طیف سنجی شیمیایی عناصر

● اتم :
وجود ابهامات فراوان در مورد اتم و ساختار آن تعرفیشان را به هر شكلی در ابتدای این بخش عذاب آور كرده اصولا تعریف جامع و كلی در مورد اتم قادر نیست كه ذهن را به سمتی راهنمایی كند كه در نظر ما است بلكه باید دركی كلی از آن به دست آورد نه صرفا با به خاطر سپردن تعریفی از آن حتی در مورد مفاهیم به ظاهر ساده آن نظیر اندازه (شعاع اتمی ) و شكل نمی توان اظهار نظر كرد .
ولی مدلهای متفاوتی برای آن در طول زمان ارائه شده كه هر كدام به نحوی با واقعیات سازگارتر بوده اند و در بعضی از موارد برای توجیه برخی شواهد ناچار به بكارگیری یكی و در توجیه مشاهده دیگری باید دیگری را به كار ببندیم برخی از این مدلها را در شمی دبیرستان مطالعه می كنیم و برخی از آنها كه قدیمیترند اصلا به كار گرفته نمی شوند و صرفا جنبه تاریخی از آنها به جای مانده كه از توضیح آنها صرف نظر می كنیم ولی دو مدلی را كه توضیح خواهیم داد مدلهای اتمی رادرفورد و مدل اوربیتال الكترونی برای اتم است كه بخث فراوانی را طلب می كند. مختصرا به شرح مدل اتمی رادرفورد می پردازیم .
● مدل اتمی رادفورد:
در این مدل اتمی هسته همراه با پروتونها با بار+ در مركز اتم جای نسبتا كوچكی را اشغال كرده و الكترون ها در پوسته هایی كه بی شباهت به پوسته های پیاز حول مركز آن نیستند به گرد هسته در چرخش هستند در مراجعی لفظ مدارهای دایره وار آورده شده كه در این صورت الكترون به جای پوسته حول دایره ای می چرخد. این دایره تمام نقاط فضا كه حول مركز اتم در یك فاصله قرار گرفته اند همان پوسته كروی را نتیجه می دهد حركت الكترونها به دور مركز و هسته اتم می تواند یادآور حركت سیاره ها به دور خورشید باشد با این اختلاف كه مدار حركت سیاره به شكل دایره است و نه یك پوسته كروی كه سیاره در هر گردش بدور دایره ای جداگانه در این پوسته بگردد . سوالات فراوانی در اینجا پیش می آید .
تعداد الكترونها در اتما چگونه تعیین می شود ؟ آیا تمام الكترونها قادر به تغییر فاصله خود از مركز اتم هستند ؟ و نهایتا" اگر در موضوع توجه كنیم این سوال مهم مطرح می شود كه آیا الكترون ها حول هسته در فواصل مختلف انرژیهایی مختلف را می توانند دارا باشند ؟ این سوال آخر شاید برای تعدای از خوانندگان كه هنوز دروس دبیرستان را نگذرانده باشند مبهم به نظر برسد در اینجا مطالعه مراجعی در حد كتابهای دبیرستانی كه در آنها صحبت از انرژی پتانسیل و مخصوصا انرژی پتانسیل الكتریكی به میان آمده توصیه می شود. همچنین مطالعه در مورد ماهیت بار الكتریكی ، انواع آن و قاعده كولمب كه شاید در مراجعه به نام كولن نام برده باشند .
در یك عبارت كلی (ناچارا") باید بگوییم كه الكترونها و پروتونها دارای بار از نوع الكتریكی هستند كه اندازه بار هر الكترون و پروتون باهم برابر است ولی جنس آن متفاوت می باشد یعنی الكترون دارای بارالكتریكی y و پروتون دارای بارالكتریكی+ است كه اندازه بار می تواند به اندازه معیاری برای سنجش بار الكتریكی به كار رود و بر اساس آن اندازه بار الكتریكی الكترون (۱- ) و پروتون (۱+) خواهد بود همانطور كه از قبل به خاطر داریم بار مثبت بار منفی را جذب می كند. در نتیجه اثر متقابلی كه بین الكترون و پروتون در این جذب بوجود می آید این دو تا زمانی كه فاصله آنها از هم تغییر نكرده است دارای انرژی پتانسیل قابل محاسبه ای هستند كه با تغییر نیروی متقابل این دو این انرژی پتانسیل تغییر خواهد كرد .
نكته مهم در نسبی بودن انرژی پتانسیل نهفته است . پس باید معیاری را برای سنجش انرژی پتانسیل الكترون نسبت به بار مثبت داخل هسته در نظر بگیریم این كار عملا مطابق با قرار دادن سطح دریاها به عنوان مبدأ ارتفاع صفر و محاسبه انرژی پتانسیل گرانی زمین نسبت به این مبدأ است با مطالعه قانون كولمب متوجه خواهیم شد كه نیروی الكتریكی با نسبت عكس محذور فاصله تغییر می كند.
این نیرو در هر فاصله خیلی زیاد به سمت صفر می رود ولی هیچگاه صفر نخواهد شد ولی می توانیم الكترون در حالتی ایده آل و كاملا جدا از هسته و بار مثبت درون آن در نظر گرفته كه در این حالت نیروی متقابل بین آن و هسته صفر است و انرژی پتانسیل نیز در این حالت صفر خواهد بود . در دنباله محاسبات ساده ای برای انرژی پتانسیل الكترون در فواصل مختلف از هسته را یادآورمی شویم و نشان می دهیم كه چگونه تغییر سطح انرژی پتانسیل الكترون در درون اتم موجب بوجود آمدن این شاخه مورد نظر ما از علم یعنی طیف نگاری شده ضمنا به مفهوم عنصر از دیدگاه اتمی می پردازیم
● پتانسیل كولمب:
در اینجا بحث انرژی پتانسیل الكتریكی را كه پتانسیل كولمب نیز نامیده می شود را كمی بازتر توضیح می دهیم. این انرژی كه معمولا با n نشان داده می شود و با بارهای دو ذره (q۱q۲ ) نسبت مستقیم و با فاصله آنها (r ) نسبت معكوس دارد ، یعنی دو ذره باردار با بارهای q۱ و q۲ هر چه از هم دورتر باشند انرژی پتانسیل یكی نسبت به دیگری كاهش می یابد و در فاصله خیلی خیلی زیاد به سمت صفر میل می كند.
در درون اتم دو ذره باردار كه تاكنون شناختیم یعنی پروتون و الكترون دارای بارهای الكتریكی ناهمنام هستند و انرژی پتانسیل آنها در صورت اعمال این علامتها منفی خواهد بود.
هرچه الكترون به هسته نزدیكتر باشد دارای انرژی پتانسیل منفی تری خواهد بود.همانطور كه در نمودار انرژی پتانسیل(شكل۱) مشاهده می شود رابطه (۱) را می توان با اعمال یك ثابت به تساوی تبدیل كرد. مقدار محاسبه شده بار الكترون در یك اتم عددی ثابت و برابر است.
بار پروتون نیز دقیقا به همان اندازه است تنها تفاوت در ماهیت علامت این دوبار است.كه صورت كسر بالا با این تفسیر خواهد شد كه عدد بسیار كوچكی است.
ولی با توجه به اندازه های بسیار كوچكی كه این دو ذره در یك اتم دارند مخرج كسر نیز عدد بسیار كوچكی خواهد بود ولی در كل عدد بدست آمده برای اختلاف پتانسیل بر حسب ولت عدد زیاد جالبی برای محاسبات سریع نیست. معمولا برحسب واحد قدر مطلق بار الكترون، كار می كنند و آن را واحد تصور می كنند و تغییرات انرژی پتانسیل یك الكترون با بار كولمب در میان صفحات خازنی به اختلاف پتانسیل ۱ ولت را برابر یك الكترون ولت (ev ۱) در نظر می گیرند. كه دارای بعد انرژی است. و انرژی الكترون در داخل اتم را معمولا با این واحد بیان می كنند. همانطور كه می دانیم یك الكترون در داخل اتم دارای فواصل مشخص و معینی از هسته است و در نتیجه فقط مقادیر مشخصی از انرژی را می تواند دارا باشد.این مطلب اولین بار از روی طیف گسسته نشری عناصر نتیجه گیری شد.كه خود همین مطلب موضوع بحث ما است و در انتهای بحث به آن اشاره خواهد شد.
در ضمن انرژیهایی كه الكترونها در داخل هر عنصر می توانند دارا باشند در هر اتم با اتم عنصر دیگرمتفاوت است. در قبل اشاره كردیم كه الكترونها در مدل اتمی رادرفورد بر روی لایه هایی قراردارند. در این بحث نتیجه گرفتیم كه انرژی آنها بستگی به فاصله این لایه از هسته اتم دارد. و در هر عنصر این لایه ها در فواصل مختلفی قرار دارند و نتیجه گیری ما از این مطالب این می تواند باشدكه اختلاف انرژی بین سطوح مجاز برای الكترونها در هر عنصر متفاوت است.
الكترون با كسب انرژی ازمحیط و یا به هر طریقی كه انرژی كسب كند می تواتند استقلال بیشتری از هسته پیدا كند. در نتیجه سطح انرژی آن بالا رفته و در فاصله بیشتری از هسته قرار می گیرد. ولی الكترون به ناچاروقتی از هسته دور می شود فقط می تواند فواصل مجاز در آن اتم را از هسته داشته باشد. یعنی به لایه های مشخص بالاتر برودكه این فواصل مشخص و ثابت است. از این طریق مقدار انرژی لازم برای این جابجایی نیز ثابت و مشخص و برابر اختلاف انرژی پتانسیل الكترون در این دو لایه است.
معمولا نزدیكترین لایه به هسته را لایه اول می نامند.و لایه های بعدی را تا بالا شماره گذاری می كنند و آن را با n نشان می دهند. مثلا لایه سوم با n=۳ نمایش داده میشود.انرژی الكترون در هر لایه باEn نمایش می دهند. مثلا انرژی الكترونی در لایه سوم را باE۳ نمایش می دهند.
اگر n¢<n باشد لایه n¢ به هسته نزدیكتر است و انرژی لازم برای فرستادن الكترون از لایهn¢ بهn از رابطه ۲ محاسبه می شود(۲) E=En-En¢ وقتی كه الكترون انرژی بیشتری دارا باشد به علت كسب انرژی اضافی و بالا رفته سطح انرژی پتانسیل آن ناپایدارخواهد بود و اصطلاحا" اتمی را كه دارای چنین الكترونی باشد اتم بر انگیخته می نامند.
در صورتی كه انرژی از محیط گرفته شود و منبع انرژی لازم برای بر انگیخته شدن الكترونها از میان رود الكترونها با از دست دادن انرژی به مدارهای پایین سقوط می كنند و همان میزان انرژی را كه دریافت كرده اند آزاد خواهند كرد تا به سطح پایدار قبلی خودشان برسنداگر معادله شماره ۲ را معكوس كنیم میزان انرژی را كه آزاد می شود را می توانیم محاسبه كنیم.
E=En¢-En آزاد شده كه با توجه به علامت منفی كه درون E نهفته است و همچنین بزرگتر بودن En از En¢ با توجه به علامت E آزاد شده دارای علامت منفی خواهد بودكه این علامت نشان دهنده آزادشدن انرژی است .
در نتیجه علامت مثبت در رابطه(۲) نشان دهنده گرفته شدن انرژی توسط الكترون از محیط است. همچنین میزان انرژی لازم برای جدا كردن یك الكترون مشخص در یك اتم نیز قابل محاسبه است. و دقیقا" این انرژی برابر(-En) آن الكترون خواهد بود. مثلا اگر الكترونی دارای انرژی۱۳.۶ev - در درون اتم باشد مقدار ۱۳.۶ev)=+۱۳.۶ev -(- انرژی برای جدا كردن كامل آن از قید هسته نیاز داریم.