هسته اتم یا نوکلید (Nuclide) — به زبان ساده

در مقاله «اتم -- به زبان ساده» با اتم و ساختار کلی آن آشنا شدیم. دیدیم که اتم‌ها از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده‌اند. الکترون‌ها خود ذرات بنیادی هستند که بر اساس دیدگاه شبه کوانتومی بور، در مدارهایی با انرژی مشخص و گسسته به دور هسته اتم گردش می‌کنند. از دیدگاه فیزیک کوانتومی، مکان الکترون‌ها به طور دقیق مشخص نبوده و تنها می‌توان احتمال حضور را تخمین زد. به مکان‌هایی که احتمال حضور الکترون‌ در آن‌جا نسبت به دیگر مکان‌ها بیشتر است، اوربیتال‌ می‌گویند.

همچنین دیدیم که پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم جای می‌گیرند. پروتون‌ها و نوترون‌ها ذراتی بنیادی نبوده و خود از ذرات کوچک‌تری موسوم به کوارک تشکیل شده‌‌اند. در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده، کمی بیشتر به مقوله هسته اتم (Atomic Nucleus) یا نوکلید (Nuclide) بپردازیم.

کشف هسته اتم

الکترون با بار الکتریکی منفی در حدود سال 1897 توسط تامسون (J. J. Thomson) کشف شد. در آن زمان دانشمندان و محققان ذهنیت دقیقی از ساختار اتم نداشتند. از آنجایی که اتم در حالت عادی از لحاظ الکتریکی خنثی بود، دانشمندان پیش‌بینی می‌کردند که اتم باید دارای ذراتی با بار الکتریکی مثبت باشد تا بار الکتریکی منفی الکترون‌ها را خنثی کند.

در آن زمان مدل اتمی کیک کشمشی تامسون که بیان می‌کرد بارهای مثبت و منفی به تعداد مساوی و به طور تصادفی در حجم اتم پراکنده‌ شده‌اند را قبول داشتند.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

آزمایش ورقه طلا

در حدود سال 1911 رادرفورد (Ernest Rutherford) به همراه همکارانش آزمایش جالب توجهی انجام دادند که منجر به کشف هسته اتم شد. امروزه در اکثر مراجع، آزمایش مذکور به آزمایش ورقه طلا موسوم است. در آن زمان مشخص شده بود که عناصر خاصی موسوم به رادیواکتیو وجود دارند که خودبه‌خود ذراتی را تابش و خود به عناصر دیگری تبدیل می‌شوند. یکی از این عناصر اتم رادون (Radon) بود که ذرات پرانرژی آلفا (alpha : α) را با انرژی حدود $$5.5\ MeV$$ تابش می‌کند و خود به عنصر دیگری تبدیل می‌شود. جهت آشنایی با ساختار الکترونی گاز رادون به مقاله «گاز نجیب -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

امروزه می‌دانیم که ذرات آلفا (α)، در واقع هسته اتم هلیوم هستند. به عبارت دیگر اتم هلیوم با عدد اتمی ۲ که الکترون‌های خود را از دست داده باشد ($$^4 He^{+2}$$)، ذره آلفا (α) را تشکیل می‌دهد. ذرات آلفا (α) حدود 7300 مرتبه از الکترون سنگین‌تر بوده و دارای بار الکتریکی $$+2e$$ هستند.

به طور خلاصه، رادرفورد و همکارانش مطابق با شماتیک شکل (4)، یک محفظه شیشه‌ای حاوی گاز رادون را به عنوان منبع تولید ذرات آلفا (α) در نظر گرفتند.

ذرات آلفا (α) پرانرژی به سمت ورقه نازکی از طلا هدایت می‌شدند. رادرفورد و همکارنش با محاسبه میزان زاویه پراکندگی ذرات آلفا (α) به نتایج بسیار جالب توجهی دست یافتند. میزان پراکندگی ($$\phi$$) ذرات آلفا (α) برحسب تعداد ذرات آلفا (α) مشاهده شده را می‌توان در نمودار زیر نشان داد.

نتایج آزمایش ورقه طلا

مطابق با نمودار شکل فوق، ۳ نتیجه بسیار مهم‌ زیر را می‌توان اتخاذ کرد:

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی

کلیک کنید

• تعداد بسیار زیادی از ذرات آلفا (α) با زاویه بسیار کم یا بدون آنکه تغییری در مسیر خود ایجاد کنند، از ورقه نازک طلا عبور کردند. این امر بدین منزله است که بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد.
• تعداد قابل توجهی از ذرات آلفا (α) با میزان زاویه قابل توجهی پراکنده می‌شوند. از آنجا که ذرات آلفا دارای بار الکتریکی مثبت هستند، می‌توان نتیجه گرفت که این پراکندگی به دلیل نیروی دافعه بین بار مثبت اتم و ذرات آلفا (α) است. همچنین بارهای مثبت اتم، در مکان یا محدوده کوچکی قرار دارند.
• تعداد کمی از ذرات با زاویه‌ای حدود 180 درجه به سمت عقب پراکنده می‌‌شوند. این امر که مهم‌ترین نتیجه آزمایش ورقه طلا را تشکیل می‌دهد، بیان می‌کند که جرم سنگینی که بیشتر جرم اتم را شامل می‌شود، در نقطه‌ای متمرکز قرار دارد.

به طور خلاصه از نتایج فوق بر می‌آید که بیشتر وزن اتم در مرکز آن با بار الکتریکی مثبت قرار گرفته است. شکل زیر، شماتیکی از رفتار ذرات آلفا (α) را به هنگام برخورد با ورقه نازک طلا نشان می‌دهد.

رادرفورد بر اساس نتایج آزمایش مذکور، مدل اتمی‌ خود را ارائه کرد که البته دارای نارسایی‌هایی نیز بود. با آنکه از مدل اتمی رادرفورد، اتم ناپایدار نتیجه می‌شد، اما دیدگاه وی آغازی بر مدل شبه کوانتومی بور و مدل موفق و دقیق کوانتومی است.

مدل اتمی رادرفورد

• اتم ساختاری است که از لحاظ الکتریکی خنثی بوده و بخش قابل توجهی از جرم اتم در فضایی کوچک در مرکز اتم، موسوم به هسته با بار الکتریکی مثبت متمرکز شده است. به عبارت دیگر حجم هسته با جرم زیاد در مقابل حجم کل اتم بسیار کوچک بوده و بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد. دقت داشته باشید که مدل اتمی رادرفورد در سال 1911 صحبتی از پروتون و یا نوترون نکرده و تنها وجود هسته اتم را پیش‌بینی می‌کند.
• الکترون‌ها با بار الکتریکی منفی به دور هسته بار مثبت در مسیرهایی دایره‌ای و ثابت موسوم به مدار در حال گردش هستند. مجموع بار مثبت هسته با مجموع بار الکترون‌ها برابر بوده تا یکدیگر را خنثی کنند. نیروی الکترواستاتیکی قوی، الکترون‌ها و هسته را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد.

لازم به ذکر است که یکی از نارسایی‌های مهم مدل اتمی رادرفورد، ناپایدار بودن اتم براساس نظریه الکترومغناطیس ماکسول بود. نظریه الکترومغناطیس کلاسیک بیان می‌کند که ذرات باردار در حال حرکت، انرژی خود را به صورت موج الکترومغناطیسی تابش می‌کنند. حال بنابر مدل اتمی رادرفورد که بیان می‌کند، الکترون با بار الکتریکی منفی به دور هسته اتم در حال چرخش است، باید تابش کرده و پس از اتمام انرژی، در نهایتاً به سمت هسته سقوط کند.

کشف پروتون

از لحاظ تاریخی کشف پروتون را نیز می‌توان به رادرفورد نسبت داد. پس از آزمایش موفق ورقه طلا در سال 1911، رادرفورد ثابت کرد که هسته اتم هیدروژن در هسته‌های اتم‌های دیگر نیز وجود دارد. در تاریخ علم، غالباً این نتیجه رادرفورد را کشف پروتون در نظر می‌گیرند.

رادرفورد با شلیک ذرات پرانرژی آلفا (α) به هوا که غالب آن از اتم‌های نیتروژن تشکیل شده است، توانست توسط آشکارساز‌ها اثراتی از هسته اتم هیدروژن را آشکار کند. پس از تکرار این آزمایش با نیتروژن خالص، رادرفورد دریافت که هسته‌های اتم هیدروژن تنها می‌توانند از اتم‌های نیتروژن نتیجه شده باشند. به عبارت دیگر، اتم‌های نیتروژن باید حاوی هسته اتم هیدروژن باشند.

لازم به ذکر است که آزمایش فوق را می‌توان نخستین آزمایش و واکنش هسته‌ای در تاریخ دانست. در این آزمایش، اتم‌های نیتروژن توسط بمباران ذرات آلفا (α) دچار تجزیه هسته‌ای شده و پس از جدا شدن هسته اتم هیدروژن (همان پروتون)، تبدیل به اکسیژن ۱۷ می‌شوند.

$$\large ^{14}N + \alpha \rightarrow ^{17}O + p$$
(1)

از آنجایی که رادرفورد می‌دانست هیدروژن ساده‌ترین و سبک‌ترین عنصر واحد سازنده دیگر عناصر در جهان است، تصمیم گرفت نامی خاص را به هسته اتم هیدروژن اختصاص دهد. رادرفورد بیان کرد که هسته اتم هیدروژن، به عنوان سبک‌ترین عنصر، تنها دارای یک ذره است. در نتیجه نام یونانی پروتون به معنی نخستین را برای آن انتخاب کرد.

لازم به ذکر است که ایزوتوپ اتم هیدروژن ($$_1^1H$$) که به وفور در طبیعت یافت می‌شود (پایدارترین)، تنها دارای یک پروتون و یک الکترون است. اتم هیدروژن نوترون نداشته و ایزوتوپ‌های آن به نام‌های دوتریوم ($$_1^2D$$) و تریتیم ($$_1^2T$$) دارای نوترون هستند. ایزوتوپ $$_1^1H$$ به پروتیون نیز معروف است.

نوترون (Neutron)

رادرفورد با انجام آزمایش‌هایی بیشتر متوجه شد که جرم هسته اتم، تقریباً دوبرابر تعداد پروتون‌های آن است. از آنجایی که بار الکتریکی پروتون‌ها مثبت بوده و یک اتم در حالت عادی خنثی است، رادرفورد پیشبینی کرد که ذراتی با جرم هم‌اندازه پروتون و از لحاظ الکتریکی خنثی باید در هسته اتم وجود داشته باشند تا کمبود جرم هسته اتم راجبران کنند.

در حدود سال 1932 میلادی، جیمز چادویک (James Chadwick) آزمایشی ترتیب داد و اتم‌های برلیوم را با ذرات پرانرژی آلفا (α) بمباران کرد. با انجام این آزمایش وی متوجه شد که ذراتی پرانرژی با عمق نفوذ بالا از اتم‌های برلیوم به بیرون ساطع می‌شوند که در میدان الکترومغناطیسی نیز منحرف نمی‌شوند.