اتم : وجود ابهامات فراوان در مورد اتم و ساختار آن تعرفیشان را به هر شکلى در ابتداى این بخش عذاب آور کرده اصولا تعریف جامع و کلى در  مورد اتم قادر نیست که ذهن را به سمتى راهنمایى کند که در نظر ما است بلکه باید درکى کلى از آن به دست آورد نه صرفا با به خاطر سپردن تعریفى از آن حتى در مورد مفاهیم به ظاهر ساده آن نظیر اندازه (شعاع اتمى ) و شکل نمى توان اظهار نظر کرد . ولى مدلهاى متفاوتى براى آن در طول زمان ارائه شده که هر کدام به نحوى با واقعیات سازگارتر بوده اند و در بعضى از موارد براى توجیه برخى شواهد ناچار به بکارگیرى یکى و در توجیه مشاهده دیگرى باید دیگرى را به کار ببندیم برخى از این مدلها را در شمى دبیرستان مطالعه مى کنیم و برخى از آنها که قدیمیترند اصلا به کار گرفته نمى شوند و صرفا جنبه تاریخى از آنها به جاى مانده که از توضیح آنها صرف نظر مى کنیم ولى دو مدلى را که توضیح خواهیم داد مدلهاى اتمى رادرفورد و مدل اوربیتال الکترونى  براى اتم است که بخث فراوانى را طلب مى کند. مختصرا به شرح مدل اتمى رادرفورد مى پردازیم .

 

مدل اتمى رادفورد:

در این مدل اتمى هسته همراه با پروتونها با بار+ در مرکز اتم جاى نسبتا کوچکى را اشغال کرده و الکترون ها در پوسته هایى که بى شباهت به پوسته هاى پیاز حول مرکز آن نیستند به گرد هسته در چرخش هستند در مراجعى لفظ مدارهاى دایره وار آورده شده که در این صورت الکترون به جاى پوسته حول دایره اى  مى چرخد. این دایره تمام نقاط فضا که حول مرکز اتم در یک فاصله قرار گرفته اند همان پوسته کروى را نتیجه مى دهد حرکت الکترونها به دور مرکز و هسته اتم مى تواند یادآور حرکت سیاره ها به دور خورشید باشد با این اختلاف که مدار حرکت سیاره به شکل دایره است و نه یک پوسته کروى که سیاره در هر گردش بدور دایره اى جداگانه در این پوسته بگردد . سوالات فراوانى در اینجا پیش مى آید . تعداد الکترونها در اتما چگونه تعیین مى شود ؟ آیا تمام الکترونها قادر به تغییر فاصله خود از مرکز اتم هستند ؟ و نهایتا" اگر در موضوع توجه کنیم این سوال مهم مطرح مى شود که آیا الکترون ها حول هسته در فواصل مختلف انرژیهایى مختلف را مى توانند دارا باشند ؟ این سوال آخر شاید براى تعداى از خوانندگان که هنوز دروس دبیرستان را نگذرانده باشند مبهم به نظر برسد در اینجا مطالعه مراجعى در حد کتابهاى دبیرستانى که در آنها صحبت از انرژى پتانسیل و مخصوصا انرژى پتانسیل الکتریکى به میان آمده توصیه مى شود. همچنین مطالعه در مورد ماهیت بار الکتریکى ، انواع آن و قاعده کولمب که شاید در مراجعه به نام کولن نام برده باشند . در یک عبارت کلى (ناچارا") باید بگوییم که الکترونها و پروتونها داراى بار از نوع الکتریکى هستند که اندازه بار هر الکترون و پروتون باهم برابر است ولى جنس آن متفاوت مى باشد یعنى الکترون داراى بارالکتریکى y و پروتون داراى بارالکتریکی+ است که اندازه بار مى تواند به اندازه معیارى براى سنجش بار الکتریکى به کار رود و بر اساس آن اندازه بار الکتریکى الکترون (1- ) و پروتون (1+) خواهد بود همانطور که از قبل به خاطر داریم بار مثبت بار منفى را جذب مى کند. در نتیجه اثر متقابلى که بین الکترون و پروتون در این جذب بوجود مى آید این دو تا زمانى که فاصله آنها از هم تغییر نکرده است داراى انرژى پتانسیل قابل محاسبه اى هستند که با تغییر نیروى متقابل این دو این انرژى پتانسیل تغییر خواهد کرد . نکته مهم در نسبى بودن انرژى پتانسیل نهفته است . پس باید معیارى را براى سنجش انرژى پتانسیل الکترون نسبت به بار مثبت داخل هسته در نظر بگیریم این کار عملا مطابق با قرار دادن سطح دریاها به عنوان مبدأ ارتفاع صفر و محاسبه انرژى پتانسیل گرانى زمین نسبت به این مبدأ است با مطالعه قانون کولمب متوجه خواهیم شد که نیروى الکتریکى با نسبت عکس  محذور فاصله تغییر مى کند. این نیرو در هر فاصله خیلى زیاد به سمت صفر مى رود ولى هیچگاه صفر نخواهد شد ولى مى توانیم الکترون در حالتى ایده آل و کاملا جدا از هسته و بار مثبت درون آن در نظر گرفته که در این حالت نیروى متقابل بین آن و هسته صفر است و انرژى پتانسیل نیز در این حالت صفر خواهد بود . در دنباله محاسبات ساده اى براى انرژى پتانسیل الکترون در فواصل مختلف از هسته را یادآورمى شویم و نشان مى دهیم که چگونه تغییر سطح انرژى پتانسیل الکترون در درون اتم موجب بوجود آمدن این شاخه مورد نظر ما از علم یعنى طیف نگارى شده  ضمنا به مفهوم عنصر از دیدگاه اتمى مى پردازیم

پتانسیل کولمب:

در اینجا بحث انرژی پتانسیل الکتریکی را که پتانسیل کولمب نیز نامیده می شود را کمی بازتر
توضیح می دهیم. این انرژی که معمولا با n نشان داده می شود و با بارهای دو ذره (q₁q₂ ) نسبت مستقیم و با فاصله آنها (r ) نسبت معکوس دارد ، یعنی دو ذره باردار با بارهای q₁ و q₂ هر چه از هم دورتر باشند انرژی پتانسیل یکی نسبت به دیگری کاهش می یابد و در فاصله خیلی خیلی زیاد به سمت صفر میل می کند.

در درون اتم دو ذره باردار که تاکنون شناختیم یعنی پروتون و الکترون دارای بارهای الکتریکی ناهمنام هستند و انرژی پتانسیل آنها در صورت اعمال این علامتها منفی خواهد بود.

هرچه الکترون به هسته نزدیکتر باشد دارای انرژی پتانسیل منفی تری خواهد بود.همانطور که در نمودار انرژی پتانسیل(شکل1) مشاهده می شود رابطه (1) را می توان با اعمال یک ثابت به تساوی تبدیل کرد. مقدار محاسبه شده بار الکترون در یک اتم عددی ثابت و برابر  است.
بار پروتون نیز دقیقا به همان اندازه است تنها تفاوت در ماهیت علامت این دوبار است.که صورت کسر بالا با این تفسیر خواهد شد که عدد بسیار کوچکی است. ولی با توجه به اندازه های بسیار کوچکی که این دو ذره در یک اتم دارند مخرج کسر نیز عدد بسیار کوچکی خواهد بود ولی در کل عدد بدست آمده برای اختلاف پتانسیل بر حسب ولت عدد زیاد جالبی برای محاسبات سریع نیست. معمولا برحسب واحد قدر مطلق بار الکترون، کار می کنند و آن را واحد تصور می کنند و تغییرات انرژی پتانسیل یک الکترون با بار کولمب در میان صفحات خازنی به اختلاف پتانسیل 1 ولت را برابر یک الکترون ولت  (ev 1) در نظر می گیرند. که دارای بعد انرژی است. و انرژی الکترون در داخل اتم را معمولا با این واحد بیان می کنند. همانطور که می دانیم یک الکترون 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.که خود همین مطلب موضوع بحث ما است و در انتهای بحث به آن اشاره خواهد شد.
در ضمن انرژیهایی که الکترونها در داخل هر عنصر می توانند دارا باشند در هر اتم با اتم عنصر دیگرمتفاوت است. در قبل اشاره کردیم که الکترونها در مدل اتمی رادرفورد بر روی لایه هایی قراردارند. در این بحث نتیجه گرفتیم که 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 باشدکه اختلاف انرژی بین سطوح مجاز برای الکترونها در هر عنصر متفاوت است. الکترون با کسب انرژی ازمحیط و یا به هر طریقی که انرژی کسب کند می تواتند استقلال بیشتری از هسته پیدا کند. در نتیجه سطح انرژی آن بالا رفته و در فاصله بیشتری از هسته قرار می گیرد. ولی الکترون 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 برودکه این فواصل مشخص و ثابت است. از این طریق مقدار انرژی لازم برای این جابجایی نیز ثابت و مشخص و برابر اختلاف انرژی پتانسیل الکترون در این دو لایه است.

معمولا نزدیکترین لایه به هسته را لایه اول می نامند.و لایه های بعدی را تا بالا شماره گذاری می کنند و آن را با n نشان می دهند. مثلا لایه سوم با n=3 نمایش داده میشود.انرژی الکترون در هر لایه باE_n نمایش می دهند. مثلا انرژی الکترونی در لایه سوم را باE₃ نمایش می دهند.اگر n¢  باشد لایه n¢ به هسته نزدیکتر است
و انرژی لازم برای فرستادن الکترون از لایهn¢ بهn از رابطه 2 محاسبه می شود

(2)      E=E_n-E_n¢

وقتی که الکترون انرژی بیشتری دارا باشد به علت کسب انرژی اضافی و بالا رفته سطح انرژی پتانسیل آن ناپایدارخواهد بود و اصطلاحا" اتمی را که دارای چنین الکترونی باشد اتم بر انگیخته می نامند. در صورتی که انرژی از محیط گرفته شود و منبع انرژی لازم برای بر انگیخته شدن الکترونها از میان رود الکترونها با از دست دادن انرژی به مدارهای پایین سقوط می کنند و همان میزان انرژی را که دریافت کرده اند آزاد خواهند کرد تا به سطح پایدار قبلی خودشان برسند

اگر معادله  شماره 2 را معکوس کنیم میزان انرژی را که آزاد می شود را می توانیم محاسبه کنیم.

E=E_n¢-E_n آزاد شده

که با توجه به علامت منفی که درون E نهفته است و همچنین بزرگتر بودن E_n از E_¢  با توجه به علامت E آزاد شده دارای علامت منفی خواهد بودکه این علامت نشان دهنده آزادشدن انرژی است.و در نتیجه علامت مثبت در رابطه(2) نشان دهنده گرفته شدن انرژی توسط الکترون از محیط است. همچنین میزان انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون مشخص در یک اتم نیز قابل محاسبه است. و دقیقا" این انرژی برابر(-E_n) آن الکترون خواهد بود. مثلا اگر الکترونی دارای انرژی13.6ev - در درون اتم باشد مقدار   13.6ev)=+13.6ev -(- انرژی برای جدا کردن کامل آن از قید هسته نیاز داریم. محاسبات دقیقتر برای این موضوع را
به شماره بعدی موکول می کنیم