روند تکامل نظریه اتمی

همه ی ما از راهنمایی تا پایان دبیرستان با لفظ اتم سرو کار داریم و از تاریخچه اتم تا بور شاید مطلع باشیم اما قطعا قبل از بور اشخاصی دیگر این نظریه را بیان کرده اند این پست شمارا با اشخاصی که حتی قبلا از تامسون و مدل کیک کشمشی در فکر ذرات سازنده ی مواد بوده اند آشنا خواهد کرد.

این نظریه به عنوان یک مفهوم فلسفی در هند و یونان قدیم مطرح شد. کلمه‌ی اتم از واژه‌ی یونانی اتمس (atomos) به معنی غیر قابل مشاهده گرفته شده است. بر اساس اتمیسم ماده شامل اجزای جدا از هم است. این نظریه یکی از توضیحات بسیار برای ماده بود و بر اساس داده‌های تجربی نبود. دموکریتوس در قرن پنجم پیش از میلاد پیشنهاد داد که ماده متشکل از واحدهای غیرقابل مشاهده و غیرقابل تجزیه به نام اتم است. لوکرتیوس شاعر رومی این ایده را ثبت کرده است و به همین سبب در دوره‌ی تاریک قرون وسطا حفظ شده است.

تا اواخر قرن ۱۸ طول کشید تا علم شواهد محکمی از وجود اتم‌ها ارائه دهد. آنتونی لاوازیه قانون پایستگی جرم را در سال ۱۷۸۹ مطرح کرد که بنابراین قانون جرم تولیدات یک واکنش با جرم واکنشگرها برابر است. ژوزف لوئیس پروست در سال ۱۷۹۹ قانون نسبت‌‌های معین را ارائه کرد که اظهار می‌دارد جرم عناصر یک ترکیب همیشه در یک نسبت می‌باشند. با وجود اینکه این نظریه‌ها به اتم‌ها اشاره‌ای ندارند اما جان دالتون براساس آنها قانون نسبت‌های چندگانه ارائه داد که می‌گوید نسبت جرم‌های عناصر در یک ترکیب اعدادی صحیح و کوچک می‌باشند. قانون نسبت‌های چندگانه‌ی دالتون از داده‌های تجربی گرفته شده بود. او پیشنهاد داد که هر عنصر شیمیایی شامل یک نوع اتم‌ می‌باشد که توسط هیچ واکنش شیمیایی از بین نمی‌روند. ارائه‌ی شفاهی او در سال ۱۸۰۳ و انتشارش در سال ۱۸۰۵ نشانگر آغاز نظریه‌‌ی اتمی علمی است. در سال ۱۸۱۱ آمادئو آووگادرو یک مشکل تئوری دالتون را حل کرد. او ظهار داشت حجم یکسانی از گازها در دما و فشار یکسان تعداد اجزای یکسانی دارند. قانون آووگادرو امکان تخمین صحیح جرم اتمی عناصر را فراهم کرد و تفاوت میان اتم‌ها و مولکول‌ها را به وضوح بیان کرد. مشارکت مهم دیگر در نظریه‌ی اتمی در سال ۱۸۲۷ توسط گیاه‌شناسی به نام رابرت براون انجام شد. او مشاهده کرد که به نظر می‌رسد ذرات گرد و خاک شناور در آب بدون دلیل شناخته‌شده‌ای به طور تصادفی حرکت می‌کنند. در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین اظهار داشت حرکت براونی به دلیل حرکت مولکول‌های آب است. مدل و درستی آن در سال ۱۹۰۸ توسط جین پرین ارائه شد که از نظریه‌ی اتمی و نظریه‌ی ذرات حمایت می‌کند.

تا زمان مطرح شدن این مدل، اتم‌ها کوچک‌ترین واحد ماده در نظر گرفته می‌شدند. در سال ۱۸۹۷ تامسون الکترون‌ها را کشف کرد. او معتقد بود که اتم‌ها را می‌توان تقسیم کرد. از آنجایی که الکترون‌ها دارای بار منفی بودند او مدل کیک کشمشی را از اتم‌ها ارائه داد که بر اساس این مدل اکترون‌های با بار منفی در جرمی با بار مثبت پخش شده‌اند تا اتم با بار خنثی ایجاد شود.

ارنست رادرفورد که یکی از دانشجویان تامسون بود مدل کیک کشمشی را در سال ۱۹۰۹ رد کرد. رادرفورد متوجه شد که بار مثبت و جرم یک اتم به طور عمده در مرکز یا هسته‌ی یک اتم قرار گرفته است. او یک مدل سیاره‌ای برای اتم پیشنهاد داد که الکترون‌ها به دور یک هسته‌ی با بار مثبت می‌چرخند.

رادرفورد در مسیر درستی بود اما مدل او قادر به توضیح طیف نشری و جذبی اتم ها و یا اینکه چرا الکترون‌ها بر روی هسته سقوط نمی‌کنند نبود. نیلز بور در سال ۱۹۱۳ مدل بور را پیشنهاد داد که بر اساس آن الکترون‌ها در فواصل مشخصی از هسته به دور هسته می‌چرخند. بر اساس این مدل الکترون‌ها بر روی هسته سقوط نمی‌کنند اما می‌تواند بین سطوح انرژی جابه‌جا شود.

مدل اتمی بور خطوط طیفی هیدروژن را توضیح می‌دهد اما برای اتم‌ها با الکترون‌های چندگانه قابلیت بسط دادن را نداشت. اکتشافات متعددی یافته‌های ما از اتم‌ها را وسعت بخشید. فردریک سادی در ۱۹۱۳ ایزوتوپ‌ها را توصیف کرد. ایزوتوپ‌ها اشکالی از یک اتم است که تعداد نوتورن‌های آن متفاوت است. نوترون‌ها در سال ۱۹۳۲ کشف شدند. لویس دو بروی رفتاری موجی از ذرات در حال حرکت را پیشنهاد داد که اروین شرودینگر آن را در سال ۱۹۲۶ با استفاده از معادله‌ی شرودینگر توصیف کرد. این به نوبه‌ی خود به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در سال ۱۹۲۷ منجر شد که بنابر آن امکان مشخص کردن مکان و تکانه‌ی یک الکترون به طور همزمان امکان‌پذیر نیست. مکانیک کوانتومی به یک نظریه‌ی اتمی منجر شد که براساس آن اتم‌ها شامل اجزای کوچکتری می‌باشند. الکترون می‌تواند هر جای یک اتم باشد اما با احتمال زیاد در مدار اتمی یا سطح انرژی است. نظریه‌ی اتمی مدرن به جای مدارهای دایره‌ای مدل رادرفورد، اوربیتال‌هایی را پیشنهاد می‌دهد که ممکن است کروی، به شکل دمبل و غیره باشد. برای اتم‌هایی با تعداد زیاد الکترون‌ها از آنجایی که ذرات با سرعتی که کسری از سرعت نور است حرکت می‌کنند اثرات نسبیت نیز دیده می‌شوند. اگر چه اتم‌ها کوچکترین واحد ماده می‌باشند که نمی‌توان با واکنش‌های شیمیایی به ذرات کوچکتری تقسیم کرد اما دانشمندان ذراتی کوچکتر از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها پیدا کرده‌اند.