گروه پیشتازان علم این یک وب سایت علمی متعلق به گروه علمی پیشتازان علم با مدیریت امیرحسین خیابانی می باشد. علاقمندان می توانند فعالیت های ما را در این وبگاه دنبال و همراهی نمایند.
در این پست قصد داریم برای علاقمندان به فیزیک ذرات، یک طرح جدید برای مدل اتمی بور پیشنهاد کنیم.
پرونده یکصد ساله حقایق و ابهامات مدل اتمی کلاسیک را به اختصار مرور و مدل اتمی جدید تحت عنوان مدل الکترودینامیکی اتم را معرفی می‌کنیم.
با پیشتازان علم همراه باشید:
واقعیت‌های ساختار اتم
طیف اتمی عناصر مثل اثر انگشت هر عنصر است. طیف اتمی عناصر توسط فرانهوفر (۱۸۱۹ میلادی) دیده و شناسایی شد. طیف اتم هیدروژن توسط بالمر (۱۸۸۵) فرمولبندی شد.
.۱n=2 , m=3,4,5,6 , h=3.6456×10^-7
تشعشع اتم‌ها، کوانتمی یا پیمانه پیمانه است. کوانتم تشعشع جسم سیاه توسط پلانک (۱۹۰۰) شناسایی و فورمولبندی و توسط بوهر (۱۹۱۳) در توجیه مدل اتمی استفاده شد.
خواص فیزیکوشیمیایی عناصر تناوبی است. جدول تناوبی عناصر توسط مندلیف (۱۸۶۹) شناسایی شد. اعداد کوانتمی توسط بوهر و سامرفلد از جدول تناوبی استخراج گردید. منظور از اعداد کوانتمی، شماره تراز مدار (n)، شماره شکل مدار (l)، شماره زاویه مدار (m)، و عدد اسپین الکترون (s) است.
مدل اتمی کلاسیک
مدل منظوم‌های راترفورد (۱۹۰۹) تقلیدی از منظومه شمسی و مادر مدل‌های کلاسیک است.
مدل اتمی بوهر (۱۹۱۳) در تفسیر طیف اتمی عنصر هیدروژن، دست آورد خوبی داشت اما در محاسبه همزمان شعاع و انرژی مدار الکترون و همچنین در توجیه طیف اتمی سایر عناصر ناموفق بود. بوهر و سامرفلد (۱۹۱۶) حتی موفق شدند مدل اتمی سایر عناصر را تهیه کنند. این مدل‌ها بیشتر نمایشی بودند و ارزش محاسباتی کمی داشتند.
مدل ابری اتم (۱۹۲۷) براساس مکانیک موجی کوانتمی شرودینگر (۱۹۲۶) و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (۱۹۲۵) تدوین گردید. مدل ابری در تفسیر طیف اتمی عنصر هیدروژن بهتر بود اما با افزایش عدد اتمی، مدل ابری دقت محاسباتی خود را از دست می‌دهد.
نظریه الکترومغناطیس
نظریه الکترومغناطیس توسط ماکسول (۱۸۶۳) ارائه شده و با گذشت یک و نیم قرن، ایرادی به آن وارد نشده است. اما این نظریه در ساختار اتمی و حتی در ساختار نانو و میکرو، کارآیی ندارد.
علت این ناسازگاری چیست؟
قانون کولُن
همه با فرمول کولن آشنا هستیم:
فرمول کولن یکی از چهار معادله الکترومغناطیس است.
اصلاح قانون کولُن
در اولین بررسی، قطر الکترون و قطر اتم را در فرمول کولن وارد کردم. یعنی فرض قطر صفر برای ذره الکتریکی در فرمول کولن را با قطر واقعی ذره جایگزین و فرمول کولن را اصلاح نمودم. (دفتری در فراز دانش/ علی واثقی/۱۳۸۱/ شابک ۲-۰۶۳۲-۰۶-۹۶۴-۹۷۸)
تراز انرژی الکترون
برای محاسبه انرژی الکترون از فرمول کولن اصلاح شده، انتگرال گرفتم.
تراز پلکانی انرژی الکترون
شعاع مدار الکترون، تاثیری در مقدار انرژی تراز ندارد.
مسیر الکترون
مختصات مکانی الکترون نسبت به زمان را با توجه به رابطه تراز انرژی و حرکت فنروار ذره در الکترودینامیک بدست آوردم:
مسیر حرکت الکترون در اتم
مقدار انرژی، تاثیر چندانی در شعاع اتم ندارد.
الکترودینامیک، حرکت مارپیچی پاندولی الکترون را نشان می‌دهد.
مقایسه مدل مارپیچی پاندولی با مدل‌های منظومه ای (بوهر و ابری) را در جدول بعد می‌بینید.
ویدیو شبیه‌سازی اتم
برتری مدل الکترودینامیکی به مدل کلاسیک
الکترون بدور هسته نمی‌چرخد. بلکه بصورت مارپیچی بطرف هسته پاندول می‌گردد. مدار مارپیچی با نظریه الکترودینامیک سازگار است.
مجبور به فرض دو نوع الکترون با دو حرکت وضعی مخالف (با اسپینهای½+و ½-) نیستیم. فرض موهومی چرخش الکترون حول محور خود (مشابه گردش وضعی سیارات) با فرض مارپیچ راست گرد الکترون و مارپیچ چپ گرد الکترون جایگزین می‌شود.
اعداد کوانتومی در مدل اتمی بوهر و مکانیک موجی شرودینگر بصورت قراردادی است و نیاز به فرض پرشی بودن مدار الکترون دارد که باعث عدم قطعیت می‌شود.
این اعداد در مدل الکترودینامیکی اتم، از تعداد حلقه های حرکت مارپیچی قابل استنباط است و هیچگونه پرش یا عدم قطعیتی در آن مشاهده نمی‌شود.
مدل الکترودینامیکی اتم، نشان می‌دهد که مسیر فنروار الکترون شامل تعداد معینی حلقه است. این تعداد حلقه که با کوانتای عمل تناسب دارد را بجای اعداد فرضی که در مدل اتمی بوهر از جدول تناوبی استنباط میشوند، جایگزین می‌کنم.
بجای اعداد کوانتمی جدول تناوبی، از روابط الکترودینامیک استفاده می‌گردد. ما از شیمی به فیزیک رسیدیم و حالا می‌خواهیم از فیزیک به شیمی برسیم.
منظور از اعداد کوانتمی: شماره مدار (n)، شکل مدار (l) ، زاویه مدار (m) ، و اسپین الکترون (s) هستند.
قطعیت مدل الکترودینامیکی
به این ترتیب، مدل الکترودینامیکی اتم نه تنها پاسخگوی اسرار داخل اتم خواهد بود بلکه حتی می‌توان ماکت ساختار اتم را تهیه کرد و قطعیت طبیعی را جایگزین نظریه انتزاعی عدم قطعیت هایزنبرگ نمود.
انتظار می‌رود که با تکیه بر مدل الکترودینامیکی اتم، محاسبه خواص فیزیکوشیمیایی عناصر و کلیه مواد در دهه آینده امکان پذیر باشد.
در حال حاضر تنها راه دسترسی به خواص فیزیکوشیمیایی عناصر، آزمایش است که به دلیل زمان بری و هزینه زیاد، حتی قادر نیستیم که خواص فیزیکوشیمیایی یک عنصر را کامل کنیم.
مدل اتمی کلاسیک و مکانیک کوانتمی، ابزارهای کم کارآمدی در دست آزمایشگران هستند. آزمایشگران نیاز به ابزارهای علمی کار آمدتری دارند.
