ساختار اتم

ساختار اتم

اسلاید 1: ساختار اتم دبیر مربوطه : استاد ربیعی

اسلاید 2: مقدمه ما قصد داریم در این مجموعه ساختار اتم را به شما عزیزان معرفی کنیم و امیدواریم مطالب موجود برای شما عزیزان جالب باشد و بتوانیم گوشه ای از علم شیمی را باز گو نماییم با تشکر از تمامی شما

اسلاید 3: مطالعه بر روی عنصر ها به حدود 2500 سال پیش بر می گردد زمانی که تالس فیلسوف یونانی آب را عنصر اصلی سازنده جهان هستی می دانست دویست سال پس از او ارسطو عنصر هوا ، خاک ، آتش را به عنصر پیشنهادی تالس افزود و این چهار عنصر را عنصر های سازنده کاینات اعلام کرد این دیدگاه تا2000 سال بعد نیز مورد پذیرش بود تا این که در سال1661 میلادی رابرت بویل دانشمند انگلیسی با انتشار کتابی با عنوان شیمی دان شکاک مفهوم تازه ای از عنصر را معرفی کرد وی در این کتاب ضمن معرفی عنصر به عنوان ماده ای که نمی توان آن را به ماده ساده تری تبدیل کرد ، شیمی را علمی تجربی نامید و از دانشمندان خواست که افزون بر مشاهده کردن ، اندیشیدن و نتیجه گیری کردن که هرسه ابزار یونانیان در مطالعه ی طبیعت بود ، به پژوهش نیز اقدام کنند توصیه او مورد توجه قرار گرفت و در سال 1803 جان دالتون شیمی دان انگلیسی با نظریه ی خود گام مهمی برای مطالعه ی ماده و ساختار آن برداشت دالتون با استفاده از واژه ی یونانی اتم که به معنای تجزیه ناپذیر است ، ذره های سازنده ی عنصر را توضیح داد . این دیدگاه که همه ی مواد را از ذره ها ی کوچک و تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده است ، نخستین بار 2500 سال پیش توسط دموکریت فیلسوف یونانی مطرح شده بود ، اما دالتون با اجرای آزمایش های بسیار از نو به ان دست یافت

اسلاید 4: دالتون نظریه ی خود را در هفت بند به شرح زیر بیان کرد : 1* ماده از ذره های تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده است 2* همه ی اتم های یک عنصر مشابه یکدیگرند 3* اتم ها نه به وجود می آیند و نه از بین می روند 4* اتم عنصر های مختلف جرم و خواص شیمیایی متفاوتی دارند 5* اتم عنصر ها ی مختلف به هم می پیوندند و مولکول ها را به وجود می آورند 6* در هر مولکول از یک ترکیب معین ، همواره نوع و تعداد نسبی اتم های سازنده ی آن یکسان است 7* واکنش های شیمیایی شامل جابه جایی اتم ها یا تغییر در شیوه ی اتصال آن ها در مولکول هاست . در این واکنش ها خود اتم تغییر نمی کند اگر چه امروز نادرستی برخی از نظریه های دالتون ثابت شده است ، اما نظریه های او کمک زیادی به علم شیمی کرد

اسلاید 5: الکترون نخستین ذره ی اتمی شناخته شده شاید به توان گفت اجرای آزمایش های بسیاری با الکتریسیته ، مقدمه ای برای شناخت ساختار اتم بود . در آغاز قرن 19 میلادی، پس از کشف الکتریسیته ساکن یا مالشی ، به این نکته پی برده شد که بار های مثبت یا منفی ایجاد شده به هنگام مالیدن یک جسم به روی یک جسم دیگر از جایی نمی آید و پیدایش آن ها به خود ماده و شاید به اتم های سازنده ی آن مربوط می شود مایکل فارادی دانشمند معروف انگلیسی مشاهده کرد که به هنگام عبور برق از از درون یک محلول ترکیب شیمیایی فلز دار – درون محلول روشی که به ان یک واکنش شیمیایی در آن به وقوع می پیوندد فیزیک دان ها برای توجیه این مشاهده ها ذره ای برای اتم به نام الکترون پیشنهاد کردند اما در آن زمان به رابطه ی بین هسته و الکترون پی برده نشد

اسلاید 6: جوزف تامسون به کمک آزمایش ها ی خود ضمن اثبات وجود الکترون در اتم معرفی اتم به عنوان یک ذره ی ریز اتمی ، موفق شد ساختاری برای اتم پیشنهاد کند . وی ویژگی های اتم خود را این گونه بر شمرد : 1 الکترون ها که ذره هایی با بار منفی هستند درون فضای کروی ابر گونه ای با بار الکتریکی مثبت پراکنده شده اند 2 اتم در مجموع خنثی است ، بنا بر این مقدار بار مثبت فضای کروی ابر گونه با مجموع بار منفی الکترون ها برابر است 3 این ابر کروی مثبت ، جرمی ندارد و جرم اتم به تعداد الکترون ها ی آن بستگی دارد 4 جرم زیاد اتم از وجود تعداد زیادی اتم در آن ناشی می شود

اسلاید 7: هانری بکرل به طور تصادفی به خاصیت مهمی پی برده بود که ماری کوری دانشمند معروف لهستانی آن را پرتو زایی و مواد دارای این خاصیت را پرتو زا نام نهاد . ارنست رادرفورد همکار نیوزلندی تامسون نیز به این موضوع علاقه مند شد و پس از سال ها تلاش فهمید ، تابشی که بکرل نخستین بار به وجود آن پی برده بود ، خود ترکیبی از 3تابش مختلف است انواع پرتو های رادیو اکتیو {مواد پرتو زا } : 1 پرتوی آلفا : پرتویی است که از ورقه ی کاغذی می گذرد ولی از و ورقه ی آلومینیم و کاغذ سربی عبور نمی کند بنابراین قدرت نفوذ بسیاری ندارد و جنس آن هم از بار های مثبت است 2پرتوی بتا: جنس آن از الکترون با بار منفی است 3 پرتوی گاما: جنس آن از نور می باشد و باری ندارد

اسلاید 8: رادر فورد نتوانست تشکیل تابش زا حاصل از مواد پرتو زا را به کمک مدل اتمی تامسون توجیه کند . از این رو در درستی این مدل تردید کرد. وی در سال 1910 برای شناسایی دقیق تر ساختار اتم آزمایش جالبی را طراحی و اجرا کرد . او در این آزمایش ، ورقه ی نازکی از طلا را با ذره های آلفا بمباران کرد ، به امید آن که همه ی ذرات پر انرژی و سنگین آلفا که دارای بار مثبت نیز هستند با کمترین میزان انحراف از این ورقه ی نازک عبور کنند . بنا براین نتیجه گرفت که در داخل اتم هسته وجود دارد و الکترون ها در اطراف هسته حرکت می کنند و پرتو های آلفا وقتی به هسته ی اتم برخورد می کنند با زاویه ی 180 باز می گردند ( زیرا پرتو های آلفا و هسته هر دو مثبت هستند و هسته دارای جرم زیادی می باشد رادر فور نام این مدل اتمی را مدل اتم هسته دار نامید .

اسلاید 9: رادر فورد پی برد که در داخل هسته اتم ذراتی با بار مثبت وجرمی زیاد وجود دارند . (جرم هر ذره ی پروتون 1837 برابر از جرم الکترون بیش تر است ) رادر فورد گفت که در داخل هسته ی اتم باید ذره ی دیگری وجود داشته با شد که بار الکتریکی ندارد برابر است . سر انجام شخصی به نام چادویک با طراحی آزمایشی وجود این ذره ی خنثی را در هسته اتم به اثبات رسانید و نام آن را نوترون گذاشت او توانست با یک سری از اندازه گیری ها تعداد پروتون ها را در هسته ی اتم به دست آورد او تعداد پروتون ها را عدد اتمی نامید تعداد نوتون ها + عدد جرمی = تعداد پروتون ها شیمی دان ها برای هر اتم این اطلاعات را به طور خلاصه می نویسند : نماد شیمیایی عنصر به عنوان مثال در عنصر سدیم عدد اتمی سدیم 11 و عدد جرمی آن 23 می باشد و تعداد الکترون های آن 11 و تعداد پروتون های آن نیز 11 می باشد و طبق رابطه ی می توانیم تعداد نوترون های آن را نیز به دست آوریم 23=11+N ^^^^^N=23-11=12 xAZNa1123A=Z+N

اسلاید 10: ایزوتوپ چیست ؟ ایزوتوپ : بعضی از عنصر ها از اتم هایی با جرم های متفاوتی ساخته شده اند ( بر خلاف نظریه دالتون ) تعداد پروتون ها در اتم عنصر های یکسان همیشه برابر است بنا براین ایزوتوپ ها حتما از تعداد نوترون های متفاوتی ساخته شده اند و جرم اتمی آن ها نیز متفاوت است. مثال : 12 اتم عدد های جرمی متفاوتی دارند پس ایزوتوپ اند . ایزوتوپ ها ویژگی های شیمیایی یکسانی دارند و فقط خواص فیزیکی آن ها متفاوت است cc661214

اسلاید 11:

اسلاید 12: جرم اتمی نسبی : هر نوع اتم دارای جرم اتمی متفاوتی است اما جرم یک اتم بسیار کوچک تر از آن است که بتوان آن را اندازه گیری کرد به این ترتیب ما جرم اتم ها را از مقایسه با یک دیگر به دست .می آوریمجرم اتمی نسبی ، نشان دهنده جرم میانگین آن ها استبه عنوان مثال اگر 100 اتم کلر داشته باشیم 75 اتم از آن ها و 25 اتم نیز می باشد بنابراین جرم میانگین کلر برابر است با 35/5= 37*75/0×35 + 0/25جرم فرمول نسبی یا جرم مولکولی :برابر است با جرم های اتمی نسبی اتم های مختلف به عنوان مثال جرم فرمول نسبی را به دست می آوریم جرم فرمول نسبی = 1+5/35=36/5 ClCl3535HCL

اسلاید 13: طریقه تشکیل طیف هیدروژن : هنگامی که در یک لوله گاز هیدروژن وجود داشته باشد (با فشار کم ) ولتاژ بالایی اعمال می شود و نوری صورتی رنگ از گاز تولید می شود سپس این نور را از منشور عبور داده و نور تجزیه می شود و خطوطی از آن ها بر روی فیلم عکاسی ظاهر می شود که به آن ها طیف های هیدروژن گفته می شود که این نشان دهنده این است که اطراف هسته هیدروژن مدار هایی وجود دارد که الکترون ها بر روی این مدار ها جا به جا می شوند مدل اتمی بور : با توجه به این که اتم هیدروژن و سایر اتم ها دارای خطوط طیفی مختلف باشد بنا بر این دانشمندی به نام بور گفت : که اطراف هسته اتم مدار های مختلفی وجود دارد که الکترون ها بر روی آن ها گردش می کنند طریقه تشکیل طیف هیدروژننیلز بور

اسلاید 14: مدل ابر الکترونی : دانشمندی به نام شرودینگر عنوان کرد که دقیقا نمی توان موقعیت الکترون ها را بر روی مدار ها تعیین کرد و فضا هایی در اطراف هسته وجود دارد که الکترون ها در آن فضا های ابر مانند حرکت می کنند مانند لایه های پوسته ی پیاز پس بهتر است از این به بعد به جای مدار الکترونی لایه الکترونی گفته شود

اسلاید 15: بنابراین چندین مدل برای اتم وجود دارد : 1* مدل اتمی دالتون 2* مدل اتمی تامسون 3* مدل اتمی رادر فورد 4* مدل اتمی بور 5* مدل اتمی ابر الکترونیبنابراین چندین مدل برای اتم وجود دارد : 1* مدل اتمی دالتون 2* مدل اتمی تامسون 3* مدل اتمی رادر فورد 4* مدل اتمی بور 5* مدل اتمی ابر الکترونی

اسلاید 16: نیروگاه اتمینیروگاه اتمی در واقع یک بمب اتمی است که به کمک میله‌های مهارکننده و خروج دمای درونی بوسیله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل در آمده است. اگر روزی این میله‌ها و یا پمپهای انتقال دهنده مواد ‏خنک کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، سوانح متعددی بوجود می‌آید و حتی ممکن است نیروگاه نیز ‏منفجر شود، مانند فاجعه نیروگاه چرنوبیل شوروی سابق ساختار نیروگاه اتمی نیروگاه اتمی از مواد مختلفی شکل گرفته است که همه آنها نقش اساسی و مهم در تعادل و ادامه حیات آن را دارند. مهم ترین ‏این مواد عبارتند از: ماده سوخت ماده سوخت متشکل از اورانیوم طبیعی ، اورانیوم غنی شده ، اورانیوم و پلوتونیم است. که سوختن اورانیوم بر ‏اساس واکنش شکافت هسته‌ای صورت می‌گیردانرژی هسته ای چیست؟  استخراج اورانیوم از معدناورانيوم كه ماده خام اصلي مورد نياز براي توليد انرژي در برنامه هاي هسته اي است، از طريق استخراج از معادن زيرزميني يا سر باز بدست مي آيد. اگر چه اين عنصر بطور طبيعي در سرتاسر جهان يافت مي شود تنها حجم كوچكی از آن بصورت متراكم در معادن موجود است.

اسلاید 17: اورانیوم چیست؟ یکی از چگالترین فلزات رادیو اکتیو است که در طبیعت یافت می شود. این فلز در بسیاری از قسمتهای دنیا در صخره ها، خاک و حتی اعماق دریا و اقیانوس ها وجود دارد. اگر بخواهید از میزان موجودیت آن ایده ای بدست آورید باید بگوییم که میزان وجود و پراکندگی آن از طلا، نقره یا جیوه بسیار بیشتر است. اورانیوم در طبیعت بصورت اکسید و یا نمک های مخلوط در مواد معدنی (مانند اورانیت یا کارونیت) یافت می شود. این نوع مواد اغلب از فوران آتشفشانها بوجود می آیند و نسبت وجود آنها در زمین چیزی معادل دو در میلیون نسبت به سایر سنگها و مواد کانی است. این فلز به رنگ سفید نقره ای است و کمی نرم تر از استیل بوده و تقریباً قابل انعطاف است. اورانیوم در سال 1789 توسط مارتین کلاپورت (Martin Klaproth) شیمی دان آلمانی از نوعی اورانیت بنام Pitchblende کشف شد. وجه تسمیه این فلز به کشف سیاره اورانوس بازمی گردد که هشت سال قبل از آن، ستاره شناسان آن را کشف کرده بودند. اورانیوم یکی از اصلی ترین منابع گرمایشی در مرکز زمین است و بیش از 40 سال است که بشر برای تولید انرژی از آن استفاده می کند. دانشمندان معتقد هستند که اورانیوم بیش از 6.6 بیلیون سال پیش در اثر انفجار یک ستاره بزرگ بوجود آمده و در منظومه شمسی پراکنده شده است. برای درک بهتر از توانایی اورانیوم در تولید انرژی لازم است نگاهی به ساختمان اتمی این فلز داشته باشیم.

اسلاید 18: غني سازي هدف از غني سازي توليد اورانيومي است كه داراي درصد بالايي از ايزوتوپ ۲۳۵ U باشد. اورانيوم مورد استفاده در راكتورهاي اتمي بايد به حدي غني شود كه حاوي ۲ تا ۳ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد، در حالي كه اورانيومي كه در ساخت بمب اتمي بكار ميرود حداقل بايد حاوي ۹۰ درصد اورانيوم ۲۳۵ باشد. يكي از روشهاي معمول غني سازي استفاده از دستگاههاي سانتريفوژ گاز است. سانتريفوژ از اتاقكي سيلندري شكل تشكيل شده كه با سرعت بسيار زياد حول محور خود مي چرخد. هنگامي كه گاز هگزا فلوئوريد اورانيوم به داخل اين سيلندر دميده شود نيروي گريز از مركز ناشي از چرخش آن باعث ميشود كه مولكولهاي سبكتري كه حاوي اورانيوم ۲۳۵ است در مركز سيلندر متمركز شوند و مولكولهاي سنگينتري كه حاوي اورانيوم ۲۳۸ هستند در پايين سيلندر انباشته شوند. اورانيوم ۲۳۵ غني شده اي كه از اين طريق بدست مي آيد سپس به داخل سانتريفوژ ديگري دميده ميشود تا درجه خلوص آن باز هم بالاتر رود. اين عمل بارها و بارها توسط سانتريفوژهاي متعددي كه بطور سري به يكديگر متصل ميشوند تكرار ميشود تا جايي كه اورانيوم ۲۳۵ با درصد خلوص مورد نياز بدست آيد. آنچه كه پس از جدا سازي اورانيوم ۲۳۵ باقي ميماند به نام اورانيوم خالي يا فقير شده شناخته ميشود كه اساساً از اورانيوم ۲۳۸ تشكيل يافته است. اورانيوم خالي فلز بسيار سنگيني است كه اندكي خاصيت راديو اكتيويته دارد و از آن براي ساخت گلوله هاي توپ ضد زره پوش و اجزاي برخي جنگ افزار هاي ديگر از جمله منعكس كننده نوتروني در بمب اتمي استفاده مي شود. يك شيوه ديگر غني سازي روشي موسوم به ديفيوژن يا روش انتشاري است. دراين روش گاز هگزافلوئوريد اورانيوم به داخل ستونهايي كه جدار آنها از اجسام متخلخل تشكيل شده دميده ميشود. سوراخهاي موجود در جسم متخلخل بايد قدري از قطر مولكول هگزافلوئوريد اورانيوم بزرگتر باشد. در نتيجه اين كار مولكولهاي سبكتر حاوي اورانيوم ۲۳۵ با سرعت بيشتري در اين ستونها منتشر شده و تفكيك ميشوند. اين روش غني سازي نيز بايد مانند روش سانتريفوژ بارها و باره تكرار شود. سانتریفیوژ هایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده می شود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شده اند که به آنها Hyper-Centrifuge گفته می شود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام Gaseous Diffusion به معنی پخش و توزیع گازی استفاده می کردند.

اسلاید 19: راكتور هسته اي راكتور هسته اي وسيله ايست كه در آن فرايند شكافت هسته اي بصورت كنترل شده انجام مي گيرد. انرژي حرارتي بدست آمده از اين طريق را مي توان براي بخار كردن آب و به گردش درآوردن توربين هاي بخار ژنراتورهاي الكتريكي مورد استفاده قرار داد. اورانيوم غني شده ، معمولا به صورت قرصهائي كه سطح مقطعشان به اندازه يك سكه معمولي و ضخامتشان در حدود دو و نيم سانتيمتر است در راكتورها به مصرف ميرسند. اين قرصها روي هم قرار داده شده و ميله هايي را تشكيل ميدهند كه به ميله سوخت موسوم است. ميله هاي سوخت سپس در بسته هاي چندتائي دسته بندي شده و تحت فشار و در محيطي عايقبندي شده نگهداري مي شوند. در بسياري از نيروگاهها براي جلوگيري از گرم شدن بسته هاي سوخت در داخل راكتور، اين بسته ها را داخل آب سرد فرو مي برند. در نيروگاههاي ديگر براي خنك نگه داشتن هسته راكتور ، يعني جائي كه فرايند شكافت هسته اي در آن رخ ميدهد ، از فلز مايع (سديم) يا گاز دي اكسيد كربن استفاده مي شود. براي توليد انرژي گرمائي از طريق فرايند شكافت هسته اي ، اورانيومي كه در هسته راكتور قرار داده ميشود بايد از جرم بحراني بيشتر (فوق بحراني) باشد. يعني اورانيوم مورد استفاده بايد به حدي غني شده باشد كه امكان آغاز يك واكنش زنجيره اي مداوم وجود داشته باشد. براي تنظيم و كنترل فرايند شكافت هسته اي در يك راكتور از ميله هاي كنترلي كه معمولا از جنس كادميوم است استفاده ميشود. اين ميله ها با جذب نوترونهاي آزاد در داخل راكتور از تسريع واكنشهاي زنجيره اي جلوگيري ميكند. زيرا با كاهش تعداد نوترونها ، تعداد واكنشهاي زنجيره اي نيز كاهش مي یابد. حدوداً ۴۰۰ نيروگاه هسته اي در سرتاسر جهان فعال هستند كه تقريبا ۱۷ درصد كل برق مصرفي در جهان را تامين مي كنند. از جمله كاربردهاي ديگر راكتورهاي هسته اي، توليد نيروي محركه لازم براي جابجايي ناوها و زيردريايي هاي اتمي است.

اسلاید 20: تصویری از یک راکتور هسته ای

اسلاید 21: کاربردهای انرژی هسته ای انرژی هسته ای در پزشکی :  کاربرد انرژی هسته ای در پزشکی به دو بخش تقسیم می شود : تشخیص و درمان. پزشکی هسته ای یکی از شاخه های علم پزشکی است که در آن از مواد رادیواکتیو برای تشخیص و درمان بیماری ها استفاده می شود در زمینه تشخیص بیماری ها از رادیوداروهای (داروهایی متشکل از مواد رادیواکتیو ) مختلف درتصویر برداری جهت  تشخیص و بررسی  تومورهای سرطانی ، بررسی بیماری های کبد و کیسه صفرا ، بررسی عفونت و التهاب مفصلی استفاده می شود. هم چنین این مواد در تشخیص گرفتگی عروق خونی ، تشخیص نارسائی های قلب، کلیه و سایر ارگان های بدن کاربرد دارند. در آنالیز خون، پروتئین ها و سرم ها از پرتوهای رادیواکتیو استفاده می شود. هم چنین برخی از رادیوداروها تولید شده اند که برای تشخیص بیماری هایی مثل تیروئید به کار می روند. MRI نیز یکی از روش های تشخیصی در پزشکی هسته ای است . در حوزه درمان بیماری ها، رادیو داروهای مختلفی ساخته شده اند که برای از بین بردن کیست ها وتومورهای سرطانی استفاده می شوند. هم چنین در برخی از بیماری های مغزی می توان بدون نیاز به باز کردن جمجمه از اشعه برای جراحی استفاده کرد . در بیست سال اخیر جراحی پرتوی، اولین راه درمان پس از استفاده از شیمی درمانی ، پرتو درمانی و جراحی بوده است .دانشمندان پزشکی هسته ای در حال بررسی روش های  تشخیصی جدیدی هستند تا بتوانند میزان عناصر اصلی و مهم موجود در بدن جنین را اندازه گیری کرده و با تغییر آنها پیش از تولد، از بروز ناهنجاری ها در نوزادان جلوگیری  کنند

اسلاید 22: کاربرد منفی انژی اتمی