دانلود تحقیق فیزیک اتمی

فیزیک اتمی مقدمه فیزیک اتمی- مولکولی که مربوط به فیزیک جدید است از زمانی متولد شد که دانشمندان متوجه شدند کوچکترین جزء در طبیعت اتم نیست بلکه اتم از اجزای کوچکتری به نام الکترون‌ها و هسته تشکیل شده است.

یعنی اتم از هسته‌ای تشکیل شده است که الکترون‌هایی در اطراف آن می‌گردند فیزیک اتمی به بررسی نقل و انتقال‌های الکترون‌های اطراف هسته می‌پردازد و خواص آنها را مورد بررسی قرار می‌دهد.

یعنی ما در فیزیک اتمی کاری به این نداریم که هسته از چه تشکیل شده است بلکه هسته برایمان مرکزی با بار مثبت است و بیشتر توجه ما جلب الکترون‌های اطراف هسته می‌شود سابقه ی تاریخی مطالعه روی عنصرها به حدود ۲۵۰۰ سال پیش برمی گردد.

دالتون در سال 1807 با استفاده از واژه یونانی اتم که به معنای تجزیه ناپذیر است ، ذره های سازنده عنصرها را توضیح داد.

اگر چه امروز می دانیم که اتمها خود از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند، اما هنوز باور داریم که اتم کوچکترین ذره ای است که خواص شیمیایی و فیزیکی یک عنصر به آن بستگی دارد.

جان دالتون نظریه اتمی ماده را به شرح زیر مطرح کرد : تمام عنصرها از اتم تشکیل شده‌اند .

اتمها ذراتی تقسیم‌ناپذیر و تخریب ناپذیرند همه‌ی اتم‌های یک عنصر از لحاظ جرم و خواص شیمیایی یکسان‌اند, اما اتم‌های عنصرهای مختلف , جرم و خواص شیمیایی متفاوت دارند .

یک ترکیب شیمیایی از به هم پیوستن اتم‌های مختلف با نسبت‌هایی که اعداد صحیح و کوچک‌اند , تشکیل می‌شود یک واکنش شیمیایی تنها شامل ترکیب , تفکیک یا نوآرایی اتم‌هاست به بیان دیگر , اتم‌ها در جریان یک واکنش شیمیایی نه به وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند .

در حال حاضر می‌دانیم که جزء بسیار ناچیزی از ماده در یک واکنش شیمیایی قابل تبدیل به انرژی بوده و از این‌رو به جاست که از قانون "بقای جرم و انرژی " صحبت کنیم .

همچنین تئوری دالتون نارسایی‌هایی دارد و برای مثال او به وجود مولکول چند اتمی از قبیل H2 و O2 برای یک عنصر پی نبرد و کوچک‌ترین ذره‌ی همه‌ی عناصر را اتم‌های منفرد پنداشت .

همچنین آزمایش‌ها نشان داده‌اند که همه‌ی اتمهای یک عنصر دقیقاً جرم یکسان ندارند .

اما با تغییر واژه‌ی "جرم" به "جرم اتمی میانگین" می‌توان تئوری دالتون را به کار برد .

جان دالتون بر اساس تئوری اتمی خود قانون دومی را بیان کرد که مبتنی بر داده‌های آزمایشی نبود .

این قانون به عناصری مربوط می‌شود که با هم بیش از یک ماده‌ی مرکب ایجاد می‌کنند .

بنابر قانون دوم دالتون "نسبت جرم‌هایی از یک عنصر را که به جرم معینی از عنصر دیگر ترکیب می‌شوند .

می‌توان با اعداد صحیح کوچکی بیان کرد .

" این گزاره را قانون "نسبت‌های چندگانه" می‌نامند .

الکترون نخستین ذره زیر اتمی اجرای آزمایشهای بسیاری با الکتریسته ، مقدمه ای برای شناخت ساختار درونی اتم بوده است.

کشف الکتریسته ساکن، وقوع واکنش شیمیایی به هنگام عبور جریان برق از میان محلول یک ترکیب شیمیایی فلزدار (الکتریسته یا برقکانت) ، و آزمایشهای بسیار روی لوله ی پرتو کاتدی منجر به شناخت الکترون شد.

لوله پرتو کاتدی لوله ای شیشه ای است که بیشتر هوای آن خارج شده است.در دو انتهای این لوله دو الکترود فلزی نصب شده است .

هنگامی که یک ولتاژ قوی بین این دو الکترود اعمال شود ، پرتوهایی از الکترود منفی (کاتد) به سمت الکترود مثبت (آند) جریان می یابد که به آن پرتوهای کاتدی می گوین.

این پرتوها بر اثر برخورد با یک ماده ی فلوئور سنت نور سبز رنگی ایجاد می کنند.

تامسون موفق شد نسبت بار به جرم الکترون را به کمک این آزمایشها اندازه گیری کند.پس از آن رابرت میلیکان توانست مقدار بار الکتریکی الکترون را اندازه بگیرد.

به این ترتیب جرم الکترون نیز با کمک نسبت بدست آمده تامسون محاسبه شد.

بار الکترون کلون و جرم الکترون کیلوگرم است.

پرتو زایی در حالی که تامسون روی پرتوهای کاتدی آزمایش می کرد، هم زمان بکرل فیزیک دانی که روی خاصیت فسفر سانس مواد شیمیایی کار می کرد با پدیده ی جالبی روبرو شد.

این پدیده پرتوزایی و مواد دارای این خاصیت، پرتوزا نامیده شد.

بعد از آن رادرفورد به این موضوع علاقه مند شد و پس از سالها تلاش فهمید، این تابش خود ترکیبی از سه نوع تابش مختلف آلفا ، بتا، و گاما می باشد.

مدل اتمی تامسون تامسون پس از کشف الکترون ساختاری برای اتم پیشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفی در فضای ابر گونه با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها می دانست ، حال آنکه فضای ابرگونه مثبت را بدو ن جرم می دانست.

یکی از موارد بسیار مهمی که یک مدل اتمی باید توضیح دهد، مسئله جذب و تابش انرژی توسط الکترونها است.

در مدل اتمی تامسون الکترونها در مکانهای تعادلشان ثابت می مانند.

در اتمهای برانگیخته، مانند اتمهای اجسام در دمای زیاد، الکترونها حول مکانهای تعادلشان ارتعاش می کنند.

چون نظریه الکترومغناطیس کلاسیک پیشگویی می کند که یک ذره باردار، هنگامی که دارای شتا است، مانند الکترون مرتعش، تابش تابش الکترومغناطیسی گسیل می دارد، درک کیفی تابش گسیل یافته توسط اتمهای برانگیخته بر پایه ی الگوی تامسون امکان پذیر بود.

اما از نظر کمی نمی توان طیفهایی را که از راه تجربه مشاهده می شد توجیه کند.

رادرفورد که از شاگردان تامسون بود، نتوانست تشکیل تابشهای حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمی تامسون توجیه کند.

و پس از آزمایشهای بسیار ، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد.

او درسال 1911 در آزمایش خود ورقه نازکی از طلا را با ذرههای آلفا بمباران کرد، به امید آنکه همه ی ذره های پرانرژی و سنگین آلفا که دارای بار مثبت نیز هستند با کمترین انحراف از این ورقه نازک طلا عبور کنند.

اما مشاهده کرد که تعداد کمی از ذرات منصرف شده خارج می شوند و تعداد بسیار کمی از آن به طور کامل منحرف شده و به عقب برمی گردند.

پس نتیجه گرفت که حتماً یک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهای مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم نیز در درون این هسته است که توانایی به عقب راندن ذره های سنگین و پرانرژی آلفا را دارد.رادرفورد با استفاده از نتایج این آزمایش مدل اتم هسته دار را پیشنهاد کرد.در این مدل هسته دارای بار الکتریکی مثبت است.

مدل اتمی بور در سال 1913 نیلز بور مدل اتمی خود را ارائه کردکه با برخی از داده های طیف نمایی مثلاً طیف اتم هیدروژن از نظر کمی تطبیق می کرد.

مدل اتمی بور مشتمل بر اصول موضوع زیر بود: 1- الکترون درون اتم، تحت تاثیر نیروی الکتریکی بین الکترون و هسته، در یک مدار دایره ای شکل به دور هسته حرکت می کند و این حرکت تابع قوانین مکانیک کلاسیک است.

2- به جای بینهایت مداری که در مکانیک کلاسیک امکان پذیر است، برای الکترون تنها این امکان وجود دارد که در مداری حرکت کند که برای آن اندازه ی حرکت زاویه ای L مضرب درستی از h ثابت پلانک تقسیم بر دو پی باشد.

3- علی رغم این واقعیت که الکترون دایماً شتابدار است، اما در چنین مدار مجازی انرژی الکترومغناطیسی تابش نمی کند.

به این ترتیب، انرژی کل آن، E ثابت باقی می ماند.

4- تابش الکترومغناطیسی در صورتی گسیل می شود که الکترونی که در آغاز در مداری با انرژی Ei در حرکت است، حرکتش را به طور ناپیوسته چنان تغییر می دهد که در مداری با انرژی Ef حرکت کند، بسامد تابش گسیل یافته از رابطه ی زیر تبعیت می کند Ei-Ej=hf اصول موضوع مدل اتمی بور نکات مهمی را مطرح می کند که زمینه ی مکانیک کوانتوم جدید را فراهم ساخت.

نوترون اکتشافات مواد رادیواکتیویته و ایزوتوپها پرسشهای جدیدی را درباره ساختمان اتمها مطرح کرد و پرسش هایی مطرح شد که هسته اتمی را در بر می‌گرفت.

در سال 1919 رادرفورد دریافت که وقتی گاز نیتروژن با ذرات آلفای حاصل از بیسموت ?

214 بمباران می‌شود، ذرات سریعی تولید می‌گردد که می‌تواند بیشتر از خود بیسموت ذرات درگاز سیر کند.

رادرفورد نتیجه گرفت که یک ذره آلفا می‌تواند موجب فروپاشی مصنوعی هسته نیتروژن شود که یکی از محصولات فروپاشی آن پروتون باشد.

لیکن این فرایند به آسانی صورت نمی‌گیرد.

نتایج تجربی نشان داد که تقریباً از هر یک میلیون ذره آلفا که از میان گاز عبور می‌کند فقط یک پروتون تولید می‌شود.

رادرفورد و چادویک بین سالهای 1921 و 1924 کار بر روی نیتروژن را به عناصر دیگر کشاندند و شواهدی برای فروپاشی تمام عناصر سبک از بور تا پتاسیم، به استثنای کربون و اکسیژن، یافتند.

(بعداً نشان داده شد که این عناصر نیز دچار فرو پاشی می‌شوند.) رادرفورد و چادویک بین سالهای 1921 و 1924 کار بر روی نیتروژن را به عناصر دیگر کشاندند و شواهدی برای فروپاشی تمام عناصر سبک از بور تا پتاسیم، به استثنای کربون و اکسیژن، یافتند.

(بعداً نشان داده شد که این عناصر نیز دچار فرو پاشی می‌شوند.) در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد و در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده که یک ذره خنثی ایجاد کرده است.

رادرفورد حتی برای این ذره فرضی نام نوترون را پیشنهاد کرد.

در سال 1932چادویک در رساله خود تحت عنوان وجود نوترون می‌گوید: اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر تابش کوانتومی {پرتو گاما } نیست، بلکه مرکب از ذره‌هایی است با جرم بسیار نزدیک به جرم پروتون، تمام اشکالات مربوط به برخورد از میان می‌رود، هم در مورد فرکانس آنها و هم در مورد انتقال انرژی به جرمهای متفاوت.

برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار مؤثری ندارند.

باید فرض کنیم که هر یک از آنها ترکیب نزدیک به همی از یک پرتون و یک الکترون است، و همان ?نوترونی?

است که رادرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داد.

پس، بر طبق فرضیه چادویک، وقتی عنصری همچون بریلیم با ذره آلفا بمباران شود واکنش هسته‌ای صورت می‌گیرد که نوترون تولید می‌کند.

نوترونی که بنا بر فرض چادویک بار صفر و جرمی برابر 1 دارد.

کشف نوترون با جرم نزدیک به یک واحد بدون بار الکتریکی، نظر رادرفورد را مبنی بر اینکه هسته اتمی از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأیید کرد.

این فرضیه بعد از مدتی کوتاه در سال 1932 به وسیله‌ هایزنبرگ به عنوان مبنای یک تئوری هسته‌ای مفصلتر قرار گرفت و هنوز هم مبنای تلاشهایی است که برای بیان خواص و ساختار هسته به عمل می‌آید.

با کشف نوترون در سال 1932 این تصور حاصل شد که اجزای اصلی ساختمان ماده سه ذره بنیادی است: پروتون، نوترون و الکترون.

وقتی شتابدهنده‌های انرژی ؟

بالا ساخته شد، ذرات بنیادی بیشتری، یکی پس از دیگری، کشف شد.

این ذرات بنابر خواصشان در چند خانواده گروهبندی شده‌اند.

غالب این ذرات فقط به طور کوتاه مدت وجود دارند؛ طول عمر آنها نواعاً از مرتبه یا کمتر است.

یک رشته جدید کامل، یعنی فیزیک انرژی بالا به وجود آمده است و امروزه هدف فیزیک انرژی بالا تشخیص و تمیز مرتبه و ساختار پسین عده زیادی از ذرات ?بنیادی?

است که کشف شده‌اند.

ایزوتوپها دیگر ذره های سازنده اتم پروتون ذره ای با بار نسبی +۱ و جرمی ۱۸۳۷ با رسنگین تر از جرم الکترون ، دومین ذره ی سازنده اتم است.

نوترون ذره ای است که بار الکتریکی ندارد و جرم آن برابر جرم پروتون است ، سومین ذره ی سازنده اتم است.

عدد اتمی ، عددی است که تعداد پرتون ها را در اتم مشخص می کند و با Z نشان داده می شود.

از آنجا که اتم ذره ای خنثی است، بنابر این تعداد الکترونها و پروتونهای آن باید برابر باشد، پس عدد اتمی تعداد الکترونها در یک اتم را نیز مشخص می کند.

عدد جرمی و ایزوتوپها به مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای یک اتم عدد جرمی می گویند.

عدد جرمی با A نشان داده می شود.

A = Z+ N اندازه گیری جرم اتمها با کمک دستگاه طیف سنج نشان می دهد که همه اتمهای یک عنصر جرم یکسانی ندارند.

از آنجا که عدد اتمی در واقع تعداد پروتونها در همه اتمهای یک عنصر یکسان است، پس تفاوت جرم باید مربوط به تعداد نوترونهای موجود در هسته ی اتم باشد.

این مطالعات به معرفی مفهوم ایزوتوپ انجامید.

ایزوتوپها اتمهای یک عنصر هستند که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند.

برای مثال آزمایشها وجود دو ایزوتوپ کلر ۳۵ (CL۳۵۱۷) و کلر ؟

۳۷ (CL۳۷۱۷) را به اثبات رسانده است.

مدل کوانتومی اتم این مدل در سال ۱۹۲۶ توسط اروین شرودینگر مطرح شد.

وی در این مدل از حضور الکترون در فضایی سه بعدی به نام اوربیتال سخن به میان آورد.

همانگونه که برای مشخص کردن موقعیت یک جسم در فضا به سه عدد (طول ، عرض و ارتفاع) نیاز است، برای مشخص کردن هر یک از اوربیتالهای یک اتم نیز به چنین داده هایی نیاز داریم.

شرودینگر به این منظور از سه عدد M1 و L و n استفاده کرد که عددهای کوانتومی خوانده می شوند.

عدد کوانتومی اصلی (n) : عددی است که بور برای مشخص کردن ترازهای انرژی یا همان لایه های الکترونی بکار برد.

۱= n پایدارترین لایه انرزی را نشان می دهد.

هر چه n بالاتر رود سطح انرژی لایه های الکترونی افزایش می یابد و فاصله ی آن لایه از هسته دورتر می شود.

لایه های الکترونی خود از گروههای کوچک تر به نام زیر لایه تشکیل شده اند.عدد n تعداد زیر لایه های هر لایه را هم مشخص می کند.

مثلاً در لایه الکترونی ۲= n دو زیر لایه وجود دارد.

عدد کوانتومی‌اوربیتالی (L) نشان دهنده ی شکل ، انرژی و تعداد اوربیتال ها است.

L می تواند مقادیر ۰ تا 1 - n را در بر بگیرد.

عدد کوانتومی مغناطیسی (۱m) : جهت گیری اوربیتالها را در فضا معین می کند.

۱m می تواند مقادیری از L ?

تا L + دارا باشد.

با در نظر گرفتن محورهای X ، y ، z قرار می گیرد و به صورت pX ؛ pY ؛ pZ نشان داده می شود.

برای آدرس دادن اوربیتال ها به شیوه ی زیر عمل می شود: برای مثال2px نشان می دهد که این اوربیتال دمبلی شکل در لایه های الکترونی دوم و در زیر لایه ی p قرار دارد و در راستای محور Xها جهت گیری کرده است.

عدد کوانتومی مغناطیسی اسپین (MS) : مربوط به جهت حرکت الکترون به دور خودش است.

دانشمندان افزون بر حرکت اوربیتالی ، یک حرکت اسپینی نیز به الکترون نسبت داده اند (حرکت الکترون به دور خود MS تنها دو مقدار (?+ برای چرخش در جهت عقربه های ساعت و ?- برای چرخش در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت) دارد.

طبق اصل پائولی در هر اوربیتال حداکثر دو الکترون آن هم با اسپین مخالف قرار می گیرند.

اگر برای رسم آرایش الکترونی اتم عنصرهای دیگر از اتم هیدروژن شروع کنیم و سپس یک به یک بر تعداد پروتونهای درون هسته بیفزائیم، بدین گونه اتم عنصرهای سنگین تر از هیدروژن را به ترتیب افزایش عدد اتمی ساخته ایم.

به این شیوه، اصل آفبا می گویند.

با توجه به اینکه تعداد ذرات زیر اتمی دایماً در حال افزایش است، فیزیکدانان به طبقه بندی ذرات زیر اتمی روی آوردند.

و پس از تحقیقات مفصل تعدادی از آنها را به عنوان ذرات بنیادی پذیرفتند و مدل استاندارد را بر مبنای ذرات بنیادی ارائه کردند.

به دلیل تولانی بودن آنها در فصل بعد به طور کامل مطرح خواهد شد.

اما به دلیل نقش مهم کوارکها در جدول مدل استاندارد زرات بنیادی، کوارکاها به طور مختصر در این فصل ارائه می شود کوارکها مدت زیادی این طور تصور می شد که پروتونها و نو ترونها ذرات بنیادی هستند وبنابراین گمان می رفت مثل تقسیم الکترون دیگرقابل تقسیم نبوده و دارای یک ساختار داخلی نیستند امروزه می دانیم که نو کلئونها یا به عبارت دیگر پروتونها و نو ترونها خود از ذرات کوچکتری ساخته شده اند که کوارک نامیده می شوند تا به حال 6 نوع کوارک متفاوت شناسایی شده اند با این همه فقط دو نوع آنها در تشکیل مواد پایدار معمولی نقش مهمی دارند که عبارت از کوارکu و کوارکD هستند U علامت اختصاری برای بالا (UP) و D علامت اختصاری برای پایین (down) می باشد .اگر روابط ونسبتها در اتمها که در مقایسه با کوارکها بزرگ هستند مهم و چشمگیر است این روابط در کوارکها ی کوچک مسلماً مهمتر هستند مثلا کوارکها هیچ گاه به تنهایی نقشی را به عهده ندارند بلکه همیشه در گروههای 2و 3تایی هستند ذراتی که از 2کوارک تشکیل می شوند مزون نام دارند ذراتی را که از 3کوارک دارند بار یون می نامند کوارکها درکنار بار الکتریی ای که دارند خاصیت مرموز دیگری نیز دارا می باشند که رنگ خوانده می شود کوراکها از ین جهت به قرمز سبز و آبی طبقه بندی می شود البته از این طبقه بندی باید رنگهای حقیقی را تصور کرد بلکه منظور نوع با ر الکتریکی آنهاست .

بنابراین ذرات آزاد معلق درطبیعت باید همیشه دارای رنگ خنثی و به عبارت دیگر سفید باشند به شرخ زیر این نتیجه حاصل ی شودیک کوارک قرمز یک کوارک سبر ویک کوارک آبی یک گروه سه تایی مثلا یک پروتون می سازد مان طور که ترکیب رنگهای رنگین کمان رنگ سفید را به وجود می آورد ازترکیب رنگهای سه گانه کوارک نیز سفید به دست می آید به این ترتیب یک ذره سفید مجاز و پایدار تشکیل می شود.

امکان دیگر این است که یک کوارک قرمز با یک ضد کوارک که رنگ ضد قرمز دارد یک زوج بسازند قرمز و ضد قرمز همدیگر را خنثی کرده رنگی خنثی را به وجود می آورند به هرحال چون این گروههای دوتایی (مزونها ) از ماده و پادماده ایجاد شده اندخیلی سر یع فور می پاشند به این جهت مزونها پایدار نیستند کوارکها نوکلئونها را میسازند وآنها به یکدیگر متصل شده هسته اتمها را به وجود می آروند .

هسته هاو الکترونها دراتحاد با یکدیگر اتمها را ایجاد می کنند و اتمها نیز با پیوستن به یکدیگر مولکولها ی کوچک و بزرگ از قبیل مولکولهای آب یا سفیده تخم مرغ را می سازد میلیاردها مولکول سلولهای بدن ما را به وجودمی آورند و هرانسان در بدن خود میلیاردها سلول دارد اما با تمام تقاوتهایی که انسانها ،جانوران ،گیاهان سیاره ها و یا ستارگان با یکدیگر دارند باز هم تمام آنها فقط از 3ذره زیر بنایی ساخته شده اند که عبارتند از کوراکها U کوارکهای D و الکترونها آیا کوارک ها را می توان مشاهده کرد؟

روشن است که کوارک ها را نمی توان مشاهده کرد بلکه می وشد وجود أنها را مثل هسته اتمها از طریق آزمایشهای فراوان پیچیده اثبات نمود برای این کار مثل آنچه که رادرفورد 75 سال پیش برای شناسایی هسته اتم انچام داد عمل می شود و پرو تونها یا الکترونها ی بسیار پر شتاب مورد اصابت قرار می گیردند بیشتر الکترونها در این آزمایش به ندرت تغییر مسیر می دهند ولی تعدادی از 'آنها کاملا از مدار خود خارج می شوند درست مثل اینکه به گلوله های سخت وکوچکی در داخل پرو تونها برخورد کنند این گلوله های بسیار کوچک همان کوا رک ها هستند که در جستجویشان بوده ایم یک بررسی دقیق نشان داده که پرو تون در مجموع از سه سنگ بنای اولیه این چنین تشکیل شده است