آشنایی با ساختار هسته اتم

 آشنایی با ساختار هسته اتم

دید کلی

می‌توان هسته اتم را به عنوان جرم نقطه‌ای و بار آن را به صورت بار نقطه‌ای در نظر گرفت. هسته شامل ، تمامی بارمثبت و تقریباً تمامی جرم اتم است، در نتیجه مرکزی تشکیل می‌‌دهد که حرکت الکترونی حول آن رخ می‌‌دهد. هر چند هسته عمدتاً از طریق نیروی جاذبه کلنی خود با الکترونها ساختار اتمی را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد اما بعضی آثار نسبتاً دقیق را در طیف‌های اتمی می‌‌توان به آن نسبت داد.

اجزای اصلی هسته

ذراتی که تمامی هسته‌ها از آنها ترکیب یافته‌اند پروتونها و نوترونها هستند. در حالت کلی به این ذرات نوکلئون می‌‌گویند. خواص نوکلئونها

بار

پروتون هسته اتم H (ایزوتوپ سبک اتم هیدروژن) است. پروتون دارای یک بارمثبت است که از نظر بزرگی با بار الکترون برابر است. نوترون دارای بار e 10^-13 (10^-18 برابر بار الکترون است) ولی چون خیلی کوچک است آن را خنثی می‌‌گیریم و لذا در برهمکنشی با الکترون نیروی ضعیفی از خود نشان می‌‌دهد.

جرم

پروتون و نوترون دارای جرم تقریباً یکسان هستند، جرم نوترون از جرم پروتون اندکی (کوچکتراز 0.1 درصد) بیشتراست. این ذرات هر دو دارای انرژی سکون حدود یک گیگا الکترون ولت هستند.

اسپین

یک ویژگی مهم پروتون و نوترون اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی ، یا به اصطلاح اسپین هسته‌ای آنها است. اعداد کوانتومی اسپین هسته‌ای پروتون و نوترون هردو برابر ½ هستند.

گشتاور مغناطیسی هسته‌ای

گشتاور مغناطیسی پروتون در همان راستای اسپین هسته‌ای آن است، بزرگی گشتاور هسته‌ای ، مؤلفه گشتاور مغناطیسی پروتون را در امتداد راستای کوانتش فضایی برحسب مگنتون هسته‌ای به دست می‌‌دهد. گشتاور مغناطیسی نوترون درخلاف راستای اندازه حرکت زاویه‌ای آن است. گشتاور مغناطیسی غیر صفر نوترون حاکی از آن است که ، با وجود صفر بودن بار کل ، یک توزیع غیر یکنواخت بار در داخل آن وجود دارد.

نیروهای هسته‌ای

از آنجا که پروتونها در داخل هسته در فاصله کمی از همدیگر قرار دارند، نیروی رانشی کولنی بین آنها خیلی بزرگ است. برای آنکه هسته در حالت تعادل قرار گیرد، این نیرو را باید یک نیروی ربایشی دیگر (نیروی هسته‌ای) خنثی کند. این نیرو در قوی‌ترین حالت خود ، از نیروی کولنی خیلی قوی‌تر است. ولی ، نیروی هسته‌ای فقط در گستره محدودی قوی است. از جنبه‌های مهم نیروی هسته‌ای ، استقلال آن از بار است. نیروی مؤثر بین دو نوکلئون ، از اینکه دو پروتون ، دو نوترون و یا یک پروتون و یک نوترون باشند، متشکل است. نیروی بین دو نوکلئون با اسپین موازی نسبت به نیروی بین دو نوکلئون با اسپین پادموازی قویتر است.

پتانسیل یوکاوا

بر خلاف نیروی کولنی ، که بستگی به فاصله آن به صورت ساده r²/1 است، نیروی هسته‌ای بطور خیلی پیچیده‌ای به فاصله وابسته است. پتانسیل حاصل از این نیرو را پتانسیل یوکاوا گویند. پتانسیل تابع نمایی از فاصله هسته‌ای است. به علت این رفتار نمایی ، پتانسیل و نیرو سریعا با افزایش فاصله به صفر میل می‌‌کند.

شعاع هسته‌ای

شعاع هسته‌ای بطور تقریبی از نتایج آزمایشهای پراکندگی ذره آلفا محاسبه می‌‌شود. اگر چه توزیع این ذرات پراکنده تنها با برهمکنش کولنی برای فواصل بزرگتر از ^14-10 متر توجیه می‌‌شود، اما وقتی ذرات آلفا تقریباً در این فاصله از مرکز هسته قرار می‌‌گیرند از قانون کولن تبعیت نمی‌‌کنند. در این حالت ، شعاع هسته‌ای را می‌‌توان به صورت آن فاصله‌ای از مرکز هسته تعریف کرد که در آن نیروی هسته‌ای از اهمیت برخوردار است. نتایج به دست آمده از پراکندگی نوترونی برای شعاع هسته بیانگر تابعیت شعاع هسته‌ای از عدد جرمی‌‌ هسته‌ای (A) است. که شعاع هسته با ریشه سوم عدد جرمی متناسب است.

اتم هیدروژن

اتم هیدروژن ساده‌ترین اتمها می‌باشد، و همین امر سبب می‌شود که هرگاه مطالعه‌ای در مورد ساختار اتمها انجام شود، ابتدا این مطالعه در مورد اتم هیدروژن شروع می‌شود. بعد از اینکه نتیجه گیریها در مورد اتم هیدروژن با نتایج تجربی و عملی موجود موافق بود، یعنی صحت و درستی تئوری یا نظریه در مورد اتم هیدروژن از نظر تجربی تأیید گردید، مطالعه را به اتمهای دیگر تعمیم می‌دهند. به عنوان مثال کوانتش ترازهای انرژی ، اولین بار در مورد اتم هیدروژن به اثبات رسید، سپس در مورد اتمها دیگر نیز مطالعه شد.

مشخصات اتم هیدروژن

ساختمان اتم هیدروژن از یک هسته و یک الکترون تشکیل شده است. معلوم شده است که قطر اتم هیدروژن تقریبا یک آنگسترم است و الکترون در این اتم با انرژی 13.6 الکترون ولت (هر الکترون ولت معادل 1.6x10^-19 ژول است) به هسته مقید است.

طیف اتم هیدروژن

طیف مربوط به اتم هیدروژن که توسط طیف سنج منشوری یا طیف سنج توری پراش حاصل می‌شود، متشکل از تعدادی خطوط تیزه گسسته ، و روشن در زمینه سیاه است. این خطوط تصویرهای شکاف هستند. در حقیقت ، طیف تمام عناصر شیمیایی که به شکل گاز تک اتمی هستند، مرکب از چنین خطوط روشن است. این طیف به طیف خطی معروف است. در این صورت طیف گسیلی ناشی از اتم هیدروژن ، که یک طیف خطی روشن است، مشخصه هیدروژن است.
طیف اتم هیدروژن به نواحی مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند، که هر کدام از این نواحی به افتخار دانشمندانی که آنها را اولین بار تعیین کرده‌اند، به نام آن ثبت شده است. اولین ناحیه فرابنفش است که به سری لیمان معروف است. ناحیه دوم ، ناحیه مرئی است که به سری بالمر معروف است. ناحیه سوم ، ناحیه فروسرخ است که سری پاشن نامیده می‌شود.

ایزوتوپهای هیدروژن

·         هیدروژن با عدد اتمی یک و عدد جرمی یک ، یکی از ایزوتوپهای اتم هیدروژن است. این نوع ایزوتوپ فاقد نوترون است.

·         دوتریم با فرمول شیمیایی ²₁H که عدد اتمی آن یک بوده و عدد جرمی‌اش برابر 2 است. این ایزوتوپ دارای یک نوترون است. این نوع هیدروژن را هیدروژن سنگین نیز می‌گویند.

دیدگاه کوانتومی اتم هیدروژن

از آنجا که اتم هیدروژن ساده‌ترین اتمهاست، بنابراین ابتدا معادله شرویدینگر در مورد اتم هیدروژن حل می‌شود. سپس این نتایج با تغییراتی در معادله شرودینگر در مورد عناصر دیگر تعمیم داده می‌شود. بر اساس جوابهای معادله شرودینگر ترازهای انرژی اتم هیدروژن حاصل می‌شوند. به هر تراز اتمی یک عدد کوانتومی اصلی که با n نشان داده می‌شود، تعریف می‌کنند، در حالت پایه الکترون اتم هیدروژن در تراز n = 1 قرار دارد. اگر هیدروژن بوسیله عواملی مانند میدان خارجی تحریک شود، در این صورت الکترون تحریک شده و به تراز بالاتر می‌رود که در اینحالت اصطلاحا گفته می‌شود که اتم هیدروژن برانگیخته شده است.
از آنجا که حالت برانگیخته حالت پایداری نیست، لذا الکترون از قوسی به تراز اولیه بر می‌گردد. اختلاف انرژی این دو تراز توسط اتم به صورت تابش الکترومغناطیسی ، گسیل می‌گردد. بر اساس اینکه تعداد انرژی الکترون برانگیخته و یا اختلاف انرژی دو تراز پایه و برانگیخته چقدر باشد، طول موج تابش الکترومغناطیسی حاصل متفاوت خواهد بود. به این ترتیب طیفی حاصل می‌گردد که به طیف اتم هیدروژن معروف است.

فرق دیدگاه کوانتومی و دیدگاه کلاسیکی اتم هیدروژن

در دیدگاه فیزیک کلاسیک ، اتم هیدروژن دارای طیف پیوسته است، در صورتی که دیدگاه کوانتومی طیف گسسته‌ای را پیش بینی می‌کند. این گسسته بودن طیف از کوانتومی بودن انرژی الکترون در ترازهای اتمی حاصل می‌گردد. شایان ذکر است که ایزوتوپهای هیدروژن از مطالعه طیف اتم هیدروژن شناسایی شده‌اند. به عنوان مثال اختلاف بین طیف هیدروژن و طیف دو ترسیم (که در آن جرم هسته تقریبا دو برابر جرم پروتون است) سبب شد که یوری و همکارانش در سال 1932 دوتریم را کشف کنند.

اسپین

اسپین (عدد کوانتائی چرخشی S)(The Spin Quantum Number)

می‌دانیم که از حرکت الکترون پیرامون هسته، نوعی میدان مغناطیسی بوجود می‌آید که به پیدایش عددهای کوانتومی مغناطیسی مختلف منجر می‌گردد و اینها جهت‌گیریهای اوربیتالها را در فضا نشان می‌دهند. حال باید این نکته را نیز مورد توجه قرار دهیم که چرخش الکترون به دور محوری از خود نیز میدان مغناطیسی دیگری پدید می‌آورد. واقعیت آن است که منشاء دقیق این میدان مغناطیسی شناخته نشده است، زیرا هرگونه اطلاعی از ساختمان درونی الکترون نداریم ولی می‌توانیم آن را مطابق شکل زیر به یک کره باردار که دارای حجم معینی است و به دور محور خود می‌چرخد، تشبیه کنیم.

حاصل این چرخش، ایجاد یک میدان مغناطیسی در حول خود می‌باشد. پس به هر الکترون مطابق این شکل، یک میدان و گشتاور مغناطیسی وابسته است.

عدد کوانتومی مغناطیسیبه این نوع میدان و گشتاور مغناطیسی مربوط است و فقط می‌تواند دو حالت داشته باشد. زیرا که میدان مغناطیسی تولید شده می‌تواند با یک میدان مغناطیسی هم جهت باشد و آن را تقویت کند و یا با آن مختلف‌الجهت باشد و آن را تضعیف نماید. به عبارت دیگر چرخش الکترون به دور محور خود تنها در دو جهت امکان‌پذیر است. به همین دلیل دو عدد کوانتومی مغناطیسی اسپین برای هر الکترون قائل می‌شوند که معمولاً یکی راو دیگری را می‌گیرند.( . توجه شود که ما فقط یک نوع عدد کوانتومی اسپین با علامت داریم. ولی دو نوع عدد کوانتومی مغناطیسی اسپینداریم که یکیو دیگری است.)بدیهی است که مقدار این عدد کوانتومی برای الکترون وابسته به مقدار یا تغییرات سه عدد کوانتومی دیگر نیست. در صورتی که مشاهده شد که وبه یکدیگر وابسته هستند.

در کل لغتدر انگلیسی به معنای چرخیدن و عبارتست از گشتاور دورانی یک ذره روی خودش و مقدار آن برای ذرات بنیادی کاملاً مشخص و محدود می‌باشد و ارزش آن عدد کامل یا نیمه کاملی است. ذراتی که اسپین آنها نیمه کامل می‌باشد (و غیره) نام داده می‌شوند و ذراتی که اسپین آنها عدد کامل است (1و2و3 و غیره) نامیده می‌شوند.

بنابراین الکترون و پروتون و نوترون که جزو دسته فرمیونها هستند، اسپین برابر با دارند.

بدیهی است که دو الکترون که در یک اوربیتال زوج شده قرار می‌گیرند، اعداد کوانتومی مغناطیسی اسپین مخالف یکدیگر داشتهو به عبارت دیگر از لحاظ عددی یکسان و از لحاظ جهت مختلف هستند و بدین جهت یکدیگر را حذف می‌کنند (یعنی دیگر خواص مغناطیسی معمول را از خود نشان نمی‌دهند).

همچنین چون ارزش مقدار را تعیین و به نوبه خود ارزش مجاز را معین می‌نماید بنابراین، ممکن است ترکیبات بخصوصی از اعداد کوانتیک وجود داشته باشند. به عنوان مثال پائین‌ترین تراز انرژی اتم هیدروژن (حالت اصلی و پایدار) یعنی حالتی‌که در آن است را در نظر می‌گیریم. چون ارزش محدود به صفر واست بنابراین،نمی‌تواند بیشتر از یک مقدار داشته باشد و آن هم است. مقدار ارزش مجاز را تعیین می‌کند، نظر به اینکه به ازایمقدار معلوم می‌شود، لذا ارزش مجاز عبارتست ازو بالاخره هر چه مقدار و و باشد عبارتست از .

بدین‌سان اتم هیدروژن فقط به دو صورت می‌تواند در حالت اصلی و پایدار خود وجود داشته باشد که به ترتیب عبارت از ارزشهای و و و می‌باشد.

S	m	L	n	S	m	L	n
	0	0	1		0	0	1

ترکیبات دیگر متناسب با حالت تحریکی اتم هیدروژن است اگر الکترون تحریک شده (یعنی مقداری انرژی اضافی کسب کرده باشد) و به جای حالت اصلی و پایدار خود، در حالت تحریکی بسر برد اولاً شماره تراز آن تغییر خواهد کرد، مثلاً، الکترون با کسب یک کوانتا انرژی از تراز به تراز رفته است، ‌ثانیاً عدد کوانتائی سمتی (گشتاور زاویه‌ای) می‌تواند مقادیر بین صفر و را داشته باشد. لذا ارزشهای آن نیز به صورت زیر تغییر خواهد کرد:

اگرباشد تنها ارزش مجاز صفر است و نیز دارای ارزشهای می‌باشد و اگرباشد ارزشهای مجاز عبارتند از: 1 و 0 و 1- و باز برابر است. بنابراین، به هشت صورت مختلف الکترون اتم هیدروژن می‌تواند در حالتوجود داشته باشد. این هشت ترکیب اعداد کوانتیک، متناسب با یک انرژی می‌باشد، ترکیبات ممکن برای ترازهای دیگر (های مختلف) در جدول زیر گنجانده شده‌اند.

موقعی که الکترون اتم هیدروژن بیشتر تحریک شده است یعنی دو پیمانه انرژیکسب نماید به جای اینکه در تراز اصلی خودباشد در تراز قرار می‌گیرد؛ در این حالت ارزشمتناسب است با مقادیر 0 و 1 و 2 لهذا تعداد بیشتری ترکیب برای اعداد کوانتیک وجود دارد که عبارتند از 18.

با این ترتیب می‌بینیم که یک الکترون در اتم چهار نوع مشخصه یا آدرس دارد:

اول

شماره سطح اصلی انرژی که معرف فاصله الکترون از هسته و سطح انرژی آن است و آن را با یا نشان می‌دهند.

دوم

تراز فرعی ، ، و که معرف شکل اوربیتال و تراز فرعی انرژی است.

سوم

جهت‌گیری اوربیتال در فضا (مثلاً در امتداد محور ، یا ).

چهارم

کیفیت اسپین (حرکت وضعی) الکترون موردنظر در آن.

پروتون

اتم هیدروژن در واقع حالت مقید یک الکترون و یک پروتون است. هسته اتمی عناصر دیگر از پروتونها و نوترونهایی تشکیل می‌شود که با برهمکنشی قوی در قید یکدیگرند. پروتونهای آزاد را می‌توان هم در پرتوهای کیهانی یافت و هم با شتاب دهنده‌های ذرات تولید کرد. در آزمایشهای ویلهلم وین در سال 1898 و آزمایشهای متأخر جوزف تامسون در سال 1910، در میان ذرات یافت شده در جریانهای گازی یونیده ، ذره آلی با بار مثبت شناسایی شد که جرم آن تقریبا با جرم اتم هیدروژن بود.
در سال 1911 ارنست رادرفورد، در آزمایشهایی که در آنها که نیتروژن با ذرات آلفا بمباران می شد، دوباره با چنین ذرات باردار مثبتی روبرو شد و آنرا به عنوان هسته هیدروژن شناسایی کرد. تا سال 1920، او به این نتیجه رسیده بود که این ذره ، ذره بنیادی است و با توجه به این که واژه "protos" ، در زبان یونانی به معنی نخستین است، آنرا پروتون نامید تا موقعیت اولیه در خور اهمیت آن را در میان هسته‌های اتمی عناصر نشان دهد.

جرم پروتون

جرم پروتون برابر است با m_p = 938.272 MeV/C² = 1.6726X10^-27 Kg جرم پروتون 1836 برابر جرم الکترون است. برای مشاهده واپاشی پروتون به ذرات سبکتر ، جستجوی تجربی فراوانی انجام شده ، ولی تا به حال نتیجه‌ای حاصل نشده است. مستقل از مد واپاشی ، حد پایین طول عمر میانگین پروتون ، τ ، را می توان حدود 1025 سال دانست. عمر میانگین پروتون در بعضی از مدهای واپاشی خاص به حد بالاتری می‌رسد، برای مثال در واپاشی p → e⁺ + π₀ مقدار τ بزرگتر از 1032 سال است.

بار الکتریکی

بار الکتریکی پروتون مثبت است. این بار در مقایسه با بار الکترون مقداری مساوی و علامتی مخالف دارد. q_p = -q_e = -e شواهد تجربی نشان می‌دهد که ماده (از لحاظ بار الکتریبکی) خمثی است و در آن lim (|q_p + q_e|/e)<10²¹ است. حد گشت و در دو قطبی الکتریکی پروتون ، dp ، کمتر از ^7-10 emf است (1fm = 10^-15m) ، و میانگین مربعی شعاع بار پروتون که در آزمایشهای پراکندگی الکترون از پروتون بدست می‌آید، در حدود 0.72fm² است. پروتون دارای تکانه زوایه ای h/2 ، پاریته مثبت و گشتاور مغناطیسی 2.792847µN است (µN مگنتون هسته‌ای است).

µN = eh/2m_pc = 0.1050 efm = 3.152X10^-14MeV/T^-1

نوترون ذره‌ای است که ساختارش شباهتهای فراوانی به ساختار پروتون دارد. تشابه جرم پروتونم و نوترونها ، در کنار یکسان بودن تکانه زاویه‌ای (اسپین) هر ذره یکسانی تقریبی برهمکنشی قوی میان پروتونها و برهمکنش قوی میان نوترونها ، به معنی مفهوم ایزوسپین منجر می‌شود. پروتون و نوترون را مشترکا نوکلئون می‌نامند. نوکلئون به دسته ذراتی که باریون نامیده می‌شود تعلق دارد. باریون تکانه زاویه‌ای نیمه صحیح (با یکای h) دارد. نوکلئون سبکترین باریون است.

پاد پروتون (ضد پروتون)

پروتون پاد ذره‌ای به نام پاد پروتون دارد. پاد پروتون را اوئن چمبرلین ، امیلیو سگره ، کلاید ویگاند و توماس یسپسیلانتیس در سال 1955 میلادی ، با استفاده از بواترون در آزمایشگاه تابش برکلی ، کشف کردند. پس از مدت زمان کوتاهی ، پاد نوترون نیز با استفاده از همین بواترون کشف شد.

ترتیب در هسته اتم

هسته هر اتمی از پروتونها و نوترونها (یا نوکلئونها) تشکیل می‌شود. و این نوکلئونها از طریق برهمکنش قوی با یکدیگر پیوند دارند. ترکیب پروتونها و نوترونها در هر هسته معین بصورت A _Z نشان داده نی شود که در آن ، A = Z+N است ، N و Z به ترتیب تعداد نوترونها و تعداد پروتونها است. تعداد پروتونها در هسته ، تعیین کننده تعداد الکترونهای اتم و در نتیجه تعیین کننده ویژگیهای اتمی (یا شیمیایی) است. در نمایش A _Z ، علامت Z را اغلب با نماد شیمیایی اتم جایگزین می‌کنند.

ایزوتوپها

ایزوتوپها هسته‌هایی هستند که تعداد پروتونهای آنها باهم برابر ، ولی تعداد نوترونهایشان باهم متفاوت است. برای مثال ، ایزوتوپهای پایدار کلسیوم (Z = 20) عبارتند از: ⁴⁸Ca ، ⁴⁶Ca ، ⁴⁴Ca ، ⁴²Ca ، ⁴⁰Ca. برای پایدارترین ایزوتوپهای عناصر سبک داریم : Z < N ، که این امر به دلیل قویتربودن برهمکنش پروتون - نوترون در مقایسه با برهمکنش پروتون - پروتون و نوترون - نوترون و همچنین به دلیل این است که انرژی جنبشی برای N = Z کمینه می‌شود. برای عناصر سنگینتر ، تأثیر دافعه کولنی بین پروتونها بطور نسبی مهمتر می‌شود و در نتیجه در پایدارترین ایزوتوپ داریم: N > Z.
خواص نوکلئونها در برقراری قوانین پایستگی و تعیین دقت آنها حائز اهمیت است. پایداری پروتون ، به مفهوم باریون منجر می‌شود. به نوکلئون و الکترون ، به ترتیب عددهای بار B_n = 1 و B_n = 0 نسبت می‌دهند. قاعده پایستگی عدد بار یونی ، همراه با این واقعیت که پروتون سبکترین باریون است، مانع از واپاشی پروتون می‌شود. با این همه نظریه وحدت بزرگ (GUT) پیش بینی می‌کند که بوزونهای پیمانه‌ای ابر سنگینی وجود دارند که در برهمکنش آنها ناپایستگی باریونها مجاز است، در نتیجه پروتون می‌تواند واپاشیده شود. حد تجربی طول عمر پروتون ، این مدلها را به شدت مقید می‌کند. برعکس الکترونها ، نوکلئونها ذرات بنیادی هستند.

کاربرد

برای مطالعه ساختار درونی پروتون و تولید ذرات جدید ، پروتون را تا انرژی حدود 106 Mev (معادل 1TeV) شتاب می‌دهند تا با الکترونها ، پروتونها یا هسته‌ها برخورد کند. پروتونهای شتابدار ، یا مستقیما از طریق نوترونهایی که در واکنشهای بعدی تولید می‌شوند. برای نابود کردن بافتهای سرطانی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. پروتونها ، بخش اصلی پروتونهای کیهانی را تشکیل می‌دهند. پروتونهای با انرژی بسیار زیاد ، وقتی که وارد لایه بالایی جو می‌شوند، سرانجام در برخورد با هسته‌ها ، رگباری ذره‌ای پدید می‌آورند که چون به زمین می‌رسند بطور تجربی قابل آشکار سازی هستند.