دانلود تحقیق پیدایش علم شیمی و بعضی اصطلاحات آن

ماده در آغاز قرن بیستم یکی از مهمترین اصطلاحات در شیمی اتم است که بعنوان جزء لاینفک ماده همیشه مورد بحث و تحقیق شیمیدانان بوده است.

حال در این مورد خاص دیدگاه های موجود درباره ماده را در آغاز قرن بیستم بررسی می کنیم.

دانشمندان این زمان، هر وقت که نمی توانستند نتایج آزمایشها را به کمک نظریه های موجود توضیح دهند، یا آزمایش های بیشتری انجام می دادند یا نظریه های جدیدی مطرح می کردند.

نظریه های جدید به دیدگاه های مختلفی از ساختار جهان منجر شوند.

در این گفتار با مباحث زیر آشنا خواهیم شد.

پروتونها، نورتونها، الکترونها و نوترینوها اجزای اتم و هسته سه نوع مختلف تابش با قواعد پایستگی انرژی، بار الکتریکی و تکانه ( اندازه حرکت ) نیز آشنا خواهیم شد.

اجزای اتم آزمایش های را در فورد: کشف هسته با آزمایش های ارنست را در فورد و همکارانش که در حدود 1911 در بریتانیا اجرا شدند این بحث را آغاز می کنیم.

این دانشمندان برای کشف اجزای درونی اتمها آنها را با نوعی تابش، به آنها، بمباران کردند.

آنها ذرات آلفا را به طور کامل نمی شناختند، ولی می توانستند آنها را مورد بهره برداری قرار دهند.

نکات اصلی آزمایش عبارت بودند از : پولونیم را، که ماده ای پرتوزاست، به عنوان چشمی ذرات آنها به کار می بردند.

چشمه پولونیم ذرات آن را در همه ی جهات گسیل می کرد، اما رادفورد فقط ذراتی را که با هدف برخورد می کردند مورد توجه قرار دارد.

برای آشکارسازی ذرات آلفایی که از هدف خارج می شدند از پرده ای جابه جا شونده که با ماده ای به نام سوسوزن رنگ خورده بود استفاده می شد.

ماده ی سوسوزن بر اثر برخورد دره ی آلفا از خود نور فلاش مانندی گسیل می کند.

بدین سان، رادفورد می توانست جا پاهای ذرات آلفا را پس از عبور از هدف مورد بررسی قرار دهد.

نتایج این آزمایش ها تکان دهنده بودند.

در آن هنگام، مدل مورد قبول اتم مدل نان کشمشی تامسون بود: توده ی کروی شکلی از بار مثبت که الکترونهای منفی در حجم آن پراکنده بودند.

( الکترون را تامسون درست پیش از آغاز قرن بیستم کشف کرده بود ).

اگر این مدل درست بود، نتایج آزمایشهای رادفورد می بایست چیزی شبیه به شکل زیر می شد؛ یعنی ذرات سنگین آلفا بایستی با اندکی انحراف از نان کشمشی مثبت بگذرند و کمی پراکنده شوند.

اما دانشمندان با کمال تعجب مشاهده کردند که بعضی از ذرات آلفا، مثل وقتی که از جسم بسیار سنگینی منعکس شوند، مستقیماً به طرف چشمه باز می گردند؛ و این نتیجه با مدل نان کشمشی اتم سازگاری نداشت.

اما نتایج این آزمایشها با مدل جدیدی سازگار بود.

مدل زیر: در این مدل، هر اتم متشکل است از: یک هسته ی سخت که کل بار الکتریکی مثبت اتم و تقریباً تمامی جرم آن را در بر می گیرد.

ذرات آلفا بر اثر برخورد با این هسته ی بسیار چگال به عقب بر می گردند.

الکترونهای سبک در فضای خالی اطراف هسته پراکنده اند.

بار الکتریکی منفی الکترونها با بار مثبت هسته برابری می کند.

ذرات آلفا از کنار الکترونها رد می شوند.

اما این آخرین آزمایش دانشمندان نبوده رادرفورد و جیمز چادویک، برای شناخت بهتر هسته، به استفاده از ذرات آلفا ادامه دادند.

در یک دسته آزمایش، آنها ذرات آلفا را به هسته های نیتروژن فرو تا بیدند و نتیجه را مورد بررسی قرار دادند.

همچنانکه انتظار داشتند در نتیجه ی آزمایش ذرات آلفا را مشاهده کردند ولی این ذره ها هسته های هیدروژن را نیز به همراه داشتند.

خوب، اگر هسته های هیدروژن از هسته های نیتروژن قابل گسیل باشند، در این صورت شاید هسته ی نیتروژن از هسته های هیدروژن تشکیل شده باشد.

در واقع شاید همه ی هسته ها از هسته های هیدورژن تشکیل شده اند.

پروتون، نامی است که به هسته هیدروژن داده شده است.

هر پروتون بار الکتریکی معادل یک واحد دارد که، با علامت مخالف، مساوی با بار الکتریکی الکترون است.

پورتونها دارای جرم هم هستند و ما برای سادگی کارمان، همه جرمها را برحسب جرم پورتون ( که معادل 1 واحد می گیریم ) بیان می کنیم.

جرم هر الکترون، برحسب این یکا، در حدود است.

این آزمایش ها نشان دادند که هسته ها نوعی ساختار درونی دارند.

هسته ها هم از اجزایی به نام پروتون ساخته شده اند.

هسته هایی که برا مثبت بیشتری دارند.

لزوماً از تعداد پروتونهای بیشتری برخوردارند.

نوترون در سال 1932 کشف شد.

نوترون را چادویک در آزمایش دیگری که با ذرات آلفا انجام می شد، ذرات آلفا ولی هدف بر یلیم فرو تابیده می شدند.

چادویک مشاهده کرد که ذراتی بدون، بار الکتریکی از بریلیم خارج می شوند ( که ما آنها را ذرات خنثی یا تابش خنثی می نامیم.

) ذرات خارج شده از بریلیم به هدف دیگری از پارافین برخورد می کردند.

ذرات خارج شده از هدف پارافین، پروتون بودند.

چادویک چنین نتیجه گیری کرد که این تابش خنثی در واقع همان نوترون است که مدتها در انتظارش بودند، زیرا این ذره باید جرمی نزدیک به پروتون داشته باشد تا بتواند از پارافین پروتون خارج کند.

تابش هسته ای هسته های ناپیدار به طور خود به خود با گسیسل ذرات واپا شیده می شوند.

این فرآیند را پرتوزایی یا رادیواکتیویته می نامند.

تابشهای سه گانه ی هسته ای را با نامهای زیر می شناسیم: آلفا ( ) بتا ( ) گانا ( ) پرتو آلفا یا ذرات آلفا چیزی جز هسته های هلیم ( از دو پروتون و دو نوترون تشکیل می شود ) نیست.

یکی از فرآیندهایی که در آن ذرات آلفا تولید می شود، واپاشی هسته ی رادیم است که به یک هستهی رادون و یک ذره ی آلفا تبدیل می شود.

تعداد کل پروتنها و تعداد کل نوترونها در این فرآیند ثابت می ماند.

آلفا + هسته رادون = هسته رادیوم پرتو گاما، تابش الکترومغناطیسی پر انرژی است.

هسته ای که به حالت برانگیخته می رسد، می تواند انرژی اضافی اش را به صورت تابش گاما گسیل کند.

تابش بتا، در فرآیند الکترون دیده می شود.

اما این الکترون یکی از الکترونهای خارج از هسته نیست؛ بلکه الکترونی است که در هسته به وجود می آید.

مانند فرآیند زیر: الکترون + نیتروژن = کربن در این فرآیند، برخلاف آنچه در مورد تولید تابش آلفا دیده ایم، تعداد کل پروتونها و تعداد کل نوترونها پایستگی جداگانه ندارند.

در حالی که به تعداد پروتونها یکی افزوده شده، از تعداد نوترونها یکی کاسته شده است.

بررسی فرآیند واپاشی بتازا، فیزیکدانان را به پیشنهاد ذره ی جدیدی به نام نوترینو رهنمون شد.

فرضیه ی وجود نوترینو هنگامی مطرح شد که واپاشی بتازای نوترون، بعضی از اصول مهم پایستگی فیزیک را مورد تهدید قرار داد.

پس از مصرفی این اصول، پایستگی، درباره نوترینو بیشتر سخن خواهیم گفت.

چند قانون پایستگی اصول پایستگی در فیزیک از آن رو دارای اهمیت اند که در توضیح علت وقوع بعضی از پدیده ها و علوم وقوع بعضی دیگر، به ما یاری می رسانند.

رعایت سه اصل پایستگی زیر در تمامی فرآیندهای فیزیکی الزامی است: پایستگی بار الکتریکی پایستگی تکانه ( اندازه حرکت ) پایستگی انرژی کل - پایستگی بار بار الکتریکی کل هر سیستمی از ذرات باید ثابت بماند.

یعنی اگر جمع کل تمامی بارهای ذرات موجود در یک حرف واکنش را در نظر بگیریم، مقدار آن باید با جمع کل بارهای ذرات موجود در طرف دیگر واکنش برابر شود.

برای نمونه، اصل پایستگی بار در هر دو واکنش نشان داده شده در زیر رعایت شده است.

باید به این نکته توجه داشت که این واکنشها تنها واکنشهای ممکن نیستند، بلکه فقط دو نمونه از واکنشهای ممکن هستند.

+ - 0 + - + - - 0 ذره منفی ذره خنثی ذره منفی ذره مثبت ذره خنثی ذره منفی ذره مثبت ذره منفی ذره مثبت در این هر دو نمونه، هر دو ذره ی اولیه ( در سمت چپ پیکان ) باردار هستند؛ یکی دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی است.

در حالت اول.

ذرات نهایی ( در سمت راست پیکان ) هر دو بدون بارند.

در حالت دوم، تعداد ذرات نهایی سه تاست: یکی مثبت، یکی منفی، یکی خنثی.

در هر دو حالت، بار کل ذرات نهایی برابر صفر است.

پایستگی انرژی انرژی کل ذرات پیش از واپاشی یا پیش از واکنش ( دو ذره در حالت اولیه ) باید با انرژی کل ذرات پس از واپاشی یا واکنش برابر باشد.

در اینجا سخن از پایستگی انرژی کل است، زیرا انرژیی که در این فرآیندها با آن سرو کار داریم به دو صورت زیر ممکن است مطرح شود: انرژی جنبشی یا انرژی حرکتی، که به سرعت ذره بستگی دارد.

انرژی جرمی، که از معادله ی معروف انیشتین ناشی می شود: E=me2 بنابراین معادله، انرژی ( E ) برابر است با حاصل ضرب جرم ذره در مجزور سرعت نور ( که مقداری ثابت است ).

هر چند جرم ذره بیشتر باشد، انرژی جرمی آن بیشتر می شود.

معیار ما برای رعایت پایستگی انرژی در واپاشیها، این است که جرم (یا انرژی جرمی ) ذره ی واپاشنده باید بزرگتر از یا مساوی با مجموع جرمهای محصولات نهایی باشد.

پایستگی تکانه تکانه کل ذرات موجود در هر فرآیند فیزیکی بادی ثابت بماند.

در سرعتهایی که نسبت به سرعت نور خیلی کم هستند، تکانه ذره بصورت حاصل ضرب و سرعت آن تعریف می شود.

در یک واکنش ذره ای چنانچه تکانه کل اولیه ( حاصل جمع تکانه های ذرات شرکت کننده در واکنش ) برابر صفر باشد، تکانهی کل نهایی نیز باید برابر صفر شود.

در واپاشیهای ذره ای، نظریه تجزیه ی یک ذره به دو یا چند ذره ی جدید، پایستگی تکانه به روش جالب توجهی خودنمایی می کند.

به ویژه، اگر یک ذره دقیقاً به دو ذره ی جدید واپاشیده شود، در این صورت برای برقراری پایستگی تکانه، این دو ذره در خلاف جهت یکدیگر ظاهر خواهند شد.

نوترینو واکنشی که یکی از این اصول پایستگی را نقض کند قابل تحقق نیست.

فرآیند واپاشی هسته ی بتازا در طول دهه ی 1920 دقیقاً مورد بررسی قرار گرفت.

یکی از نکاتی که دانشمندان در این پژوهشها دریافتند، این بود که در واپاشی بتازای نوترون، انرژی پایسته نمی ماند.

فیزیکدانان در این مرحله با گزینش دشواری روبرو بودند: آنها می توانستند یا از اصل پایستگی انرژی دست بکشند، یا اینکه فرضیه ی جدید ولفگانگ پائولی را بپذیرند.

پائولی قائل به وجود ذره ی جدیدی شد، که در آن زمان قابل آشکار سازی نبود و انرژی ناپدید شده را با خود می برد.

این ذره می بایست بدون بار الکتریکی باشد، جرم ناچیز ( یا صفر ) داشته باشد، واپسین آن با اسپین پروتونها و الکترونها برابر باشد.

او این ذره را نوترینو نامید، که به زبان ایتالیایی به معنی ذره ی خنثای کوچک است.

وجود این ذره را فیزیکدانان در دههی 1950 به طور کامل پذیرفتند.

مفهوم نوترینو، واپاشی بتازای نوترون را طوری جا انداخت که همه ی اصول پایستگی در آن رعایت می شد.

اما، برای آنکه همگان بتوانند وجود نوترینو را باور کنند به تأیید تجربی نیاز بود.

در سال 1956، یعنی حدود 25 سال پس از آنکه وجود نوترینو به طور نظری مطرح شده بود، این ذره را در اطراف یک راکتور هسته ای کشف کردند.

فیزیکدانان با تجهیزات آشکار سازیشان در کنار راکتوری در جورجیا ( ایالات متحد امریکا )، که نوترینوهای گسیل شده از آن در هر ثانیه بسیار بسیار زیاد بود، به انتظار نشستند تا اینکه سرانجام تعدادی از آنها را آشکارسازی کردند.

نوتررینو را با حرف یونانی V نمایش می دهیم، آن را بدون بار الکتریکی در نظر می گیریم و جرم آن را ناچیز یا صفر فرض می کنیم.

در آزمایشهای امروزی می توان حدود جرم نوترینو را مشخص کرد.

نیروها و بر هم کنشها نیرو عاملی است که موجب تغییر تکانه ( و در نتیجه تغییر سرعت ) جسم می شود.

به سخنی دیگر می توان گفت که سرعت جسم در صورتی تغییر می کند ( دارای شتاب می شود ) که بر آن نیرویی وارد شود.

در جهان زیر اتمی ذرات، انتقال نیرو از طریق تبادل ذرات میانجی، یا ذرات حاصل نیرو، انجام می شود.

هنگامی که دو ذره بر یکدیگر نیرو وارد می کنند، این عمل با تبادل یک حاصل نیرو انجام می شود.

به عنوان نمونه ای تجسمی، دو بازیکن را در نظر بگیرید که توپی را پیاپی بین خودشان مبادله می کنند، آنها با پرتاب توپ ( که همان حامل نیرو است )، بر یکدیگر نیرو وارد می کنند.

در اینجا درباره ی چهار نیرو، که در حال حاضر آنها را بنیادی می دانیم و حاملهایشان سخن خواهیم گفت.

اینها عبارتند از : نیروی گرانشی نیروی الکترومغناطیسی نیروی قوی نیروی ضعیف نیروهای بنیادی - نیروی گرانشی همه ی ذراتی که دارای جرم هستند بر یکدیگر نیروی گرانشی وارد می کنند.

هر جرمی هر جسم دیگر دارای جرم را با نیرویی که با افزایش فاصله ی میان جرمها کاهش می یابد، جذب می کند.

همین نیروی گرانشی است که نیروی بستگی منظومهی خورشیدی و کهکشانها را تأمین می کند، و از این نیروی بسیار مهمی است.

اما، این نیرو در زمینه ی فیزیک انرژی زیاد اهمیت چندانی ندارد زیر اجرم ذرات بسیار بسیار کم است و بزرگی نیرو نیز متناسب با جرم ذرات در گیر در مسئله است با وجود این نیروی گرانشی بر همه ی اجسامی که دارای جرم هستند و لو به مقدار بسیار اندک وارد می شود.

حامل نیروی گرانشی را گراویتون G می نامند اما این ذره تاکنون در هیچ آزمایشی دیده نشده است.

- نیروی الکترومغناطیسی همه اجسامی که دارای بار الکتریکی هستند بر یکدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد می کنند.

از میان ذراتی که تاکنون با آنها آشنا شده ایم الکترون و پروتون دارای بار و نوترون و نوترینو بدون بار هستند.

این نیرو برای اجسامی که بارهای مخالف هم دارند از نوع ربایشی و برای اجسامی که بارهای متشابه دارند از نوع رانشی است.

بنابراین دو الکترون یکدیگر را می رانند و الکترون و پورتون یکدیگر را می ربایند.

نگهداری اتمها در کنار یکدیگر به همین ترتیب حاصل می شود.

این نیرو نیز مانند نیروی گرانشی با افزایش فاصله ی میان ذرات باردار کاهش می یابد.

نوترون و نوترینو چون بار الکتریکی ندارند تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی قرار نمی گیرند.

حامل نیروی الکترومغناطیسی را فوتون ( Y ) می نامند که وجود آن قطعی است.

نورهایی که در اطرافمان می بینیم چیزی جز فوتونها نیستند.

- نیروی قوی نیروی قوی نیروی ربایشی است که نوکلئونها ( نام مشترک پروتونها و نوترونها ) بر یکدیگر وارد می کنند.

این نیرو برای هر مجموعه ای از پروتونها و نوترونها از نوع ربایش است: پروتون: پروتون را می رباید.

نوترون: نوترون را می رباید.

پروتون: پروتون را می رباید.

اگر این نیروی قوی وجود نمی داشت نیروی رانشی الکترومغناطیسی بین پروتونهای درون هسته هسته را از هم می پاشاند.

بعدها خواهیم دید که نیروی قوی در واقع میان کوراکها که اجزای سازنده ی پروتون و نوترون هستند اثر می کند؛ ولی در حال حاضر فقط اثر این نیرو را که مجموع بر نوکلئونا وارد می شود در نظر می گیریم.

حامل نیروی قوی را گلوئون ( g ) می نامند و شواهد تجربی وجود آن را تأیید می کند.

- نیروی ضعیف نیروی ضعیف که مناسب نامگذاری آن ضعیف بودن شدت آن در مقایسه با نیروی قوی است عامل واپاشی هسته ها در پرتوزایی بتاست.

یادآوری می کنیم که در فرآیند واپاشی بتازا نوترون به پروتون الکترون و نوترنیو تبدیل می شود.

نوترنیوها چون جرم و بار الکتریکی ندارند و نیروی قوی هم فقط برنوکلئونها وارد می شود تنها تحت تأثیر نیروی ضعیف قرار می گیرند.

پس در هر واکنشی که با حضور نوترینو انجام شود عامل واکنش را باید نیروی ضعیف دانست.

حاملهای نیروی ضعیف را W و W و Z می نامند.

حاملهای W و Z دارای جرم زیاد هستند.

جرم این حاملها برخلاف حاملهای سه نیروی دیگر که جرم صفر دارند در حدود 100 برابر جرم پروتون است.

نگاهی به باغ وحش ذرات آزمایشها و نظریاتی دیگر منجر به کشف ذرات جدیدی شده اند که عبارتند از : پاد الکترون یا پوزیترون به حکم نظریه پیش بینی شده وآنگاه در پی این پیش بینی آن را در آزمایش کشف کردند.

هر گاه خاصیتی با جهت یا علامت مخالف قابل تحقق باشد خواص پادذره ها مخالف خواص خواهد بود.

پاد ذره های الکترون پروتون و نوترون به ترتیب عبارتند از: پوزیترون پادپروتون پادنوترون یوکاوا حامل نیروی قوی میان نوکلئونها را ذره ای به جرم جرم پروتون پیش بینی کرد.

در پی این پیش بینی این ذره را که پیون نامیده می شود جستجو برای یافتن پیونها و بررسی واپاشی آنها منجر به کشف ذره های جدید دیگری شد: سئونها دو نوع نوترینو ( که سرانجام تعداد آنها به سه نوع رسید ) رده بندی ذره ها را برحسب خواص مشترکشان به صورت زیر آغاز کرده ایم: لپتونها: ذره هایی که نیروی قوی بر آنها کارگر است.

این ذره ها به صورت مزونها و باریونها یافت می شوند.

مزونها اسپین درست و باریونها اسپین نیمه درست دارند.

از دیباچه ی استاد گلاشو برنده جایزه نوبل