درسنامه آموزشی علوم تجربی کلاس هشتم

تا حدود 150 سال قبل دانشمندان اعتقاد داشتند، اتم کوچک‌ترین ذرهٔ تشکیل دهندهٔ ماده است. با پیشرفت علم و فناوری، دانش و پژوهش گسترش یافت و اطلاعات بیشتری به‌دست آمد. این اطلاعات نشان داد اتم‌ها نیز از ذره‌های کوچک‌تری ساخته شده‌اند. در این فصل به دنیای درون اتم‌ها می‌رویم و با ذرّه‌های تشکیل دهندهٔ اتم‌ها و نقش آنها در رفتار و خواص مواد آشنا می‌شویم.

ذرّه‌های سازنده اتم

در علوم هفتم آموختید که همهٔ مواد از اتم ساخته شده‌اند. اتم نیز از ذره‌های ریزتری به نام الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. این ذره‌ها مانند سایر مواد جرم دارند به‌طوری که جرم پروتون با نوترون تقریباً برابر است در حالی که جرم الکترون درمقایسه با دو ذرهٔ دیگر بسیار ناچیز است.
برخی از ذره‌های تشکیل دهندهٔ اتم علاوه برجرم، بار الکتریکی نیز دارند. درجدول زیر بار الکتریکی و جرم این ذره‌ها به‌طور نسبی با هم مقایسه شده‌اند.

در شکل زیر ساختاری برای سه عنصر داده شده است. با توجه به شکل، تعداد ذره‌های سازندهٔ اتم‌های این سه عنصر را مقایسه کنید. از این مقایسه چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

تعداد پروتون‌های اتم هر عنصر را عدد اتمی آن می‌گویند.تعداد پروتون‌های اتم هر عنصر معیّن و ثابت است. با تغییر تعداد پروتون‌ها، نوع اتم نیز تغییر می‌کند؛ برای مثال وقتی می‌گویند عدد اتمی کربن برابر 6 و عدد اتمی هیدروژن برابر 1 است، نتیجه می‌گیریم که هر اتم کربن 6 پروتون و هر اتم هیدروژن یک پروتون دارد.

عنصرها و نشانه شیمیایی آنها

همان‌طور که می‌دانید، هر عنصر از یک نوع اتم تشکیل شده است. از میان 118 عنصر شناخته شده، حدود 90 عنصر در طبیعت به شکل عنصر یا ترکیب وجود دارند. هر عنصر را با نشانهٔ شیمیایی مشخصی نشان می‌دهند؛ برای نمونه عنصر هیدروژن را با نشانهٔ H (بخوانید اچ) و عنصر نئون را با نشانهٔ Ne نشان می‌دهند. همچنین عدد اتمی عنصرها را در سمت چپ و پایین نشانهٔ شیمیایی می‌نویسند.
برای مثال :
${}_{{}_{10}}Ne$   و  ${}_{{}_{1}}H$

در جدول زیر نشانهٔ برخی از عنصرها به همراه عدد اتمی آنها آمده است.

مدلی برای ساختار اتم

آموختید که اتم از ذره‌های ریزتری ساخته شده است. همچنین می‌دانید که اتم قابل مشاهده نیست. حال به نظر شما ساختار اتم چگونه است؟ ذره‌های ریز درون اتم چگونه در کنار هم قرار گرفته‌اند؟ چگونه می‌توان رفتار اتم‌ها را بررسی و مشخص کرد؟ این پرسش‌ها و پرسش‌های دیگر، سال‌ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود.

برای پاسخ به این پرسش‌ها باید اطلاعاتی از ساختار درونی اتم داشته باشیم؛ برای این منظور دانشمندان آزمایش‌های مختلفی انجام دادند و با روش‌های غیرمستقیم اطلاعاتی از درون اتم به‌دست آوردند. آنها بر اساس اطلاعات به‌دست آمده، مدل‌های گوناگونی را برای ساختار اتم ارائه دادند. یکی از این مدل‌ها را دانشمندی به نام بور (Bohr) ارائه کرد.

مدل بور به مدل منظومهٔ شمسی معروف است؛ زیرا ساختار اتم در این مدل بسیار شبیه منظومهٔ شمسی است. همان‌طور که در منظومهٔ شمسی سیارات به دورخورشید می‌چرخند در مدل بور، الکترون‌ها در مسیرهای دایره‌ای به نام مدار به دور هسته درحرکت‌اند. شکل زیر ساختار اتم‌های هیدروژن، هلیم، لیتیم، بریلیم و بور را مطابق مدل بور نشان می‌دهد.

ایزوتوپ‌ها

نوک مداد از اتم‌های کربن ساخته شده است. تجربه نشان داده است که همهٔ اتم‌های کربن تشکیل دهندهٔ نوک مداد، دقیقاً یکسان نیستند. شکل زیر تعداد ذره‌های سازندهٔ هستهٔ اتم‌های کربن را نشان می‌دهد.

اتم‌های سازندهٔ اغلب عنصرها مانند عنصر کربن دقیقاً یکسان نیستند. تعداد پروتون‌های این اتم‌ها یکسان است؛ اما تعداد نوترون‌های آنها متفاوت است. به اتم‌های یک عنصر، که تعداد نوترون متفاوت دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گویند. بنابراین عنصر کربن سه ایزوتوپ دارد.

عدد جرمی عنصرها را در سمت چپ و بالای نشانهٔ شیمیایی آنها می‌نویسند؛ برای نمونه، ساختار اتمی، نشانهٔ شیمیایی، عدد اتمی و عدد جرمی ایزوتوپ‌های کربن در یک نمونه زغال سنگ در شکل زیر نشان داده شده است.

از بین ایزوتوپ‌های هیدروژن، ایزوتوپ ${}_{1}^{3}H$ ناپایدار است و خاصیت پرتوزایی دارد. ایزوتوپ‌های برخی از عنصرهای دیگر نیز پرتوزا هستند. موادی که ایزوتوپ پرتوزا دارند به ماده پرتوزا معروف‌اند. با اینکه این مواد خطرناک هستند، کاربردهای مفیدی هم در زندگی دارند.

در حال حاضر ایران یکی از کشورهای دارندهٔ علم و فناوری مورد نیاز برای تولید داروهایی است که با استفاده از ایزوتوپ‌ها ساخته می‌شوند و برای درمان سرطان به کار می‌روند. پیشرفت ما در زمینه تولید بعضی از این داروها به حدی است که علاوه بر تأمین نیاز داخلی، بخشی از آنها به کشورهای دیگر نیز صادر می‌شود.

یون چیست؟

نمک خوراکی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مواد در زندگی و صنعت است. نمک خوراکی، ترکیبی است که از دو عنصر سدیم (${}_{11}Na$) و کلر (${}_{17}Cl$) تشکیل شده است. در واقع فلز سدیم و گاز کلر در تغییر شیمیایی شرکت می‌کنند و به مادهٔ جامد و سفید رنگی به نام سدیم کلرید تبدیل می‌شوند. شکل زیر ساختار ذره‌های سازندهٔ این نمک را مطابق مدل بور نشان می‌دهد.