

تعداد ترازها را نیز می‌توان از جدول تناوبی فهمید: این تعداد برابر با شماره دوره‌ای است که عنصر در آن قرار دارد. در کلاس‌های بالاتر، ترازها به زیرترازهای s, p, d, f تقسیم می‌شوند و آرایش الکترونی نوشته می‌شود — برای مثال، اکسیژن 1s²2s²2p⁴.

تعداد پروتون‌های یک عنصر را نمی‌توان تغییر داد: اگر به هسته پروتون اضافه کنید، عنصر دیگری به دست می‌آید. اما تعداد نوترون‌ها می‌تواند متفاوت باشد. ایزوتوپ‌ها — اتم‌های یک عنصر با Z یکسان، اما تعداد نوترون‌های متفاوت و در نتیجه عدد جرمی A متفاوت هستند.

مثال کلاسیک — هیدروژن و سه ایزوتوپ آن: پروتیوم \(^{1}_{1}\text{H}\) (بدون نوترون)، دوتریوم \(^{2}_{1}\text{H}\) (۱ نوترون) و تریتیوم \(^{3}_{1}\text{H}\) (۲ نوترون). از نظر شیمیایی ایزوتوپ‌ها تقریباً غیرقابل تشخیص هستند: در واکنش‌ها الکترون‌ها نقش اصلی را دارند و تعداد آن‌ها در ایزوتوپ‌ها برابر است.

دقیقاً به دلیل وجود ایزوتوپ‌ها است که جرم‌های اتمی در جدول تناوبی اعشاری هستند: این میانگین وزنی تمام ایزوتوپ‌های طبیعی عنصر است. برای مثال، کلر ۳۵.۴۵ است — زیرا کلر طبیعی مخلوطی از کلر-۳۵ و کلر-۳۷ است.

کلمه «اتم» از یونانی atomos به معنای «تجزیه‌ناپذیر» گرفته شده است: دموکریت این‌گونه تصور می‌کرد و در اوایل قرن نوزدهم جان دالتون اولین نظریه علمی را بر اساس ایده اتم تجزیه‌ناپذیر بنا کرد. اما اکتشافات اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم نشان داد: اتم دارای ساختار درونی است.

• ۱۸۹۷ — مدل تامسون («کیک کشمشی»). جی. تامسون الکترون را کشف کرد و فرض کرد که الکترون‌ها در یک «محیط» با بار مثبت مانند کشمش در کیک قرار گرفته‌اند.
• ۱۹۱۱ — مدل سیاره‌ای رادرفورد. ارنست رادرفورد با بمباران ورق طلا با ذرات آلفا کشف کرد که تقریباً تمام جرم و بار مثبت در یک هسته کوچک متمرکز شده است و الکترون‌ها مانند سیارات به دور خورشید، به دور هسته می‌چرخند.
• ۱۹۱۳ — مدل بور. نیلز بور دقیق‌تر گفت: الکترون‌ها در هر مداری حرکت نمی‌کنند، بلکه در مدارهای مشخص با انرژی ثابت حرکت می‌کنند — به این ترتیب ترازهای انرژی به وجود آمدند.
• دهه ۱۹۲۰ — مدل کوانتومی-مکانیکی. فیزیک مدرن الکترون را نه به عنوان یک توپ در مدار، بلکه به عنوان ابر الکترونی توصیف می‌کند — منطقه‌ای از فضا که در آن احتمال یافتن الکترون وجود دارد.

شیمی مدرسه هنوز هم از مدل سیاره‌ای با ترازها (مانند نمودار بالا) استفاده می‌کند: برای شمارش ذرات و جای‌گذاری الکترون‌ها، دقت آن کاملاً کافی است.