شیمی برای زندگی

بعدها با كشف اشعه كاتدي و آزمايش هاي انجام شده بر روي آن و با توجه به اینکه اين آزمایشات نشان دهنده وجود ذره ای کوچکتر از اتم با بار منفی هستند، بنابراين نظريه اتمي دالتون به چالش بزرگي كشانده شده است، اما درعلم براي اثبات وجود يك ذره  بايد مختصات آن ذره يعني جرم و مقدار بار آن تعيين گردد.

- تعيين مختصات الكترون :

ژوزف جان تامسون Joseph John Thomson  دانشمند انگليسي تبار با ارائه دو آزمايش كه به آزمايش هاي اول و دوم تامسون معروف هستند، توانست مقدار e/m يك الكترون اندازه گيري نمايد. آزمايش هاي تامسون به شرح زير است:

1- آزمايش اول تامسون:

نتيجه اي كه از آزمايش اول تامسون  بدست آمد، رابطه بين e/m را با داده هاي قابل اندازه گيري نشان مي دهد.

 e/m = 2Q/ r²H²q

۲- آزمايش دوم تامسون:

لازم بود براي تأييد نتايج آزمايش اول آزمايش جديدي طراحي گردد كه در صورت انطباق نتايج با هم قطعيت آن پذيرفته شود.

نتايج به دست آمده از آزمايشات تامسون عبارتند از:

۱. سرعت الكترون حدوداً ۰.۱ سرعت نور مي باشد.

۲. مقدار e/m بدست آمده براي الكترون برابر است با  10⁸*1.76 كولن بر گرم است، كه حدود ۲۰۰۰ برابر  e/m بدست آمده براي يون ⁺H است.

تامسون با توجه به مطالب فوق به اين نتيجه رسيد كه اولا" نظريه دالتون مبني بر تجزيه ناپذير بودن اتم ديگر بايستي ترد گردد و ثانياً جرم الكترون و بار آن بايستي بسيار بزرگتر از جرم و بار يون هيدروژن باشد. و بر اين اساس مدل اتمي خود را كه اولين مدل اتمي نيز بود به شرح زير مطرح ساخت:

- مدل اتمی تامسون:

 ۱- الکترون ها که ذاراتی با بار منفی هستند درون فضای کروی شکل ابر گونه ای با بار الکتریکی مثبت پراکنده اند.

۲- اتمها در مجموع خنثی هستند، بنابراين مقدار بار مثبت فضاي كروي ابرگونه با مجموع بار الكترونها برابر است.

۳- اين ابر كروي جرمي ندارد و جرم اتم به تعداد الكترونهاي آن بستگي دارد.

۴- جرم زياد اتم از وجود تعداد زيادي الكترون در آن ناشي مي شود.

اين مدل به مدل كيك كشمشي يا هندوانه اي تامسون معروف گرديد.

- اندازه گیری بار الکترون توسط میلیکان:

رابرت میلیکان دانشمند امریکایی طی یک آزمایش هوشمندانه توانست یکی از کمیت های بسیار مهم الکترون یعنی مقدار بار الکتریکی آن را اندازه گیری نماید. بعد از اندازه گیری بار الکترون توسط میلیکان با توجه به آزمایشات تامسون اندازه گیری جرم الکترون نیز میسر گردید. که این دو کمیت برابرند با : 

 e=1.6*10^-19c   ,    m = 9.1*10^-28g

- اشعه مثبت يا اشعه آندي:

يوجين گلد اشتاين در سال ۱۸۸۶ ميلادي مشاهده نمود كه وقتي در دستگاه اشعه كاتدي به جاي كاند از يك صفحه سوراخدار استفاده مي شود. يك دسته شعاع نوراني در پشت آند ظاهر مي شود كه رنگ آن به جنس گاز درون وابسته بوده و مانند نوري است كه در فشار ۰.۰۱ اتمسفر در لوله اشعه كاتدي ظاهر مي شود. 

- اشعه X يا اشعه مجهول :

وقتي دستگاه اشعه كاتدي شروع به كار مي كند و آند توسط الكترونه بمباران مي شود، اشعه ناشناسي با قدرت نفوذ بالا ايجاد مي گردد كه مي تواند از جداره سخت لوله شيشه اي عبور نمايد. اين اشعه به دليل نامرئي بودنش و قدرت نفوذ بالاي آن در ابتدا از چشم دانشمندان دور ماند. ولي در سال 1895 ويلهلم رونتگن آلماني (Wilholm Konrad Rontegen ) مشاهده كرد كه وقتي دستگاه اشعه كاتدي مشغول به كار است، مواد فلوئورسانسي كه در يك گوشه نسبتاً دوري قرار دارند، شروع به درخشيدن مي نمايند. همين مشاهده كافي بود تا ذهن خلاق رونتگن پرده از يك كشف بزرگ بردارد.

 او با اعلام كشف اشعه ناشناس به بررسي ويژگي هاي اين اشعه پرداخت. يكي از اولين عكس هايي كه توسط اشعه X تهيه شده بود را از دست چپ همسر رونتگن بود كه حلقه ازدواجشان در آن به وضوح نمايان است.

 بعد از بررسي هايي كه بر روي اشعه X انجام شد نتايج زير به دست آمد:

۱- اين اشعه در ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي منحرف نمي شود.

۲- خواص آن شبيه امواج نوراني است، يعني با يك اشعه الكترومغناطيس ولي با طول موج بسيار كم سروكار داريم.

۳- قابليت نفوذ اين اشعه بسيار زياد است. حتي بيشتر از اشعه كاتدي.

امروزه از اشعه X در علوم بسیاری از جمله علوم پزشکی براي عكس برداري از بافتهاي دروني بدن، ستاره شناسي براي بررسي پديده هاي سماوي و شيمي براي بررسي ساختمان بلورها و در ساير زمينه هاي علوم نيز استفاده هاي مكررمي شود. 

 پس از اندازه گیری طول موج اشعه X مشخص شد كه اشعه هاي گوناگوني با طول موج هاي متفاوتي وجود دارند كه همه آنها متعلق به خانواده اشعه X هستند.

هنري موزلي (Henry Gwyn Jeffreys Moseley ) با آزمايش هايي كه بر روي اشعه X انجام داد پي برد كه طول موج اشعه توليد شده به جنس آند يا فلزي كه در مقابل اشعه كاتدي قرار مي گيرد بستگي دارد. وي طول موج اشعه X را روي محور افقي و جرم اتمي را كه در آن زمان نشان دهنده موقعيت عناصر در جدول تناوبي بود را روي محور عمودي وارد كرد كه نموداری بدست آورد. از نمودار به دست آمده چنین نتیجه گیری شد که:

۱- با زیاد شدن جرم اتمی طول موج اشعه X توليد شده كمتر مي شود.

2- جاي يك عنصر بين كلسيم و تيتيانيوم خالي است.

3- برنج عنصر نبوده و آلياژي از مس و روي مي باشد.

نتايج به دست آمده در بالا جالب بودند ولي قانع كننده نبودند.

بنابراين نموداري بر مبناي ريشه دوم فركانس اشعه X توليده براساس شماره عنصر در جدول تناوبي رسم گرديد. لازم به ذكر است كه اين تابع يك تابع خطي است.

v = a²(z - b)²

كه در اين فرمول z همان شماره عنصر، v فركانس اشعه X بوده و مابقي فاكتورها ثابت هاي فيزيكي هستند.

مطالعات بعدي موزلي نشان داد كه z همان عده بارهاي مثبت در اتم است. كه آنرا عدد اتمي ناميدند. از آن زمان به بعد شماره اتمها در جدول تناوبي مبناي علمي يافت.بنابراين عنصري كه جاي آن در جدول تناوبي خالي بود بايد عنصري با عدد اتمي 21 باشد.