همۀ مواد، از حدود 100 ذرۀ ساده به نام (عنصر) تشکیل شدهاند. عنصرها نیز از اتمها تشکیل یافتهاند. یک اتم، کوچکترین واحد عنصری است که میتوان داشت. اتمها بسیار کوچکتر از آن هستند که با میکروسکوپهای معمولی دیده شوند. اگر بیش از چهار میلیارد اتم را در کنار هم قرار دهیم، به اندازۀ یک نقطه میشود. اندام شما از اتمهای کربن، اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن تشکیل شده است. هر چند شما به هیچکدام از عناصر شبیه نیستید. این موضوع به این دلیل است که اتمها میتوانند مواد کاملاً مختلفی را تشکیلدهند؛ بسته به این است که چگونه به هم پیوسته باشند.
درون اتمها
اتمها خودشان از اجزای کوچکتری بهنام پروتونها، نوترونها و الکترونها تشکیل شدهاند. نیرویی قوی، پروتونها و نوترونها را به صورت هسته و در مرکز اتم، به یکدیگر متصل کرده است. الکترونها که بسیارسبکتر هستند، دورِ این هسته با سرعت بسیار زیادی میگردند. اتمها معمولاً به مثابۀ ذراتِ کوچک و جامدِ ماده عمل میکنند؛ اما در عین حال، از فضای خالی و بزرگی برخوردارند. اگر اتم را به یک سالن کنسرت تشبیه کنیم، هسته از یک دانۀ نمک بزرگتر نیست. در عین حال بیشترین جرم، در هسته متمرکز است.
هر قسمت از ذرات اتم، بار الکتریکی خاصیدارند؛ الکترونها بار منفی و پروتونها بار مثبت دارند و نوترونها فاقد بار هستند. یک واحد اتم، به تعداد مساوی، الکترون و پروتون دارد. بنابراین روی همرفته، اتم، بدون بار الکتریکی است؛ هر چند بعضیاتمها وقتی با اتمهای دیگر متصل میشوند، بارالکتریکی به دست میآورند یا از دست میدهند. این پدیده، آنها را بهصورت مثبت یا منفی در میآورد. اتمهای دارای بار،(یون) نامیده میشوند.
طرح اتمها اغلب نشان میدهد که الکترونها روی مدارهایی در اطراف هسته میگردند؛ شبیه سیارات به دورخورشید. این شاید برای تصوّر کردن اتم تشبیه خوبی خوبی باشد (چون دانشمندان آن را مدل میگویند) ولی این واقعاً تصویر درستی از اتم نیست. الکترونها بیشتر به صورتیک توده ابر عمل میکنند و هیچ راهی برای گفتن اینکه الکترونها در یک لحظه کجا هستند وجود ندارد. یک مدل از آن، در این صفحه نشان داده شده است. هرچند دانشمندان عقیده دارند که اتم را به وسیلۀ تصویر نمیشود نشان داد. در عوض، آنها مجبورند ازمعادلات ریاضی و مکانیک کوانتومها استفاده کنند.
انواع مختلف اتم
تمام اتمها تقریباً اندازۀ یکسانی دارند؛ اما آنها از تعداد ذرات یکسانی برخوردار نیستند. برای مثال، اتمهایِ هیدروژن که سبکترین عنصر نیز هست، در هستۀ خود فقط یک پروتون دارد و اتمهای اورانیوم،92 پروتون. تمام اتمهای یک عنصر مشخص، تعداد مشخصی پروتون دارند (که به آن عدد پروتونی یا عدد اتمی میگویند). هر چند که آنها ممکن است تعداد مختلفی نوترون داشته باشند. این تفاوت بین دوعنصر مشخص را «ایزوتوپ» گویند. دانشمندان، نام ایزوتوپها را بهوسیلۀ گذاشتن عددی بعد از نام عنصر، مشخص میکنند. برای مثال، اورانیوم 235، که در این مورد، جمع نوترونها و پروتونها در هسته، 235 عدد است.
👇این مدل یک اتم کربن است. الکترونها همچنان که با سرعت بالا به دور هسته که از پروتونها و نوترونها تشکیل شده است، میگردند، شبیه تودهای از بار الکتریکی هستند. الکترونها همه یکساناند؛ و این رنگهای مختلف برای نشان دادن اختلاف حرکتها بهکار رفته است.
پروتونها و نوترونها 2000 بار ازالکترونها سنگینتر هستند.
تعداد پروتونها
| هیدروژن | 1 |
| کربن | 6 |
| نیتروژن | 7 |
| اکسیژن | 8 |
| آهن | 26 |
| طلا | 79 |
| سرب | 82 |
| اورانیوم | 92 |
انرژی هسته
در بعضی از انواع اتم، آرایش نوترونها و پروتونها ثابت نیست. گاهی با خارج شدن ذراتی از هسته، هستۀ آنها تغییر میکند. همچنین گاهی امواج «گاما» از هستۀ آنها متصاعد میگردد. دانشمندان به چنین اتمهایی رادیواکتیو میگویند. ذرات و امواج گامایی که از چنین اتمهاییخارج میشود، «تشعشات هستهای» نامیده میشوند. تشعشات هستهای، حامل انرژی میباشد که بهصورت طبیعی در هستۀ اتم ذخیره شده است. یک اتم به تنهایی انرژی زیادی رها نمیکند؛ اما میلیاردها اتم میتوانند باعث گرمی موادی شوند که تشعشات، آنها را جذب میکند. درصد بالایی از حرارت بسیار زیاد اعماق زمین، بهخاطر فعالیتهای رادیو اکتیو در صخرههای عمق زمین است.
در یک رآکتور هستهای، از نوترونها برای رها سازی انرژی ذخیره شده در هستۀ اتمِ اورانیوم 235 استفاده میشود. مراحل عمل به اینگونه است که یک نوترون بههستۀ اورانیوم 235 ضربه میزند و آن را میشکافد. همچنان که هسته شکافته میشود، به نوبه خود تعداد بیشتری نوترون (و مقداری اشعۀ گاما) آزاد میسازد. ایننوترونها هستههای دیگری از اورانیوم 235 را میشکافند و این عمل، زنجیروار ادامه پیدا میکند. این مرحله را که اصطلاحاً «شکافت» مینامند، انرژی تولید میکند که باعث گرم شدن مواد در رآکتور میشود. در یک ایستگاه نیروی هستهای، یک زنجیره بهدقت کنترل شده از شکافت، حرارتی مداوم و ثابت ایجاد میکند. در سلاحهای هستهای، یک زنجیرۀ شکافت کنترل نشده در یک لحظه، انرژی فوقالعادهای تولید میکند. در مرحلۀ شکافت، هر هستۀ شکافته شده به دو هسته برای دو اتم جدید تبدیل میشود.
مولکولها
همه چیز از اتمهایی درست شده که بهصورت گروهی به یکدیگر چسبیده و (مولکول) نام دارند. بعضی مولکولها تنها از یک اتم تشکیل شدهاند. یک مولکول اکسیژن، از دو اتم اکسیژن تشکیل شده؛ درحالی که مولکولهای دیگر، از مخلوطی از اتمهای گوناگون تشکیل گردیدهاند. موادی که از این مولکولها ساخته میشوند با موادی که از مولکولهای دیگر ساخته شدهاند بهکلی تفاوت دارند. مولکولهای آب، یک اتم از گاز اکسیژن و دو اتم از گاز هیدروژن دارند. مولکولهای آب و مولکولهای یخ شبیه یکدیگر نیستند.
👇دانشمندان از مدلهایی نظیر این مدلها برای نشان دادن این که چگونه اتمها با یکدیگر تشکیل ملکول میدهند استفاده میکنند.
فشردگی مولکولها به یکدیگر
در مواد جامد، مولکولها بهصورت تنگاتنگ به یکدیگر چسبیدهاند. به همین دلیل، جامدات شکل خود را حفظ میکنند. در مایعاتی مثل آب، مولکولها دارای فاصلۀ بیشتری هستند. مایعات شکل ثابتی ندارند و بهطرف ته ظرف سرازیر میشوند. مولکولها در گازها آزاد هستند تا به هرطرف که میخواهند بروند و فضای اطراف را پر کنند.
مولکولهای عظیم
مولکولهای ساده، تنها دو یا سه اتم دارند. هرچند مولکولهای بزرگتری هستند که از بهم پیوستن اتمهای زیاد و مختلفی به شکلهای پیچیده تشکیل شدهاند. گیاهان و حیوانات، مولکولهای بزرگی دارند که از بهم پیوستن مولکولهای کوچکتر تشکیل یافتهاند. این مولکولها، میتوانند شامل هزاران و حتی میلیونها مولکول باشند که به شکلهای زنجیری یا صفحهای یا مارپیچی هستند.
👇شکافت هستهای: دو قسمت هسته، اشعۀ گاما و نوترونها همگی با مقدار بسیار زیادی انرژی، پرتاب میشوند.
این نوترون ها میتوانند اتم های بیشتری از اورانیوم 235 را بشکافند و زنجیرۀ واکنشی تشکیل دهند.
بخشی از کتاب دانشنامه آکسفورد، علم و تکنولوژی از انتشارات پیام بهاران
صفحات 8 و 9