اتم چیست: اجزا و ساختار اتم
اتم چیست: اتم کوچکترین واحدِ تشکیل‌دهنده‌ی عناصر شیمیایی است که هویت هر عنصر را مشخص می‌کند. به عبارت ساده‌تر، با اینکه خود اتمها نیز از ذره‌های ریزتری تشکیل شده‌اند، اما اتم هر عنصر، کوچکترین جزء از آن عنصر است که خواصی شبیه آن عنصر دارد. لذا خواص هر عنصر شیمیایی ناشی از خواص اتم‌های آن عنصر است. به همین سبب می‌گوییم، اتمها سنگ بنای مواد هستند. هر ماده و عنصری در جهان اعم از جامد، مایع، گاز و پلاسما از اتم‌های طبیعی یا یونیده تشکیل می‌شود. اتمها می‌توانند مستقل یا مرکب باشند، یعنی یا جدا از هم باشند و یا با اتم‌های دیگر ترکیب شوند و مولکول تشکیل دهند، زیرا از پیوند اتمها با هم، مولکول تشکیل می‌شود. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که اتم چیست. همچنین ساختار اتم را توضیح می‌دهیم و درباره الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها صحبت می‌کنیم.
اتم چیست؟
گفتیم که به کوچکترین واحد تشکیل‌دهنده عنصر شیمیایی که هویت آن عنصر را مشخص می‌کند، اتم می‌گوییم. در واقع، خواص هر عنصر ناشی از خواص اتم‌های آن عنصر است. برای مثال عنصر نقره را در نظر بگیرید که طبیعتاً حاوی اتم‌های نقره است و اتم‌های نقره متفاوت از اتم‌های عناصر دیگر هستند. همچنین وقتی می‌گوییم «اکسیژن» در واقع منظورمان اتم‌های اکسیژن است. پس، اتمها ذرات بسیار ریزی هستند که سنگ بنای ماده محسوب می‌شوند. اتمها می‌توانند به هم بپیوندند. اتمها با پیوستن به هم، مولکول می‌سازند و بدین‌سان مواد جدیدی پدید می‌آیند. برای مثال وقتی دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن به هم می‌پیوندند، مولکول آب می‌سازند. همه اشیایی که در اطراف‌مان می‌بینیم از اتمها و مولکول‌ها تشکیل شده‌اند و لذا می‌گوییم اتمها اجزای بنیادی ماده هستند.
اتم هر عنصر، شناسنامه‌ی آن عنصر است، یعنی هر عنصر شیمیایی را بر اساس نوع اتم سازنده‌اش از دیگر عناصر شیمیایی متمایز می‌کنیم. برای مثال، علت تفاوت اکسیژن و هیدروژن، تفاوت نوع اتم این‌دو عنصر است. یا مثلا نقره و طلا خواص متفاوتی دارند، زیرا خواص اتم طلا با خواص اتم نقره فرق می‌کند. پس خواص و رفتار هر عنصر در طبیعت، شبیه خواص و رفتار اتم‌های آن عنصر است.
ساختار اتم
به یاد داشته باشیم که خود اتمها نیز از ذره‌های ریزتری تشکیل شده‌اند و ساختار مشخصی دارند. در ادامه ساختار اتم را توضیح می‌دهیم.
ساختار اتم شامل دو بخش اصلی است:
- هسته اتم: شامل پروتون (با بار الکتریکی مثبت) و نوترون (فاقد بار الکتریکی یعنی خنثی)
- ابر الکترونی: محدوده‌ای که الکترون‌ها در آن محدوده دور هسته اتم می‌چرخند
اتم را می‌توانید به منظومه شمسی تشبیه کنید. همانطور که در منظومه شمسی سیاره‌ها در مدار معینی به‌دور خورشید در گردشند، الکترون‌های اتم نیز در ناحیه‌ای موسوم به ابر الکترونی و مدارهای مخصوصی حول هسته اتم می‌چرخند.
در حالت عادی تعداد الکترون‌ها و تعداد پروتون‌ها و (معمولا) تعداد نوترون‌های هر اتم با هم برابر است. پروتون‌ها و الکترون‌ها اثر الکتریکی یکدیگر را خنثی می‌کنند و به‌همین سبب، اتم در حالت عادی، بار الکتریکی ندارد یعنی خنثی است.
۱. هسته اتم چیست
هسته در مرکز اتم جای دارد. قطر هسته حدود یک‌ده‌هزارم قطر خود اتم است. تقریبا تمام جرم اتم در هسته آن متمرکز شده است. خود هسته شامل دو ذره ریزتر دیگر موسوم به پروتون و نوترون است. پروتون‌ها بار الکتریکی مثبت دارند اما نوترون‌ها خنثی هستند. پروتون‌ها و نوترون‌ها با نوعی نیروی هسته‌ای در هسته کنار هم می‌مانند. این نیرو بسیار قوی‌تر از نیروی الکترواستاتیکی است که الکترون‌ها را اطراف هسته نگه می‌دارد. با اینکه هسته اتم تنها یک‌ده‌هزارم اندازه اتم را شامل می‌شود اما بیش از ۹۹.۹ درصد جرم اتم متعلق به هسته آن است. اما دامنه آن به محدود به فاصله ۱x 10-۱۵ متر است. ( شکل ۱)
الکترون‌ها در ناحیه‌ای موسوم به ابر الکترونی دور هسته می‌چرخند. پس به‌طور خلاصه:
- پروتون: پروتون‌ها بار الکتریکی مثبت دارند. بار الکتریکی هر پروتون ۶ ۶x 10-۱۸ کولن است. به تعداد پروتون‌های هسته هر اتم را عدد اتمی آن اتم می‌گوییم.
- نوترون: نورتون‌ها بار الکتریکی ندارند. یعنی نوترون‌ها از نظر بار الکتریکی، خنثی هستند. جرم هر نوترون برابر با جرم پروتون است. بار الکتریکی کل هسته به‌سبب وجود پروتون‌ها، مثبت است. در هر ماده‌ای وزن اتم و ویژگی‌هایی رادیواکتیو آن به هسته مرتبط است. جرم نوترون برابر با ۶۷۴۹۲۸۶x 10-۲۸ کیلوگرم است.
۲. ابر الکترونی چیست
الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند. بار الکتریکی هر الکترون ۱.۶x 10-۱۹ کولن است. این الکترون‌ها در فضایی موسوم به ابر الکترونی دور هسته می‌چرخند.
- اگر تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های یک اتم با هم برابر باشد، آن اتم بار الکتریکی خنثی خواهدداشت زیرا بار الکتریکی منفیِ الکترون‌ها بار الکتریکی مثبتِ پروتون‌ها را خنثی می‌کند.
- الکترون‌ها در ناحیه‌ای موسوم به مدار یا اوربیت یا ابر الکترونی دور هسته در گردشند.
- بین پروتون‌هایی که بار مثبت دارند و الکترون‌ها که بار منفی دارند، نیروی جاذبه وجود دارد. این نیروی جاذبه بعنوان نیروی مایل به مرکز عمل می‌کند و وجودش برای گردش الکترون‌ها به‌دور هسته ضروری است.
- الکترون‌هایی که نزدیک هسته اتم هستند با شدت بیشتری به هسته پیوند خورده‌اند و جدا کردن آن الکترون‌ها از آن اتم سخت‌تر از جدا کردن الکترون‌هایی است که از هسته دورتر هستند.
مطلب مرتبط: چگالی ماده چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟
اندازه اتم
اندازه هر اتم بسته به نوع آن معمولا ۰.۱ نانومتر تا ۰.۵ نانومتر است. همچنین اندازه مولکول به نوع آن بستگی دارد. برای مثال قطر هر مولکول ساده آب متشکل از ۲ اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تنها ۰.۲۷ نانومتر است. با استفاده از فناوری نانو می‌توان بعضی از ساختارهای مولکولی و اتمی را تغییر داد و مواد جدیدی تولید کرد و یا مواد موجود را بسته به نیازها بهبود داد.
در ادامه با چند مفهوم مهم درباره اتم و ساختار اتم آشنا می‌شویم:
عدد اتمی (تعداد پروتون‌های هسته اتم)
به تعداد پروتون‌های هسته اتم، عدد اتمی می‌گوییم و با حرف Z نشانش می‌دهیم. هر عنصر را با عدد اتمیِ آن می‌شناسیم، یعنی تعداد پروتون‌های هر اتم مشخص می‌کند که آن اتم متعلق به چه عنصری است. برای مثال اتمی که فقط یک پروتون دارد، حتما اتم هیدروژن است یا مثلا اتمی که ۴۷ پروتون دارد قطعا اتم نقره است، زیرا هیچ اتم دیگری جز اتم نقره ۴۷ پروتون ندارد.
در حال حاضر ۱۱۸ عنصر شیمیایی را می‌شناسیم که بر حسب عدد اتمی‌شان در جدول مخصوصی موسوم به جدول تناوبی عناصر سازمان‌دهی شده‌اند. عناصری که عدد اتمی آن‌ها بین ۱ تا ۹۸ است همگی در طبیعت وجود دارند اما عناصری که عدد اتمی آن‌ها بین ۹۹ تا ۱۱۸ است فقط به‌صورت مصنوعی تولید می‌شوند.
عدد نوترونی و ایزوتوپ
نوترون نیز یکی از ذرات موجود در هسته اتم است که بار الکتریکی (مثبت یا منفی) ندارد و جرم آن مشابه جرم پروتون است. ظاهرا هر نوترون از سه ذره کوچکتر موسوم به کوارک ساخته شده است که یکی از آن‌ها دوسوم بار مثبت و دو کوارک دیگر هر کدام یک‌سوم بار منفی دارند که نتیجتا بار الکتریکی کل آن‌ها صفر می‌شود. تقریبا همه اتمها جز اتم هیدروژن، در هسته خود نوترون دارند. تعداد نوترون‌های و پروتون‌های هسته اتم در حالت عادی برابر است. به تعداد نوترون‌های هسته عدد نوترونی می‌گوییم و آن‌را با حرف N نشان می‌دهیم.
در حالت عادی، تعداد پروتون‌ها و تعداد نوترون‌های هر اتم برابر است، اما به اتم‌هایی که تعداد نوترون‌های‌شان با تعداد پروتون‌ها متفاوت باشد ایزوتوپ آن عنصر می‌گوییم. یعنی ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی هستند که عدد نوترونی آن‌ها با عدد اتمی‌شان فرق می‌کند (تصویر ۳).
مثلا عنصر هیدروژن سه نوع ایزوتوپ دارد:
- Hydrogen-1 (هیدروژن)
- Hydrogen-2 (دوتریوم)
- Hydrogen-3 (تریتیوم)
نکته: بعضی از ایزوتوپ‌ها ناپایدار هستند و ضمن تلاش برای رسیدن به پایداری، از هسته خود پرتوافشانی می‌کنند. لذا همه ایزوتوپهای ناپایدار اصطلاحا ایزوتوپ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) هستند.
عدد جرمی و نوکلید
به مجموع پروتون‌ها و نوترون‌های هسته، عدد جرمی می‌گوییم و آن‌را با حرف A نشان می‌دهیم (تصویر ۴). پس:
Z + N = A
نوکلیدها اغلب با استفاده از نام عنصر و عدد جرمی آن (مجموع پروتون‌ها و نوترون‌ها) شناسایی می‌شوند؛ مثلا: نوکلید Lithiu-7 یا uranium-238. وقتی به نوکلیدهای عنصری اشاره می‌کنیم، معمولا آن‌ها را ایزوتوپ می‌خوانیم مثل اورانیوم ۲۳۸ و اورانیوم ۲۳۵ که در حال حاضر، پرکاربردترین ایزوتوپهای اورانیوم هستند. نوکلیدهای رادیواکتیو را رادیونوکلید یا رادیو ایزوتوپ هم می‌نامند.
بین عناصر، ۲۵۳ نوکلید پادار و بیش از ۳۰۰۰ رادیوایزوتوپ وجود دارد. اکثر رادیو ایزوتوپ (بیش از ۴۰۰ مورد آن‌ها) مصنوعی تولید می‌شوند و هنوز در طبیعت یافت نشده‌اند.
نکته: تعداد پروتون‌های هسته هر اتم همواره ثابت است، اما تعداد الکترون‌های اتم ممکن است در شرایط خاصی کم یا اضافه شود.
مطلب مرتبط: هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟
یون و یونش (یونویزاسیون) چیست؟
گفتیم که تعداد پروتون‌های هر اتم همواره ثابت است اما تعداد الکترون‌های اتم را در شرایط خاصی می‌توان کم یا اضافه کرد. به فرآیند کم یا اضافه شدن الکترون‌های اتم، «یونش» یا «یونزاسیون» می‌گوییم. ضمنا اتم باردار یعنی اتمی را که الکترون از دست داده یا الکترون اضافه جذب کرده باشد، «یون» می‌نامیم.
جمع‌بندی: اتم چیست و ساختار و اجزای اتم چگونه است؟
به کوچکتر واحد سازنده هر عنصر شیمیایی که خواص و رفتار آن عنصر را مشخص می‌کند، اتم می‌گوییم. خود اتمها نیز از ذره‌های ریزتری موسوم به پروتون، نوترون و الکترون تشکیل می‌شود. ساختار اتم دو بخش اصلی دارد که یکی هسته و دیگری ابر الکترونی است. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم جای دارند و الکترون‌ها در فضایی موسوم به ابر الکترونی حول هسته در گردشند. تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های اتم در حالت عادی با هم برابر است. ضمنا بار الکتریکی پروتون مثبت و بار الکتریکی الکترون منفی است. نوترون‌ها نیز بار الکتریکی ندارند. پس در حالت عادی، بار الکتریکی کل اتم خنثی است. اما اگر اتمی الکترون از دست دهد یا الکترون اضافه جذب کند، تعادل بار الکتریکی اتم به هم می‌خورد و اتم به یون تبدیل می‌شود. اتمی که الکترون از دست دهد به یون مثبت تبدیل می‌شود اتمی که الکترون اضافه جذب کند، یون منفی می‌شود.
عنوان: اتم چیست: اجزا و ساختار اتم
موضوع: اتم چیست؟ ساختار اتم چگونه است و اتم چه اجزایی دارد؟
