الکترون

در نیمه دوم قرن نوزدهم ، دانشمندان آزمایشهای زیادی را در ارتباط با پرتوی به نام پرتو کاتدی انجام می دادند که با استفاده از لوله ی تخلیه شده ای حاوی مقداری گاز انجام می گرفت یکی از دانشمندان به نام تامسون ضمن بررسی این پرتو و تلاش برای کشف ماهیت آن ، متوجه شد که این پرتو که در میدان الکتریکی منحرف می شود، دارای با رالکتریکی منفی است تامسون در سال 1856 در انگلستان به دنیا آمد او آزمایشات زیادی در مورد ماهیت پرتوی کاتدی انجام داد و این آزمایشها وی را متقاعد کرد که این پرتو در واقع چیزی جز ذرات بسیار ریزی نیست که از درون اتم های گاز درون لوله ی کاتدی خارج می شود . وی این ذرات را که بار الکتریکی منفی داشتند « الکترون» نامید و معلوم شد که جرم آ« ها 1840/1 جرم سبکترین عنصر یعنی هیدروژن است . وی در همین آزمایشها به وجود ذرات مثبتی که جرم انها تقریباً برابر جرم اتم گاز به کار رفته در لوله ی کاتدی بود پی برد.

تامسون این ذرات مثبت را یون نامید و چنین نتیجه گرفت که اتم که از نظر بار الکتریکی خنثی (بدون بار) است از کره ای با بار الکتریکی مثبت هسته تشکیل شده است که ذرات دیگری با بار منفی (الکترن ها) مثل دانه ی کشمش درون یک کک قرار گرفته اند.

تامسون کشف ذره ی الکترون را در سال 1893 به انیستیتوی سلطنتی اعلام کرد و ثابت نمود که اتم می تواند به الکترون های منفی و یون مثبت تقسیم شود وی با این کشف به تصوری که نزدیک به 2000 سال در مورد اتم بعنوان کوچکترین ذره غیر قابل تقسیم در ذهن مردم جا گرفته بود پایان داد با کشف الکترون توسط تامسون پنجره ای به سوی دنیایی جدید – دنیای فیزیک اتمی گشوده شداو در سال 1906 موفق به دریافت جایزه ی نوبل در فیزیک شد.

پروتون

در اواخر قرن نوزدهم دانشمندی فرانسوی به نام بکول موفق به کشف پدیده ای به نام رادیواکتیو شد. براساس این کشف عناصر دارای خاصیت رادیواکتیویته ، از خود پرتوهایی نامریی گسیل می داشتند (منتشر می کردند) ماهیت این پرتوها و منشأ آنها در آن زمان برهیچ کس معلوم نبود . نکته مهم در این پدیده این بود که برخی از عناصر خاص قادر به انتشار پرتو هستند .کشف چنین پدیده ای سوالات متعددی را برانگیخت : این پرتو ها چه هستند و از کجا می آیند ؟ طبیعت عنصر رادیو اکتیو چیست؟ چرا فقط برخی از عناصر و نه همه ی عناصر ، چنین خاصیتی دارند ؟ برای یافتن پاسخ دانشمندان زیادی سالهای متمادی را به تحقیق و آزمایش در این مورد پرداختند . رادرفورد سرانجام به نتیجه ای رسید که برای همگان غیر قابل تصور بود. وی ضمن آزمایشات متعددی که با استفاده از پرتوی منتشر شده از ماده رادیواکتیو انجام داد، به این نتیجه رسید که تصویر پیشنهادی تامسون برای ساختمان اتم نمی تواند جوابگوی نتایج این آزمایشات باشد نتیجه ی آزمایشات وی را متقاعد کرد که بار مثبت اتم آن گونه که تامسون تصور کرده بود در تمامی اتم پراکنده نیست بلکه در ناحیه مرکزی اتم متمرکز شده است و الکترون ها در اطراف آ« ، در حال چرخش اند و فضای بین بار مثبت (درمرکز) و الکترون ها (در اطراف) نیز کاملاً تهی است وی قسمت مرکزی اتم را که تمامی بار مثبت را در بر می گیرد، هسته نامید او براین اعتقاد بود که بیشترین جرم اتم در هسته متمرکز شده است همچنین او ثابت کرد که تعداد الکترون ها در اتم به اندازه ی تعداد بار مثبتی است که در هسته وجود دارد پس اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است پس لازم است که بار مثبت هسته مضرب صحیحی از یک واحد باشد. که این «واحد» از نظر مقدار با بار الکتریکی منفی الکترون برابر و از نظر علامت مخالف آ« یعنی مثبت باشد . بنابراین واحد مثبت در هسته ، پروتون نامیده شد که از کلمه ی یونانی «Protos» به معنای اول گرفته شده است. منظور از «اول» اولین عنصر جدول مندلیف یعنی هیدروژن است. همچنین رادرفورد ثابت کرد که این پروتون ها در هسته قرار دارند و یکی دیگر از نتایج قابل توجه او این بود که در هر مدار تعداد معینی الکترون وجود دارد.

 

نوترون :

در خلال سالهای دهه ی 1920 تعدادی از محققان از جمله هارکین در آمریکا میسون در استرالیا و رادرفورد و دستیارش جمیز چادویک در انگلستان ، بطور جدی امکان وجود یک ذره ی بدون بار در طبیعت ( مثلاً در اتم ) را که می توانست از ترکیب یک پروتون مثبت و یک الکترون منفی بوجود آید ، بررسی می کردند این محققان می کوشیدند با نزدیک کردن یک بار مثبت ( پروتون ) و یک بار منفی ( الکترون) به یکدیگر ذره ای بدون بار بوجود آوردند . تلاش آنها در هر حال به نتیجه نرسید و قادر به ایجاد چنین ذره ای نشدند . تا اینکه در سال 1932 جیمز جادویک در حین انجام آزمایشهایی با یکی از پرتوهای هسته ای به نام پرتوی آلفا ، به وجود ذره ای بدون بار در هسته ی اتم پی برد که به آن نام « نوترون » (یعنی خنثی و بدون بار ) داده شد. ذره ی جدیدی که توسط جادویک کشف شد نه تنها در تاریخ علوم اتمی بلکه در سرنوشت ملتها نقش فوق العاده غیر منتظره ای ایفا نمود و کشف آن در واقع سرآغاز عصر انرژی هسته ای شد. با کشف نوترون بسیاری از ابهامات در مورد ساختمان هسته و جرم اتمی عناصر برطرف شد. و از اتم تصویری پیچیده تر و در عین حال کاملتر از آنچه که تا اواخر قرن 19 تصور می شد، بدست آمد. آزمایشهای مختلف نشان داد که جرم نوترون تنها در حدود جرم نوترون است و هسته ی هر اتم از پروتون ها و نوترونها تشکیل شده است .

بطور خلاصه هر اتم دارای قسمتی مرکزی به نام هسته است که از ذرات پروتون و نوترون تشکیل شده است و در مدارهای معینی، در اطراف آن تعدادی الکترون در حال چرخش اند. در حالت عادی تعداد پروتونها و الکترونها باهم برابرند بطوریکه اتم از نظر الکتریکی خنثی است فقط هسته ی هیدروژن معمولی دارای یک پروتون است و هسته ی بقیه ی عناصر بدون استثنا دارای نوترون می باشند. ذرات الکترون ، پروتون و نوترون را که تشکیل دهنده اتم هستند ، ذرات بنیادی می نامند.

همانطور که پیش از این گفته شده بود درون هر اتم می توان سه ذره ی ریز پیدا کرد . پروتون ، نوترون و الکترون .

پروتونها در کنارهم قرار می گیرند و هسته ی اتم را تشکیل می دهند . در حالیکه الکترونها بطور هسته می چرخند پروتون بار الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آنجا که بارهای مخالف ، یکدیگر را جذب می کنند ، پروتون و الکترون هم یکدیگر را جذب می کنند و همین نیرو ، سبب پایدار ماندن الکترون ها در حرکت بدور هسته می گردد در اغلب حالتها تعداد پروتونها و الکترونهای درون اتم یکسان است ، بنابراین اتم در حالت عادی و طبیعی خنثی است نوترون بار خنثی دارد و وظیفه اش در هسته کنار هم نگاهداشتن پروتونهای هم بار است. می دانیم که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می کنند.

در نتیجه وظیفه نوترونها این است که با فراهم آوردن شرایط بهتر ، پروتونها را کنارهم نگاه دارند . ( این کار توسط نیروی هسته ای قوی صورت می گیرد.)

تعداد پروتونهای هسته نوع اتم را مشخص می کند . برای مثال اگر 13 پروتون و 14 نوترون، یک هسته را تشکیل دهند و 13 الکترون هم بدور آن بچرخند ، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم اتم آلومینیوم را در کنار هم قرار دهید آنگاه نزدیک به 50 گرم آلومینیوم خواهید داشت. همه ی آلومینیوم هایی که در طبیعت یافت می شوند، AL27 یا آلومینیوم 27 نامیده می شوند.

عدد 27 نشان دهنده ی جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای هسته را نشان می دهد .

اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیونها سال بعد برگردید ، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلمینیوم 27 یک اتم پایدار نامیده می شود. بسیاری از اتمها در شکلهای مختلفی وجود دارد . مثلاً مس دو شکل دارد : مس 63 که 70% کل مس موجود در طبیعت است و مس 65 که 30% بقیه را تشکیل می دهد شکلهای مختلف اتم ، ایزوتوپ نامیده می شوند . هر دو اتم مس 63 و مس 65 دارای 29 پروتون هستند ، ولی مس 63 دارای 34 نوترون و مس 65 دارای 36 نوترون است . هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو باهم برابرند.