مقاله در مورد نظریه اتمی و نظریه جنبشی
نظریه اتمی
هزاران سال، یونانیان باستان معتقد بودند که هر ماده خالص (مانند طلا، آهن و غیره) از اتم تشکیل شده است. به گفته آنها، اگر یک ماده خالص به قطعات کوچک برش داده شود، سپس قطعات کوچک دوباره برش داده شوند، سپس برش داده شوند... و به همین ترتیب، کوچکترین قطعاتی وجود خواهند داشت که دیگر قابل برش نیستند. کوچکترین قطعاتی که دیگر قابل برش نیستند، اتم نامیده می‌شوند. اتم به معنی "غیرقابل تقسیم" است (زبان یونانی)
در آن زمان، اتم دیگر قابل تقسیم در نظر گرفته نمی‌شد. اما بعدها برخی دانشمندان الکترون‌ها و هسته‌های اتمی (پروتون‌ها و نوترون‌ها) را کشف کردند، به طوری که این فرض که اتم‌ها قابل تقسیم نیستند، اشتباه بود. بنابراین، اتم‌ها از الکترون‌ها (با بار منفی) و هسته‌های اتمی تشکیل شده‌اند. الکترون‌ها به دور هسته می‌چرخند. در داخل هسته، پروتون‌ها (با بار مثبت) و نوترون‌ها (خنثی یا بدون بار) وجود دارند.
یک نظریه دیگر هم وجود دارد؛ نامش نظریه پیوسته است. این نظریه بیان می‌کند که مواد خالص را می‌توان تا بی‌نهایت تقسیم کرد. طبق این نظریه، چیزی به نام کوچکترین قطعه وجود ندارد. کوچکترین قطعات را می‌توان به قطعات کوچکتر برش داد. بنابراین، بی‌نهایت می‌شود. کدام یک از این دو نظریه صحیح است؟ نظریه اتمی صحیح یا نظریه پیوسته؟
در فیزیک، هر نظریه‌ای در صورتی از نظر علمی به رسمیت شناخته می‌شود که بتوان آن را در آزمایش‌ها اثبات کرد. در قرن‌های ۱۸، ۱۹ و ۲۰، از طریق آزمایش‌هایی که دانشمندان انجام دادند، نظریه اتمی درست بود.
ابتدا، بررسی‌های زیر را درک کنید. عناصر مواد خالصی هستند که نمی‌توان آنها را از نظر شیمیایی به مواد دیگر تقسیم کرد، به عنوان مثال طلا (Au)، آهن (Fe)، مس (Cu)، روی (Zn)، سدیم (Na)، کلسیم (Ca)، کلر (Cl)، نیتروژن (N)، اکسیژن (O)، هیدروژن (H) و غیره. علاوه بر عناصر، ترکیبات نیز وجود دارند. ترکیبات از عناصر تشکیل شده‌اند. از آنجایی که از عناصر تشکیل شده‌اند، ترکیب را می‌توان به عناصر تقسیم کرد. نمونه‌هایی از ترکیبات عبارتند از آب.
کوچکترین بخش یک عنصر، اتم است، در حالی که کوچکترین بخش یک ترکیب، مولکول است. مولکول‌ها از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که به هم چسبیده‌اند. طلای خالص نمونه‌ای از یک عنصر است. طلای خالص از اتم‌های طلا (Au) تشکیل شده است. قطعات آهن نیز نمونه‌ای از عناصر هستند. آهن از اتم‌های آهن (Fe) تشکیل شده است. بنابراین، عنصر یک ماده خالص است که از اتم‌های مشابه تشکیل شده است.
آبی که اغلب می‌بینید، در دست دارید و می‌نوشید از مولکول‌های آب تشکیل شده است (فرمول شیمیایی آن H2O است ) . مولکول‌های آب از دو اتم هیدروژن (H) و یک اتم اکسیژن (O) تشکیل شده‌اند.
در اینجا چند اثبات برای نظریه اتمی آورده شده است:
اول، قانون مقایسه مداوم.
قانون مقایسه بیان می‌کند که اگر عناصر با هم ترکیب شوند و به ترکیبات تبدیل شوند، ترکیبات تشکیل شده نسبت جرمی یکسانی دارند. به عنوان مثال، نمک. نمکی که می‌بینیم ترکیبی متشکل از مولکول‌های نمک (NaCl) است. به طور طبیعی، مولکول‌های نمک همیشه از ۲۳ قسمت سدیم (Na) و ۳۵ قسمت کلر (Cl) تشکیل می‌شوند.
نظریه پیوسته نمی‌تواند آن را توضیح دهد، اما نظریه اتمی می‌تواند آن را توضیح دهد. طبق نظریه اتمی، اتم‌ها کوچکترین اجزای یک عنصر هستند، به طوری که اتم‌ها دارای جرم هستند. نسبت جرم عناصر یک ترکیب باید با جرم نسبی اتم‌های تشکیل دهنده آن ترکیب مرتبط باشد. دانشمندان بر اساس تعداد هر عنصری که ترکیبات را ایجاد می‌کند، جرم نسبی اتم‌ها را تعیین می‌کنند. گفته می‌شود که این نسبت نسبی است زیرا جرم نسبی یک عنصر با جرم نسبی سایر اتم‌های عنصری مقایسه می‌شود.
هیدروژن سبک‌ترین اتم است، بنابراین به عنوان معیار استفاده می‌شود. جرم نسبی اتم هیدروژن (H) برابر با ۱ است. با استفاده از جرم نسبی اتم هیدروژن به عنوان معیار، جرم نسبی اتم کربن (C) برابر با ۱۲ است.
به جرم نسبی اتم اکسیژن (O) مقدار ۱۶ اختصاص داده شده است و به همین ترتیب (به جدول تناوبی عناصر مراجعه کنید). جرم نسبی یک اتم کربن = ۱۲ به این معنی است که جرم یک اتم کربن ۱۲ برابر بیشتر از جرم یک اتم هیدروژن (H) است. جرم نسبی یک اتم اکسیژن = ۱۶ به این معنی است که جرم یک اتم اکسیژن ۱۶ برابر بیشتر از جرم یک اتم هیدروژن (H) است.
در سیستم بین‌المللی (SI) ما یک استاندارد جرم داریم، به نام ایریدیوم پلاتین، که در مؤسسات بین‌المللی وزن و اندازه در فرانسه نگهداری می‌شود. طبق توافق بین‌المللی، جرم ایریدیوم پلاتین ۱ کیلوگرم است، که یک کیلوگرم استاندارد است. در مقیاس اتمی، ما یک استاندارد جرم دوم نیز داریم، که ۱۲ اتم کربن است. بر اساس توافق‌های بین‌المللی، جرم ۱ اتم کربن ۱۲ C برابر با ۱۲۰۰۰ واحد جرم اتمی واحد (به اختصار u) است.
۱ تو = ۱.۶۶ × ۱۰ -۲۷ کیلوگرم.
جرم ۱ اتم کربن (C) = ۱۲.۰۰۰۰ u، جرم ۱ اتم هیدروژن (H) = ۱.۰۰۷۸ u، جرم ۱ اتم اکسیژن (O) = ۱۵.۹۹۹۴ u، جرم ۱ اتم سدیم = ۲۲.۹۸۹۷ u و غیره. در مورد جرم اتمی، می‌توان آن را به طور کامل در جدول تناوبی عناصر مشاهده کرد.
علاوه بر جرم اتمی، جرم مولکولی نیز وجود دارد. جرم مولکولی، جرم کل اتم‌های یک مولکول است. به عنوان مثال، جرم یک مولکول نمک (NaCl) = جرم یک اتم سدیم (Na) + جرم یک اتم کلر (Cl). جرم مولکول‌های آب (H2O ) = جرم 2 اتم هیدروژن (H) + جرم یک اتم اکسیژن (O).
دوم، حرکت قهوه‌ای
در دوران باستان، یک زیست‌شناس انگلیسی به نام رابرت براون زندگی می‌کرد. او در حال تحقیق در مورد گرده‌های موجود در آب بود (۱۸۲۷). آب و گرده با استفاده از میکروسکوپ قابل مشاهده هستند. رابرت براون پس از دیدن حرکت گرده‌ها به تنهایی، متوجه این موضوع عجیب شد. عجیب است زیرا گرده‌ها حرکت می‌کنند. جهت حرکت گرده‌ها دلخواه اما پیوسته است. او گمان می‌کند که این حرکت یک موجود زنده است، جایی که گرده‌ها زندگی می‌کنند تا بتوانند حرکت کنند. اما حدس او اشتباه است زیرا ذرات آلی کوچک مانند گرده نیز هنگام قرار گرفتن در آب حرکت می‌کنند. این حرکت، حرکت براونی نامیده می‌شود.
این کشف تا زمان توسعه نظریه جنبشی قابل توضیح نیست.
نظریه جنبشی
جنبشی (Kinetic) به معنای حرکت کردن است (یونانی). نظریه جنبشی بیان می‌کند که هر ماده‌ای از اتم‌ها یا مولکول‌ها تشکیل شده است و اتم‌ها یا مولکول‌ها به طور تصادفی و پیوسته حرکت می‌کنند.
هنگام حرکت، اتم‌ها یا مولکول‌ها باید سرعت بگیرند. اتم‌ها یا مولکول‌ها نیز جرم دارند. از آنجا که اتم یا مولکول دارای جرم (m) و سرعت (v) است، پس انرژی جنبشی (EK) و تکانه (p) دارد. انرژی جنبشی: EK = 1/2 mv 2 . در حالی که تکانه: p = m v. علاوه بر تکانه، نیروها نیز وجود دارند. هنگام حرکت، احتمال برخورد وجود دارد. بنابراین، نیروها به دلیل تغییرات در تکانه هنگام وقوع برخورد ایجاد می‌شوند.
می‌توان گفت که نظریه جنبشی بر اساس انرژی جنبشی، تکانه و نیرو بنا شده است. این سه مورد در مبحث دینامیک حرکت (قوانین نیوتن، ضربه و تکانه) مورد مطالعه قرار می‌گیرند. تفاوت این است که در نظریه جنبشی، ما دینامیک را در سطح اتم‌ها یا مولکول‌ها اعمال می‌کنیم. نظریه جنبشی توسط بویل (1627-1691)، دانیل برنولی (1700-1782)، ژول (1818-1889)، کرونیگ (1822-1879)، رودولف کلاوزیوس (1822-1888) و کلرک ماکسول (1831-1879) توسعه داده شد.
وجود این نظریه جنبشی می‌تواند کشف براون را توضیح دهد. طبق نظریه جنبشی، گرده‌ها حرکت می‌کنند زیرا مولکول‌های آب با حرکت سریع آنها را به حرکت در می‌آورند. تعداد مولکول‌های آب بسیار زیاد است، بنابراین گرده‌ها از جهات مختلف تحت فشار قرار می‌گیرند.
بر اساس قانون مقایسه مداوم و کشف حرکت قهوه‌ای، نظریه اتمی به طور فزاینده‌ای مورد اعتقاد دانشمندان قرار می‌گیرد. اتم‌ها کوچکترین ذرات هر ماده‌ای هستند. بنابراین، اتم دارای اندازه است. اندازه یک اتم چقدر است؟
در سال ۱۹۰۵، انیشتین به صورت نظری اندازه اتم‌ها را بررسی کرد. او بر اساس نظریه اتمی، نظریه جنبشی و داده‌های به دست آمده از طریق آزمایش‌ها، دریافت که قطر اتم حدود ۱۰ به توان منفی ۱۰ متر است. بنابراین، قطر اتم از طریق محاسبه به دست می‌آید. اندازه اتم‌ها کشف شده است، بنابراین نظریه اتمی و همچنین نظریه جنبشی به رسمیت شناخته شده‌اند.
