وبلاگ

مدل اتمی بور كه تا پیش از پیدایش مكانیک كوانتومی،كاملترین نظریه در توصیف جهان خُرد بود، نمی توانست در مورد قواعد انتخاب اتم هیدروژن اظهار نظر درستی نماید. بر طبق چنین قواعدی كه از لحاظ تجربی مشاهده شده بودند، تنها ترازهای معینی از انرژی دیده می شوند. در واقع الكترون اتم هیدروژن، هر انرژی دلخواهی ندارد و تنها مقید به برخی انرژی های معین است. نظریه اتمی بور كه امروزه نظریه كوانتوم قدیم خوانده می شود، ریشه های در مكانیک كوانتومی نداشت و اصول خود را از مكانیک كلاسیک به وام می‎گرفت. با این حال، نظریه بور به وضوح، گسستگی ترازهای انرژی را در اتم هیدروژن نشان می داد. در این نظریه علاوه بر انرژی، اندازه حركت زاویهای هم كمیتی گسسته بود. حتی فضای حركت الكترون به دور دسته هم محدود به مدارهای خاص با فاصله معینی از هسته می‎شد. تمایز نظریه كوانتوم قدیم و مكانیک كلاسیک در گسسته بودن مقادیر كمیتهایی مثل انرژی و اندازه حركت زاویه های بود.همان طور كه در شكل 1-1 می‎بینید در نظریۀ  بور، الكترون روی ترازهایی با انرژی و شعاع معین از هسته قرار دارد.

این نظریه عدم سقوط الكترون بر روی هسته اتم هیدروژن را نیز توجیه می نمود. چون الكترون تنها می تواند در مدارهای معینی باشد، در گذر از مداری به مدار دیگر، انرژی از خود نشر میكند كه مقدار آن دقیقاً برابر با انرژی جدا كنندگی این دو تراز از همدیگر است. اوایل قرن بیستم آزمایشات جدیدی آغاز شد كه نكاتی را در مورد صحت و سقم مكانیک سیالات آشكار ساخت. یكی از آنها كه ظرفیت گرمای در حجم ثابت و در فشار ثابت  اجسام بود.[1و11]

شکل 1-1 نمایش حرکت الکترون در فضای اطراف هسته در مدل اتمی بور

طبق نظریۀ كلاسیک و بر اساس اصل همبخشی سهم ارتعاش  باید برابر  باشد اما در عمل وابستگی دمایی زیادی برای  مشاهده شد. در ابتدا ماكس پلانك بود كه با فرض گسسته بودن مقادیر انرژی، توانست مدلی رضایتبخش برای توصیف تابش دمایی از یک كاواك فراهم سازد. نظریه ی وی به دلیل این فرض بسیار عجیب و غیرمتداول كه انرژی مقادیر گسسته ای دارد، طرد شد. اما چند سال بعد اَینشتن در آزمایش فتوالكتریک درستی این فرض را نشان داد. وی طی آزمایشی كه به اثر فتوالكتریک معروف شد نشان داد كه تنها مقادیر معینی از انرژی مجاز هستند و انرژی، كمیتی گسسته است. در این آزمایش سطح صاف فلزی مانند  را تحت تابش قرار می دهند و دو سر آن را به دو الكترود وصل می‎كنند. جریان الكتریكی ناشی از كنده شدن الكترونها باعث ثبت اختلاف ولتاژ میشود. در این آزمایش نور رفتار بسیار متفاوتی با آنچه كه در مورد آن دانسته می شد ارائه داد.[1]

طبق مكانیک كلاسیكی فرض می شود كه انرژی تابش متناظر با شدت تابش است. بنابراین در آزمایش فتوالكتریک انتظار می رفت كه با افزایش شدت نور تابیده شده به سطح فلز، جریان بیشتری حاصل آید. اما در عمل با افزایش شدت نور هیچ تغییری در جریان خروجی حاصل نشد. از سوی دیگر در مكانیک كلاسیک با افزایش فركانس نباید تغییری در شدت جریان رخ دهد. اما مشاهده شد كه با افزایش فركانس و رسیدن به حد معینی (فركانس آستانه) شدت جریان زیاد میشود. پس آزمایش نشان می دهد كه انرژی به فركانس بستگی دارد. آینشتن سرانجام رابطۀ زیر را برای توصیف این پدیده پیشنهاد نمود:

در اینجا  فركانس آستانه است كه اگر فركانس تابش كمتر از آن باشد جذبی صورت نمیگیرد و  انرژی جنبشی الكترون خروجی از سطح است. وی پیشنهاد نمود كه نور باید رفتار غیر موجی داشته باشد و باید ذرهای عمل نماید. پیش از این نیز نیوتن ماهیت ذرهای برای نور قائل بود. اما آزمایش هایی مثل آزمایش یانگ (آزمایش دو شكاف) موجی بودن نور را نشان میدادند. در آزمایش یانگ با گذشتن نور از

 دو شكاف در كنار هم الگوی پراشی در پرده مشاهده می شود كه به سادگی از مكانیک موجی نتیجه گرفته می‎شود[8و1].

شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف

اما نظریه‎ی كوانتومی بر پایه‎ی گسسته بودن مقادیر كمیت‎ها به رشد خود ادامه داد و پس از فرمول‎بندی در سال 1925 توسط هایزنبرگ و 1926 توسط شرودینگر تا اوایل دهه چهل، آن قدر مسائل لاینحلی را حل نمود كه قابل تصور نبود. مكانیک كوانتومی نظریه ای كاملاً آماری است و بسیاری از قواعد آماری كلاسیک در آن موجود هستند. با این تفاوت كه آمار در مكانیک كلاسیک برای مجموعه ای از سیستم ها و به دلیل جهل ما از وضعیت كامل سیستم استفاده می‎شد، اما در مكانیک كوانتومی به دلیل این كه پدیده‎ها ذاتاً آماری هستند مورد استفاده قرار میگیرد. حتی آمار كوانتومی برای تك سیستم های منفرد وجود دارد. مضاعف بر این كه احتمال در مكانیک كوانتومی ارجاع به وضعیت حال سیستم ندارد و تنها در مورد پس از انجام عمل اندازه گیری است. اما در مكانیک كلاسیك، احتمال وضعیت فعلی سیستم را تشریح می‎كند.[8]

به فاجعه ماوراءبنفش معروف شد شكست مطلق مكانیک آماری كلاسیک در توصیف تغییرات مضرّات و آثار سوء کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت مربوط به انواع مختلف آلودگی[1] آب، هوا، خاک، پسماندهای خطرناک[2]، فلزات سنگین و غیره بر کسی پوشیده نیست. امروزه در سراسر گیتی، هزینه هایی گزاف در راستای کنترل و بی خطرسازی آلاینده ها مصرف می گردد و بدیهی است کشور ما نیز با توجه به روند پرشتاب توسعه، از این امر مستثنی نخواهد بود. بنابراین، هرگونه پژوهش مفید در این زمینه ها می تواند کمکی قابل ملاحظه به حفاظت و صیانت از محیط زیست و تضمین سلامت مردم نماید؛ ضمن آنکه پدیده مخرب ریزگردها[3] را نیز که استان های کشور به طور جدی با آن دست به گریبان هستند نباید به فراموشی سپرد.

از طرف دیگر، پدیده های مرتبط با مقیاس نانو در بسیاری از فرایندهای محیط زیستی غالب هستند؛ بنابراین، اینگونه میانکنش ها دارای اهمیت ویژه در حوزه محیط زیست و سلامت انسان می‎باشند. با توجه به اینکه واکنش های رایج در مقیاس نانو، ذاتاً در سطح مولکولی روی می دهند، هماهنگی دقیق در خصوص مطالعه ذراتِ در مقیاس نانو مرتبط با سیستم های طبیعی از یکسو، و قوانین شیمی کوانتومی[4] و شیمی محاسباتی[5]  وجود دارد. [9و7]

مبنای شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، مدلسازی و انجام محاسبات بسیار پیچیده، طولانی و زمان بر،  براساس تحلیل انواع مختلف معادلات شرودینگر[6] و دیگر مدلهای ریاضی پیشرفته در مکانیک کوانتومی میباشد که از طریق به کارگیری کامپیوترهای با کیفیت و قدرتمند و استفاده از نرم افزارهای کاملاً تخصصی، مطالعه و پژوهش در این زمینه ها انجام می‎پذیرد.

نظر به اینکه ذرات بسیار ریز مقیاس، ویژگی های خاصی را از خود نشان می‎دهند به طوری که می‎توان آنها را به تفکیک مطالعه کرد و همچنین واکنش های آنها را در ارتباط با سایر نانوذرات بررسی نمود، توجهی خاص به پژوهش در این مسیر معطوف شده است. به ویژه در مورد نانوذرات، بررسی خصوصیاتِ مرتبط با مقیاس اتمیِ اینگونه ذرات در محیط زیست، انواع برهم‎کنش های احتمالی و به خصوص، امکان پیش بینیِ نتایجِ متنوع حاصله و مسیرهای کنترل آنها در محیط زیست، حائز اهمیت فوق العاده است.

در اغلب موارد، نانوذرات با به اصطلاح میزبان‎هایی دیگر نیز مرتبط و همساز می‎باشند؛ بطور مثال، از اینگونه میزبان ها در محیط زیست می توان به نانوذرات فلزی موجود در سولفیدها، هسته های کربنی ترکیبات آلی، سولفیدهای آرسنیک، سولفیدها یا اکسیدهای آهن و همچنین نانوذرات اتمسفری موجود در ریزگردها اشاره نمود.ساختار نانوذرات، پایداری، ویژگی های شیمیایی، بار الکتریکی، حالات الکترونی، خصوصیات مغناطیسی و سرانجام، میانکنش های نانوذرات در محیط زیست، بستگی به نحوه ارتباطات آنها با سایر ذرات، مولکولها و میزبان ها دارد؛ بنابراین، مهندسی مولکولی و درک دقیق اینگونه ارتباطات در سطح اتمی بسیار ضروری است. [6و1]

ب) اهمیت شیمی کوانتومی در محیط زیست:

به منظور مطالعه و دریافت جزئیات ویژه مربوط به موارد فوق الاشاره در هر مکان جغرافیایی و زیست محیطی خاص، لازم است ترکیبی از روش های علمی مدرن در مقیاس نانوذرات به کار گرفته شود؛ در این خصوص، مهمترین تکنیک برای درک کامل فرایندهای شیمی– فیزیکی مشاهده شده، استفاده از شبیه سازی ها[7] و روش های علمی سطح بالا مبتنی بر مکانیک کوانتومی[8]، شیمی کوانتومی، شیمی محاسباتی و دینامیک مولکولی[9] می‎باشد. بعلاوه، با توجه به اینکه دستیابی به بسیاری از ویژگی های ساختاری و الکترونی نانوذرات و چگونگی ارتباطات و واکنش های آنها با سایر ترکیبات در محیط زیست، به صورت آزمایشگاهی بسیار مشکل و حتی در مواردی غیر ممکن است، شبیه سازی های دقیق مولکولی میتوانند به نحوی شایسته و قابل توجه، منجر به درک پدیده ها و فرایندهای مقیاس نانو و خواص مولکولی شوند که از جمله می توان به طول و زاویه پیوندها، ممان دو قطبی، تفاوت سطوح انرژی، توضیح طیف های مولکولی، پایداری مولکول ها، پیش بینی خواص آروماتیکی، فرکانس ها و شدت خطوط طیفی، مکانیسم واکنشهای الکتروشیمیایی و … اشاره نمود.

از دو دیدگاه تئوریک و کاربردی، بررسی نانوذرات در محیط زیست و برهمکنش های آنها با سایر ترکیبات در مقیاس مکانیک کوانتومی، اهمیت بسیار دارد. در مقایسه با سایر روش های تجربی، فقط مکانیک کوانتومی قادر به دریافت ویژگی های فیزیک وشیمیایی نانوذرات می باشد؛ بر این اساس، مطالعه و کسب اطلاعات در خصوص ویژگی های الکترونی و مغناطیسی، چه از جنبه تأثیرات آنها بر پایداری مواد و هم از نظر نوع واکنش های احتمالی و پیش بینی نتایج حاصله، فقط از طریق محاسبات کوانتومی آبینیشیو[10] امکان پذیر است. با توجه ویژه به این موضوع که واکنش های اتم – اتم درون نانوذرات، نحوه واکنش با میزبانها و میانکنش های احتمالی، از طریق به کارگیری روش های مبتنی بر مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک آماری[11] قابل دستیابی است، بسیار مهم است که با بهره گرفتن از اطلاعات دریافت شده از مدل های مکانیک کوانتومی سطح بالا، بتوان سایر روش های مناسب تجربیِ مدلسازی مولکولی مبتنی بر میدان های نیرو[12] را نیز توسعه بخشید و مجموعه پارامترها و توابع را تعیین نمود. [5و2]