اتم چیست؟
اتم، آجر سازندهٔ جهان
اگر یک تکه آجر را بارها و بارها خرد کنید، در نهایت به ذرهای میرسید که دیگر قابل تقسیم به مواد دیگر نیست. این ذرهٔ پایه، اتم نام دارد. اتمها آنقدر کوچکاند که میلیونها عدد از آنها در عرض یک موی انسان جا میشوند! همه چیز از آب و هوا گرفته تا بدن شما و میزی که پشت آن نشستهاید، از اجتماع اتمهای گوناگون درست شدهاند.
برای درک بهتر، یک قطعه شکر را تصور کنید. اگر این قطعه شکر را نصف و دوباره نصف کنیم، در نهایت به کوچکترین ذره شکر میرسیم که خواص شکر را دارد. این ذره، یک مولکول6 شکر است. خود این مولکول نیز از اتمهای کوچکتری مانند اتم کربن، هیدروژن و اکسیژن ساخته شده است. پس اتمها پایه و اساس مواد هستند.
ساختمان اتم: هسته و الکترونها
اتمها خودشان از ذرات کوچکتری تشکیل شدهاند. تصور یک اتم مانند یک منظومه شمسی بسیار کوچک است:
در مرکز این منظومه، هسته7 قرار دارد که سنگینترین بخش اتم است. دور هسته، ذرات سبکی به نام الکترون با سرعت بسیار بالا در حال چرخش هستند. هسته خود از دو نوع ذره تشکیل شده است: پروتون (با بار الکتریکی مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی یا خنثی). الکترونها بار منفی دارند.
| ذره | بار الکتریکی | جایگاه در اتم | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| پروتون | مثبت (+) | درون هسته | تعیین کننده نوع عنصر (مثلاً اتم طلا) |
| نوترون | خنثی (0) | درون هسته | چسباننده پروتونها به هم و افزایش جرم |
| الکترون | منفی (-) | در فضای اطراف هسته | ایجاد جریان برق، پیوند بین اتمها |
یک اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی است. زیرا تعداد پروتونهای مثبت در هسته با تعداد الکترونهای منفی در اطراف آن برابر است. اگر یک اتم الکترون از دست بدهد یا بگیرد، به یک یون8 تبدیل میشود.
عناصر شیمیایی: وقتی تعداد پروتونها تغییر میکند
تفاوت اتمهای مواد مختلف در چیست؟ پاسخ در تعداد پروتونهای هسته نهفته است. به تعداد پروتونهای یک اتم، عدد اتمی9 میگویند.
- اتمی که فقط 1 پروتون دارد، اتم هیدروژن است (سادهترین عنصر).
- اتمی که 6 پروتون دارد، اتم کربن است (ماده اصلی زغال سنگ و بدن موجودات زنده).
- اتمی که 8 پروتون دارد، اتم اکسیژن است (گازی که نفس میکشیم).
- اتمی که 79 پروتون دارد، اتم طلا است.
هر یک از این اتمها با تعداد پروتون متفاوت، یک عنصر شیمیایی مجزا را تشکیل میدهند. تاکنون حدود 118 عنصر شناخته شدهاند که برخی در طبیعت یافت میشوند و برخی در آزمایشگاه ساخته شدهاند.
اتمها در زندگی ما: از نور لامپ تا طلای زینتی
اتمها و رفتار آنها مستقیمترین تاثیر را بر زندگی روزمره ما دارند. در این بخش با چند مثال ساده این موضوع را بررسی میکنیم:
۱. تولید نور در لامپ: وقتی کلید لامپ را میزنید، جریان برق (که جریانی از الکترونهای آزاد است) از رشته تنگستن داخل لامپ عبور میکند. این الکترونها با اتمهای تنگستن برخورد کرده و انرژی میگیرند. وقتی اتمها این انرژی اضافی را به صورت نور پس میدهند، لامپ روشن میشود.
۲. زنگ زدن آهن: آهن از اتمهای آهن تشکیل شده است. وقتی در مجاورت رطوبت و اکسیژن هوا قرار میگیرد، اتمهای آهن با اتمهای اکسیژن پیوند شیمیایی برقرار میکنند و یک ماده جدید به نام اکسید آهن یا زنگ آهن تشکیل میدهند. این یک تغییر شیمیایی در سطح اتمهاست.
۳. تنفس: وقتی نفس میکشید، مولکولهای اکسیژن ($O_2$) که از دو اتم اکسیژن تشکیل شدهاند را وارد ریههای خود میکنید. این اتمهای اکسیژن سپس توسط گلبولهای قرمز خون به سلولهای بدن منتقل میشوند تا در تولید انرژی مشارکت کنند.
۴. طلا و جواهرات: طلا عنصری با عدد اتمی 79 است. آرایش خاص الکترونها در اتم طلا باعث میشود این فلز براق، شکلپذیر و در برابر زنگ زدگی و خوردگی بسیار مقاوم باشد. همین خواص اتمی باعث میشود طلا برای ساخت جواهرات ایدهآل باشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. همانطور که خواندیم، خود اتم از ذرات کوچکتری مانند پروتون، نوترون و الکترون ساخته شده است. حتی این ذرات نیز از ذرات بنیادیتری تشکیل شدهاند. اما اتم کوچکترین ذرهای است که خواص یک عنصر شیمیایی را حفظ میکند. اگر اتم را بشکنید، دیگر آن عنصر خاص نیست.
پاسخ: پاسخ در دو چیز است: نوع اتمها و چیدمان آنها. مغز مداد از اتمهای کربن ساخته شده است، الماس هم از اتمهای کربن! تفاوت در آرایش و پیوند بین این اتمهای کربن است که باعث تفاوت خواص فیزیکی آنها میشود. الماس، طلا، اکسیژن و آهن هر کدام از اتمهای متفاوتی (با تعداد پروتون متفاوت) ساخته شدهاند.
پاسخ: این یک پرسش بسیار خوب است. میتوانیم بگوییم الکترونها انرژی حرکت دارند (مانند یک ماهواره که به دور زمین میچرخد و سقوط نمیکند). نیروی جاذبه الکتریکی بین بار مثبت هسته و بار منفی الکترون، الکترون را در مدار نگه میدارد، در حالی که انرژی حرکت آن مانع از سقوطش به داخل هسته میشود. در سطح کوانتومی، این توضیح پیچیدهتر است، اما این تشبیه برای درک اولیه کافی است.
پاورقی
1 اتم (Atom): از واژه یونانی "Atomos" به معنای "تقسیم ناپذیر" گرفته شده است.
2 پروتون (Proton): ذرهای با بار الکتریکی مثبت در هسته اتم.
3 نوترون (Neutron): ذرهای بدون بار الکتریکی در هسته اتم.
4 الکترون (Electron): ذرهای با بار الکتریکی منفی که به دور هسته میچرخد.
5 عنصر (Element): مادهای خالص که از اتمهای یکسان با عدد اتمی مشخص تشکیل شده است.
6 مولکول (Molecule): کوچکترین ذره یک ماده خالص (مانند آب یا شکر) که از دو یا چند اتم به هم پیوسته تشکیل شده است.
7 هسته (Nucleus): مرکز سنگین و با بار مثبت اتم.
8 یون (Ion): اتم یا مولکولی که با از دست دادن یا گرفتن الکترون، بار الکتریکی پیدا کرده است.
9 عدد اتمی (Atomic Number): تعداد پروتونهای موجود در هسته یک اتم.
