خلاصه درس فصل ۳ علوم هشتم؛ درسنامه و نکات مهم

شاید فکر کنی اتم آخرین و کوچک‌ترین قطعهٔ سازندهٔ ماده است؛ اما خود اتم هم ذره‌های کوچک‌تری دارد: الکترون، پروتون و نوترون. برای شروع، نام این سه ذره و تفاوت جرمشان را بشناس.

هر سه ذره جرم دارند، ولی جرمشان یکسان نیست. جرم پروتون و نوترون تقریباً برابر است؛ در مقابل، جرم الکترون بسیار کمتر از هر کدام از آنهاست. وقتی کتاب جرم نسبی الکترون را تقریباً صفر می‌گیرد، منظورش این نیست که الکترون واقعاً هیچ جرمی ندارد؛ فقط در این مقایسه بسیار سبک است.

مثل مقایسهٔ جرم یک پر با یک توپ سنگین: ممکن است در یک حساب تقریبی از جرم پر چشم‌پوشی کنیم، اما پر بی‌جرم نیست.

حالا ویژگی دیگری را بررسی کنیم: بار الکتریکی. پروتون بار نسبی $+1$ و الکترون بار نسبی $-1$ دارد. نوترون بی‌بار است و بار نسبی آن $0$ است. پس اندازهٔ بار یک پروتون و یک الکترون برابر است، اما علامت آنها مخالف است.

برای فهم خنثی شدن، یک امتیاز مثبت و یک امتیاز منفی را در نظر بگیر که جمعشان صفر می‌شود. به همین ترتیب، بار یک پروتون و یک الکترون همدیگر را خنثی می‌کنند. در اتم خنثی، تعداد این دو ذره برابر است و مجموع بارها صفر می‌شود.

در شکل کتاب، هیدروژن یک پروتون و یک الکترون دارد؛ کربن شش پروتون و شش الکترون دارد. هر دو خنثی‌اند. نوترون‌ها در این جمع بار نقشی ندارند؛ بی‌بار بودن اتم به معنی نداشتن ذرهٔ باردار نیست.

چه چیزی مشخص می‌کند یک اتم هیدروژن است یا کربن؟ پاسخ، تعداد پروتون‌ها است. به تعداد پروتون‌های اتم، عدد اتمی می‌گوییم. هر اتم هیدروژن یک پروتون دارد و هر اتم کربن شش پروتون دارد؛ بنابراین عدد اتمی هیدروژن $1$ و عدد اتمی کربن $6$ است.

عدد اتمی را مثل یک نشانهٔ شناسایی برای نوع عنصر در نظر بگیر. اگر تعداد پروتون‌ها تغییر کند، دیگر با اتم همان عنصر روبه‌رو نیستیم. البته این تغییر به‌آسانی انجام نمی‌شود.

حواست باشد عدد اتمی، مجموع همهٔ ذره‌های اتم نیست و تعداد نوترون‌ها را هم نشان نمی‌دهد. مثلاً اتم کربنِ شکل کتاب با اینکه چندین الکترون و نوترون هم دارد، عدد اتمی‌اش فقط از شمردن پروتون‌ها به دست می‌آید.

هر عنصر از یک نوع اتم تشکیل شده است و برای معرفی آن، از نشانهٔ شیمیایی استفاده می‌کنیم. این نشانه مثل نام کوتاه عنصر است؛ مثلاً هیدروژن را با $\mathrm{H}$ و نئون را با $\mathrm{Ne}$ نشان می‌دهند. هنگام خواندن و نوشتن نشانه، شکل حروف را دقیق نگه دار.

عدد اتمی در سمت چپ و پایین نشانه نوشته می‌شود. مثلاً در ${}_{10}\mathrm{Ne}$، نشانه می‌گوید عنصر نئون است و عدد پایین می‌گوید هر اتم آن ده پروتون دارد. اگر اتم خنثی باشد، ده الکترون هم دارد.

پس برای خواندن چنین نوشته‌ای، دو پرسش بپرس: «نام عنصر چیست؟» و «چند پروتون دارد؟» از همین نوشته نمی‌توان تعداد نوترون‌ها را تعیین کرد؛ عدد کنار نشانه، شمار همهٔ ذره‌ها نیست.

هر عنصر از یک نوع اتم ساخته شده و نشانهٔ شیمیایی ویژه‌ای دارد؛ مثل یک برچسب کوتاه برای شناختن آن. برای نمونه، نشانهٔ هیدروژن $\mathrm{H}$ و نشانهٔ نئون $\mathrm{Ne}$ است.

عدد کوچکی که در سمت چپ و پایین نشانه نوشته می‌شود، عدد اتمی است. این عدد، تعداد پروتون‌های اتم را نشان می‌دهد. در اتم خنثی، تعداد الکترون‌ها نیز با تعداد پروتون‌ها برابر است؛ پس از روی همین عدد می‌توان تعداد هر دو را شناخت.

حواست باشد: این نشانه به‌تنهایی تعداد نوترون‌ها را به ما نمی‌گوید. برای شناختن نوترون‌ها به اطلاعات دیگری نیاز داریم.

اگر نتوانیم چیزی را مستقیم ببینیم، آیا هیچ راهی برای شناختنش نداریم؟ فرض کن وسیله‌ای در یک جعبهٔ بسته است؛ از صدایی که با حرکت دادن جعبه می‌شنوی، می‌توانی دربارهٔ آن حدس‌هایی بزنی. این شناخت، غیرمستقیم است.

دانشمندان هم برای شناخت درون اتم، آزمایش انجام دادند و از نتیجه‌های آن کمک گرفتند. سپس مدل ساختند؛ یعنی تصویری برای توضیح ساختار اتم بر پایهٔ اطلاعات آزمایش‌ها ارائه کردند.

پس مدل اتمی، عکسِ گرفته‌شده از درون اتم نیست. یکی از مدل‌هایی که برای توضیح جای ذره‌های اتم پیشنهاد شد، مدل بور است. در کارت بعد می‌بینیم این مدل چه تصویری از اتم می‌دهد.

در مدل بور، هسته در مرکز اتم قرار دارد و جای پروتون‌ها و نوترون‌هاست. الکترون‌ها بیرون هسته، در مسیرهای دایره‌ای به نام مدار حرکت می‌کنند. این تصویر یادآور حرکت سیاره‌ها دور خورشید است؛ به همین دلیل به آن مدل منظومهٔ شمسی هم می‌گویند. البته این یک شباهت در مدل است، نه اینکه اتم واقعاً یک منظومهٔ کوچک باشد.

برای رسم مدل اتم‌های این درس، الکترون‌ها را از مدار نزدیک‌تر به هسته می‌چینیم. مدار اول حداکثر $2$ الکترون و مدار دوم حداکثر $8$ الکترون جا دارد. بنابراین الکترون سوم باید در مدار دوم قرار بگیرد، حتی اگر روی کاغذ بتوانی نقطهٔ دیگری در مدار اول بکشی؛ ملاک، ظرفیت مدار است، نه فضای نقاشی!

آیا دو اتم از یک عنصر باید در همه‌چیز یکسان باشند؟ نه! اتم‌های یک عنصر تعداد پروتون یکسانی دارند، اما ممکن است تعداد نوترون‌هایشان متفاوت باشد. به چنین اتم‌هایی ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم. پس متفاوت بودن نوترون‌ها، به‌تنهایی اتم را به عنصر دیگری تبدیل نمی‌کند.

برای مقایسهٔ هسته‌ها، از عدد جرمی هم استفاده می‌کنیم:

$\text{عدد جرمی}=\text{تعداد پروتون‌ها}+\text{تعداد نوترون‌ها}$

الکترون‌ها در این جمع شمرده نمی‌شوند. ایزوتوپ‌های یک عنصر، عدد اتمی برابر ولی عدد جرمی متفاوت دارند. راه سادهٔ تشخیص این است: اول پروتون‌ها را مقایسه کن تا بفهمی عنصر یکی است یا نه؛ بعد نوترون‌ها را مقایسه کن تا ایزوتوپ‌ها را بشناسی.

وقتی با مداد می‌نویسی، با ماده‌ای سروکار داری که اتم‌های کربن دارد؛ اما همهٔ این اتم‌ها از نظر تعداد ذره‌های هسته کاملاً شبیه نیستند. هویت هر عنصر را تعداد پروتون‌های آن تعیین می‌کند. پس اگر دو اتم تعداد پروتون یکسانی داشته باشند، به یک عنصر تعلق دارند.

حالا اگر تعداد نوترون‌های همین دو اتم متفاوت باشد، آنها را ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌نامیم. برای نمونه، ایزوتوپ‌های کربن همگی $6$ پروتون دارند، ولی تعداد نوترون‌هایشان می‌تواند $6$، $7$ یا $8$ باشد. بنابراین تفاوت در نوترون‌ها، کربن را به عنصر دیگری تبدیل نمی‌کند. برای تشخیص ایزوتوپ‌ها، اول یکسان بودن پروتون‌ها و بعد متفاوت بودن نوترون‌ها را بررسی کن.

برای مشخص کردن ایزوتوپ‌ها، باید بتوانیم تعداد ذره‌های هسته را بیان کنیم. عدد جرمی مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌هاست:

$\text{عدد جرمی}=\text{تعداد پروتون‌ها}+\text{تعداد نوترون‌ها}$

عدد اتمی هم تعداد پروتون‌ها را نشان می‌دهد. در نماد $^{13}_{6}\mathrm{C}$، عدد $13$ در بالا و سمت چپ، عدد جرمی است و عدد $6$ در پایین و سمت چپ، عدد اتمی است. این ایزوتوپ را «کربن سیزده» می‌نامیم؛ یعنی عددی که پس از نام عنصر می‌آید، عدد جرمی آن است.

الکترون‌ها در حساب کردن عدد جرمی وارد نمی‌شوند. همچنین عدد جرمی را با تعداد نوترون‌ها اشتباه نگیر؛ برای پیدا کردن تعداد نوترون‌ها باید تعداد پروتون‌ها را از عدد جرمی کم کنی.

ایزوتوپ بودن به‌خودی‌خود به معنای پرتوزا بودن نیست. بعضی ایزوتوپ‌ها ناپایدارند و خاصیت پرتوزایی دارند؛ برای نمونه، ایزوتوپ $^{3}_{1}\mathrm{H}$ از ایزوتوپ‌های ناپایدار هیدروژن است. ماده‌ای که ایزوتوپ پرتوزا داشته باشد، مادهٔ پرتوزا نامیده می‌شود.

مواد پرتوزا ممکن است خطرناک باشند، اما استفادهٔ کنترل‌شده از آنها کاربردهای مفیدی دارد: تأمین انرژی، شناسایی و درمان بیماری‌ها و تشخیص آتش‌سوزی از نمونه‌های کتاب‌اند. در ایران نیز داروهایی با استفاده از ایزوتوپ‌ها برای درمان سرطان تولید می‌شود. پس دو نکته را کنار هم به یاد بسپار: همهٔ ایزوتوپ‌ها پرتوزا نیستند و داشتن کاربرد مفید هم به معنای بی‌خطر بودن یک ماده نیست.

نمک خوراکی از ذره‌هایی به نام یون ساخته شده است. برای فهمیدن یون، از اتم خنثی شروع کن: در اتم خنثی، تعداد پروتون‌های مثبت و الکترون‌های منفی برابر است و بارهایشان یکدیگر را خنثی می‌کنند.

اگر اتم الکترون از دست بدهد، تعداد پروتون‌هایش از الکترون‌هایش بیشتر می‌شود و یون مثبت تشکیل می‌دهد. اگر الکترون بگیرد، تعداد الکترون‌هایش بیشتر می‌شود و یون منفی به وجود می‌آید. یون، ذره‌ای دارای بار الکتریکی است.

در تشکیل نمک، اتم سدیم یک الکترون از دست می‌دهد و به $\mathrm{Na}^{+}$ تبدیل می‌شود؛ اتم کلر یک الکترون می‌گیرد و به یون کلرید، $\mathrm{Cl}^{-}$، تبدیل می‌شود. دقت کن: تغییر تعداد نوترون‌ها به ایزوتوپ مربوط است، ولی گرفتن یا از دست دادن الکترون به تشکیل یون مربوط می‌شود.