بیگ بنگ: نظریه‌ی اتمی توضیحی علمی از ماهیت اتم‌ها و ماده است که عناصری از فیزیک، شیمی و ریاضی را ترکیب می‌کند. بر اساس نظریه‌ی مدرن، ماده از اجزای کوچکی به نام‌ اتم‌ها تشکیل شده و خود اتم نیز از اجزای زیر اتمی تشکیل شده است.

به گزارش بیگ بنگ، اتم‌های یک عنصر از بسیاری جهات به هم مشابه و متفاوت از اتم‌های عناصر دیگر می‌باشند. اتم‌ها با نسبت‌های معلومی با اتم‌های دیگر ترکیب می‌شوند تا مولکول‌ها و ترکیبات را به وجود آورند. این نظریه در طول زمان از فلسفه‌ی اتمیسم تا مکانیک کوانتومی عصر جدید تکامل یافته است. در اینجا تاریخچه‌ای مختصر از تئوری اتمی را آورده‌ایم.

اتم و اتمیسم

این نظریه به عنوان یک مفهوم فلسفی در هند و یونان قدیم مطرح شد. کلمه‌ی اتم از واژه‌ی یونانی اتمس (atomos) به معنی غیر قابل مشاهده گرفته شده است. بر اساس اتمیسم ماده شامل اجزای جدا از هم است. این نظریه یکی از توضیحات بسیار برای ماده بود و بر اساس داده‌های تجربی نبود. دموکریتوس در قرن پنجم پیش از میلاد پیشنهاد داد که ماده متشکل از واحدهای غیرقابل مشاهده و غیرقابل تجزیه به نام اتم است. لوکرتیوس شاعر رومی این ایده را ثبت کرده است و به همین سبب در دوره‌ی تاریک قرون وسطا حفظ شده است.

نظریه‌ی اتمی دالتون

تا اواخر قرن 18 طول کشید تا علم شواهد محکمی از وجود اتم‌ها ارائه دهد. آنتونی لاوازیه قانون پایستگی جرم را در سال 1789 مطرح کرد که بنابراین قانون جرم تولیدات یک واکنش با جرم واکنشگرها برابر است. ژوزف لوئیس پروست در سال 1799 قانون نسبت‌‌های معین را ارائه کرد که اظهار می‌دارد جرم عناصر یک ترکیب همیشه در یک نسبت می‌باشند. با وجود اینکه این نظریه‌ها به اتم‌ها اشاره‌ای ندارند اما جان دالتون براساس آنها قانون نسبت‌های چندگانه ارائه داد که می‌گوید نسبت جرم‌های عناصر در یک ترکیب اعدادی صحیح و کوچک می‌باشند. قانون نسبت‌های چندگانه‌ی دالتون از داده‌های تجربی گرفته شده بود. او پیشنهاد داد که هر عنصر شیمیایی شامل یک نوع اتم‌ می‌باشد که توسط هیچ واکنش شیمیایی از بین نمی‌روند. ارائه‌ی شفاهی او در سال 1803 و انتشارش در سال 1805 نشانگر آغاز نظریه‌‌ی اتمی علمی است.

در سال 1811 آمادئو آووگادرو یک مشکل تئوری دالتون را حل کرد. او ظهار داشت حجم یکسانی از گازها در دما و فشار یکسان تعداد اجزای یکسانی دارند. قانون آووگادرو امکان تخمین صحیح جرم اتمی عناصر را فراهم کرد و تفاوت میان اتم‌ها و مولکول‌ها را به وضوح بیان کرد. مشارکت مهم دیگر در نظریه‌ی اتمی در سال 1827 توسط گیاه‌شناسی به نام رابرت براون انجام شد. او مشاهده کرد که به نظر می‌رسد ذرات گرد و خاک شناور در آب بدون دلیل شناخته‌شده‌ای به طور تصادفی حرکت می‌کنند. در سال 1905 آلبرت اینشتین اظهار داشت حرکت براونی به دلیل حرکت مولکول‌های آب است. مدل و درستی آن در سال 1908 توسط جین پرین ارائه شد که از نظریه‌ی اتمی و نظریه‌ی ذرات حمایت می‌کند.

مدل کیک کشمشی تامسون و مدل رادرفورد

تا زمان مطرح شدن این مدل، اتم‌ها کوچک‌ترین واحد ماده در نظر گرفته می‌شدند. در سال 1897 تامسون الکترون‌ها را کشف کرد. او معتقد بود که اتم‌ها را می‌توان تقسیم کرد. از آنجایی که الکترون‌ها دارای بار منفی بودند او مدل کیک کشمشی را از اتم‌ها ارائه داد که بر اساس این مدل اکترون‌های با بار منفی در جرمی با بار مثبت پخش شده‌اند تا اتم با بار خنثی ایجاد شود.

ارنست رادرفورد که یکی از دانشجویان تامسون بود مدل کیک کشمشی را در سال 1909 رد کرد. رادرفورد متوجه شد که بار مثبت و جرم یک اتم به طور عمده در مرکز یا هسته‌ی یک اتم قرار گرفته است. او یک مدل سیاره‌ای برای اتم پیشنهاد داد که الکترون‌ها به دور یک هسته‌ی با بار مثبت می‌چرخند.

مدل اتمی بور

رادرفورد در مسیر درستی بود اما مدل او قادر به توضیح طیف نشری و جذبی اتم ها و یا اینکه چرا الکترون‌ها بر روی هسته سقوط نمی‌کنند نبود. نیلز بور در سال 1913 مدل بور را پیشنهاد داد که بر اساس آن الکترون‌ها در فواصل مشخصی از هسته به دور هسته می‌چرخند. بر اساس این مدل الکترون‌ها بر روی هسته سقوط نمی‌کنند اما می‌تواند بین سطوح انرژی جابه‌جا شود.

نظریه‌ی اتمی کوانتومی

مدل اتمی بور خطوط طیفی هیدروژن را توضیح می‌دهد اما برای اتم‌ها با الکترون‌های چندگانه قابلیت بسط دادن را نداشت. اکتشافات متعددی یافته‌های ما از اتم‌ها را وسعت بخشید. فردریک سادی در 1913 ایزوتوپ‌ها را توصیف کرد. ایزوتوپ‌ها اشکالی از یک اتم است که تعداد نوتورن‌های آن متفاوت است. نوترون‌ها در سال 1932 کشف شدند. لویس دو بروی رفتاری موجی از ذرات در حال حرکت را پیشنهاد داد که اروین شرودینگر آن را در سال 1926 با استفاده از معادله‌ی شرودینگر توصیف کرد. این به نوبه‌ی خود به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در سال 1927 منجر شد که بنابر آن امکان مشخص کردن مکان و تکانه‌ی یک الکترون به طور همزمان امکان‌پذیر نیست.

مکانیک کوانتومی به یک نظریه‌ی اتمی منجر شد که براساس آن اتم‌ها شامل اجزای کوچکتری می‌باشند. الکترون می‌تواند هر جای یک اتم باشد اما با احتمال زیاد در مدار اتمی یا سطح انرژی است. نظریه‌ی اتمی مدرن به جای مدارهای دایره‌ای مدل رادرفورد، اوربیتال‌هایی را پیشنهاد می‌دهد که ممکن است کروی، به شکل دمبل و غیره باشد. برای اتم‌هایی با تعداد زیاد الکترون‌ها از آنجایی که ذرات با سرعتی که کسری از سرعت نور است حرکت می‌کنند اثرات نسبیت نیز دیده می‌شوند.  اگر چه اتم‌ها کوچکترین واحد ماده می‌باشند که نمی‌توان با واکنش‌های شیمیایی به ذرات کوچکتری تقسیم کرد اما دانشمندان ذراتی کوچکتر از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها پیدا کرده‌اند.

ترجمه: معصومه رحیمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: thoughtco.com