شناخت اتم و مدل‌های اتمی

زوميت/ شناخت اتم، سر آغاز شناخت مواد و اجزاي سازنده در جهان است. براي شناخت جهان پهناورمان بايد از کوچک‌ترين واحدها شروع کنيم. گفته مي‌شود که انسان در قرن بيستم توانست قدرت اتم را تحت کنترل خود در بياورد. ما بمب‌هاي اتمي ساختيم و با استفاده از توان هسته‌اي، الکتريسيته توليد کرديم. ما حتي اتم را به بخش‌هاي کوچک‌تري به‌نام ذرات زيراتمي تبديل کرديم. اما يک اتم درحقيقت چيست؟ از چه موادي تشکيل شده است؟ به چه شکلي است؟ ساختار اتم و ويژگي‌هاي مربوط‌به آن زمينه‌هاي زيادي در علوم شيمي و فيزيک را دربرمي‌گيرد و شايد حتي يکي از بزرگ‌ترين بخش‌هاي علوم مدرن باشد. ما در اين مقاله به داستان‌هاي جالب در اکتشافات علوم مختلف مي‌پردازيم؛ اکتشافاتي که بينش امروزي ما از اتم را تشکيل مي‌دهند. ابتدا به ترتيب درمورد ساختار اتم و چگونگي تأثير ساختار آن بر فناوري‌هاي جديد مي‌پردازيم. اتم؛ ميراثي از دوره‌هاي دوردست تا قرن نوزدهم ديدگاه مدرن در مورد اتم از زمينه‌هاي مختلفي در شيمي و فيزيک نشئت مي‌گيرد. ايده‌ي اتم از علوم و فلسفه يونان باستان و همچنين نتايج علم شيمي قرن ۱۸ و ۱۹ سرچشمه مي‌گيرد و موارد زير را دربردارد: مفهوم اتم اندازه‌گيري جرم اتمي رابطه تکرارشونده و يا تناوبي بين عناصر مفهوم اتم از زمان‌ يونان باستان تاکنون ما هميشه در اين فکر بوديم که يک ماده‌ي معمولي از چه موادي تشکيل شده است. براي اينکه سوال را بهتر درک کنيد به توضيح ساده‌اي از کتابي به نام ساختار The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, 3rd Edition از کارل اچ.اسنايدر مي‌پردازيم: ۱. چند گيره کاغذ برداريد (همگي با رنگ و اندازه يکسان) ۲. گيره‌ها را به دو دسته مساوي تقسيم کنيد ۳. دوباره هر دسته را به دو دسته مساوي ديگر تقسيم کنيد ۴. تقسيم کردن را تا جايي ادامه دهيد که تنها يک گيره باقي بماند. اين تک گيره باز هم کار نگه داشتن کاغذ را به‌خوبي انجام مي‌دهد. ۵. حالا با استفاده از يک قيچي گيره را از وسط ببريد. آيا گيره نصف‌شده مي‌تواند کار نگه داشتن کاغذ را انجام دهد؟ اگر شما فرآيند بالا را درمورد عناصر هم انجام دهيد، درنهايت به يک بخش غيرقابل تقسيم مي‌رسيد که آن بخش (کوچک‌ترين بخش) خواص يکساني با کل مجموعه‌ي عنصر دارد. بخش غيرقابل تقسيم، اتم نام دارد. ايده اتم ابتدا در سال ۵۳۰ قبل از ميلاد مسيح توسط دموکريت مطرح شد. در سال ۱۸۰۸ يک معلم مدرسه انگليسي به‌نام جان دالتون نظريه اتمي مدرن را مطرح کرد. طبق نظريه اتمي مدرن با زبان ساده: هر عنصري از اتم‌هايي تشکيل شده است (مانند گيره کاغذ). تمامي اتم‌هاي عنصر يکسان هستند (همه گيره‌هاي کاغذ اندازه و رنگ يکساني داشتند). اتم‌هاي عناصر مختلف، متفاوت‌اند (از نظر اندازه و خواص) همان‌طور که اندازه و رنگ گيره‌هاي کاغذ متفاوت است. اتم‌هاي عناصر خاص با پيوند با يکديگر، يک ترکيب را تشکيل مي‌دهند. (شما مي‌توانيد با چند گيره مختلف، ساختارهاي جديدي را به وجود بياوريد) اتم‌ها در واکنش‌هاي شيميايي ساخته نمي‌شوند، از بين نمي‌روند، و يا تغيير نمي‌کنند (هيچ گيره کاغذي خودبه خود ظاهر نمي‌شود، از بين نمي‌رود و يا اندازه و رنگ آن تغيير نمي‌کند) تعداد انواع اتم‌ها در هر ترکيبي ثابت است (مجموع و انواع گيره‌هاي کاغذي که شما کارتان را با آنها شروع مي‌کنيد ثابت است) نظريه‌ي اتمي دالتون پايه و اساس شيمي آن زمان را شکل داد. دالتون اتم‌ها را مانند کره‌هاي کوچکي مي‌ديد که به‌وسيله قلاب‌هايي به اتم‌هاي ويژه‌ي ديگري ، به مقدار مشخصي متصل مي‌شدند. اما برخي از عناصر مي‌توانند ترکيب شوند و ترکيب متفاوتي را به‌وجود بياورند (مثلا هيدروژن و اکسيژن مي‌توانند آب يا هيدروژن پراکسيد را به‌وجود بياورند). بنابراين دالتون نتوانست درمورد تعداد هر اتم در مولکول‌هاي مواد خاص حرفي بزند؛ مثلا اينکه آيا آب داراي يک اکسيژن و يک هيدروژن است، يا داراي يک اکسيژن و دو هيدروژن است؟ تعداد زماني مشخص شد که شيميدان‌ها توانستند شمار اتم‌ها را اندازه‌گيري کنند. پيش از ادامه‌ي متن به چند اصطلاح مهم که احتمالا از دوران دبيرستان به‌ياد داريد مي‌پردازيم: اتم: کوچک‌ترين بخش يک عنصر که خواص شيميايي آن عنصر را دربردارد. ترکيب: ماده‌اي که مي‌تواند با واکنش شيميايي به عناصر مختلف شکسته شود. الکترون: ذره‌اي با بار منفي که به دور هسته اتم مي‌چرخد (جرم= ۹.۱۰ × ۱۰-۲۸ گرم) عنصر: موادي که با واکنش‌هاي شيميايي به بخش‌هاي کوچک‌تري تقسيم نمي‌شوند. يون: اتمي با بار الکتريکي (يعني بار اضافي مثبت يا منفي) مولکول: کوچک‌ترين بخش ترکيب که خواص شيميايي ترکيب را درخود دارد ( از دو يا چند اتم تشکيل شده است) نوترون: ذره‌اي بدون بار در هسته اتم (جرم= ۱.۶۷۵ ×۱۰-۲۴ گرم) هسته: بخش مرکزي متراکم اتم ( که از پروتون و نوترون تشکيل شده است) پروتون: ذره‌اي با بار مثبت در هسته اتم (جرم= ۱.۶۷۳ × ۱۰-۲۴ گرم) وزن اتم‌ها چقدر است؟ مدل ساده از اتم atom ساده‌ترين مدل يک اتم توانايي اندازه‌گيري کمي اتم‌ها توسط مشاهدات يک شيميدان ايتاليايي به‌نام آمادئو آووگادرو مطرح شد. آووگادرو روي گازها (نيتروژن، هيدروژن، اکسيژن و کلر) کار مي‌کرد و متوجه شد که وقتي دما و فشار يکسان باشند، اين گازها با حجم مشخصي ترکيب مي‌شوند. به‌عنوان مثال: يک ليتر نيتروژن با سه ليتر هيدروژن ترکيب مي‌شود و آمونياک (NH3) را توليد مي‌کند. يک ليتر هيدروژن با يک ليتر کلر ترکيب مي‌شود و هيدروژن کلريد (HCl) را توليد مي‌کند. طبق بيان آووگادرو، تحت دما و فشار يکسان، حجمي مساوي از گازها داراي تعداد ثابتي از مولکول‌ها هستند. بنابراين با اندازه‌گيري حجم گازها مي‌توان جرم اتمي را مشخص کرد. به‌عنوان مثال، يک ليتر اکسيژن ۱۶ برابر سنگين‌تر از يک ليتر هيدروژن است؛ بنابراين جرم اتم اکسيژن بايد ۱۶ برابر جرم اتم هيدروژن باشد. چنين کاري منجربه مقياس جرمي نسبي عناصر شد که در آن همه‌ي عناصر نسبت به کربن (استاندارد ۱۲) ارزيابي مي‌شوند. زماني که مقياس جرم نسبي شکل گرفت، آزمايش‌هاي بعد از آن توانستند جرم مواد بر حسب گرم را به تعدادي از اتم‌ها و واحد جرم اتمي نسبت دهند. هر يک واحد جرم اتمي يا دالتون برابر است با ۱۰۲۴ × ۱/۶۶. شيميدان‌ها در آن زمان به جرم اتمي عناصر و خواص شيميايي آنها پي بردند و با پديده‌ي جديدي روبرو شدند. خواص عناصر، يک الگوي تکرارشونده را نشان دادند زماني که جرم اتمي کشف شد، شيميداني روسي به‌نام ديميتري مندليف شروع‌به نوشتن يک کتابچه کرد. او براي نوشتن کتابچه‌ي خود، ابتدا شروع‌ به مرتب کردن عناصر با توجه‌به خواص آنها کرد و اتم‌ها را با توجه‌ به جرم اتمي آنها در نظر گرفت. او عناصر را به ترتيب افزايش جرم اتمي در کنار همديگر قرار داد و متوجه شد که عناصر با خواص مشابه در يک دوره (رديف افقي جدول تناوبي) خاص قرار مي‌گيرند. جدول مندليف داراي دو ايراد بود: چند جاي خالي در جدول وجود داشت. اکثر عناصر گروه‌بندي‌شده با توجه‌به خواص‌شان و افزايش جرم اتمي، خارج از نظم و روال جدول بودند. مندليف براي توضيح جاهاي خالي آنها را به عناصر کشف‌نشده نسبت داد. درواقع جدول او وجود عناصر کشف‌نشده‌ (در آن زمان) گاليوم و ژرمانيوم را پيش‌بيني کرده بود. اين عناصر بعدا کشف شدند. اما مندليف موفق نشد که دليل خارج از نظم بودن عناصر و اينکه چرا آنها در دوره‌اي خاص چنين رفتاري دارند، توضيح دهد. درواقع فهميدن دليل چنين موضوعاتي نيازمند دانش اساسي درمورد ساختار اتم بود. ساختار اتم: علوم اوايل قرن بيستم براي اينکه ساختار اتم را بشناسيم ابتدا بايد پاسخ پرسش‌هاي زير را بدانيم: اتم چه بخش‌هايي دارد؟ نحوه‌ي قرارگيري اين بخش‌ها چگونه است؟ تا اواخر قرن نوزدهم، نظريه‌ي اتمي دالتون پابرجا بود (اتم تنها يک کره کوچک غيرقابل ديدن است). اما مجموعه‌اي از کشف‌ها در علوم شيمي، الکتريسيته، مغناطيس، راديواکتيويته يا پرتوزايي، مکانيک کوانتومي در اواخر قرن ۱۹ و اوايل قرن ۲۰ همه‌ي موارد قبلي را تغيير داد. در زير به چند زمينه‌ي جديد کشف‌شده توسط اين علوم مي‌پردازيم: بخش‌هاي يک اتم: علم شيمي و الکترومغناطيس باعث کشف الکترون (اولين ذره زيراتمي) شد. راديواکتيويته هم باعث کشف پروتون، نوترون و هسته شد. نحوه قرارگيري بخش‌هاي اتم: مکانيک کوانتومي تمامي بخش‌هاي اتم را به‌صورت يکجا مورد بررسي قرار مي‌دهد: طيف اتمي و مدل اتمي بور و همچنين دوگانگي موج و ذره از مکانيک کوانتومي به‌دست آمدند. شيمي و الکترومغناطيس: کشف الکترون شيميدانان و فيزيکدانان در اواخر قرن نوزدهم روي رابطه بين الکتريسيته و ماده مطالعاتي انجام دادند. آنها جريان الکتريکي ولتاژ بالايي را از لوله‌هاي شيشه‌اي پر از گاز کم‌فشار (جيوه، نئون، و زنون) عبور دادند. جريان الکتريکي از يک الکترود (کاتد) گاز به الکترود ديگري (آند) به‌وسيله اشعه‌اي به‌نام پرتو کاتدي انتقال پيدا مي‌کرد. در سال ۱۸۹۷، جوزف جان تامسون، فيزيکدان بريتانيايي آزمايش‌هايي انجام داد و به نتايج زير دست يافت: اگر محفظه‌اي در يک ميدان مغناطيسي يا الکتريکي قرار بگيرد، پرتو کاتدي مي‌تواند شکسته و منحرف شود يا حتي حرکت کند (لامپ پرتوي کاتدي داخل تلويزيون‌هاي نسل‌هاي قبلي همين‌گونه کار مي‌کند). ·تامسون توانست با استفاده از ميدان الکتريکي تنها، يا ميدان مغناطيسي تنها و يا ترکيب آنها، نسبت بار الکتريکي به جرم پرتوهاي کاتدي را اندازه‌گيري کند. او همچنين متوجه شد نسبت بار به جرم پرتوهاي کاتدي وابسته‌به ماده داخل محفظه و يا جنس کاتد نيست. تامسون چنين نتيجه گرفت: پرتوهاي کاتدي از ذرات ريزي با بار منفي ساخته شده‌اند. او اين ذرات را الکترون ناميد. الکترون‌ها بايد از داخل اتم‌هاي گاز يا الکترود فلزي بيرون آمده باشند. چون نسبت بار به جرم براي هر ماده‌اي ثابت است، پس الکترون‌ها يکي از بخش‌هاي اصلي همه اتم‌ها هستند. چون نسبت بار به جرم الکترون بسيار بالاست، پس الکترون بايد بسيار کوچک باشد. در ادامه، رابرت ميليکان، فيزيکدان آمريکايي، بار الکتريکي يک الکترون را اندازه‌گيري کرد. فيزيکدانان با استفاده از اين دو مقدار (بار و نسبت بار به جرم) جرم الکترون را محسابه کردند (۱۰۲۸ × ۹/۱۰ گرم). براي اينکه اندازه جرم الکترون را بهتر متوجه شويد، از وزن ۲/۵ گرمي يک پني آمريکا (کوچک‌ترين سکه در نظام پولي اين کشور) استفاده مي‌کنيم. وزن يک پني ۲/۵ گرم است؛ يعني معادل ۱۰۲۷ × ۲/۷ يا ۲/۷ ميليارد ميليارد ميليارد الکترون. نتايج ديگري از کشف الکترون به‌دست آمد: چون الکترون بار منفي دارد و اتم‌ها از نظر بار خنثي هستند، پس بايد ذره‌اي با بار مثبت در آنها وجود داشته باشد. چون الکترون‌ها خيلي کوچک‌تر از اتم‌ها هستند، پس بايد ذرات داراي جرم زيادي داخل اتم وجود داشته باشند. تامسون با استفاده از اين نتايج مدلي اتمي خودش را پيشنهاد کرد که شبيه هندوانه بود. بخش قرمز هندوانه، بار مثبت داشت و تخمه‌هاي هندوانه همان الکترون‌ها بودند. راديواکتيويته: کشف هسته، پروتون، و نوترون مدل اتمي رادرفوردمدل اتمي رادرفورد همزمان با آزمايش‌هاي تامسون روي پرتوهاي کاتدي، فيزيکدانان ديگري مثل آنري بکرل، ماري کوري، پير کوري و ارنست رادرفورد روي راديواکتيويته مطالعه مي‌کردند. راديواکتيويته با ۳ پرتو کار مي‌کرد: ذرات آلفا: داراي بار الکتريکي مثبت و جرم سنگين. ارنست رادرفورد نشان داد که اين ذرات هسته اتم هليوم هستند. ذرات بتا: داراي بار الکتريکي منفي و نور (بعدا به‌شکل الکترون نمايش داده شدند). پرتوهاي گاما: با بار الکتريکي خنثي و بدون جرم (يعني انرژي). آزمايش‌هاي روي راديواکتيويته و اکثر دانش ما درمورد ساختار اتم مديون رادرفورد و همکارانش است. رادرفورد ورق نازکي از طلا را با ذرات آلفا بمباران کرد و روي يک صفحه فلوروسنت به اشعه‌ها نگاه کرد و نتيجه گرفت: تمام ذرات مستقيما به‌سمت ورق حرکت مي‌کنند و به صفحه برخورد مي‌کنند. تعدادي از ذرات (۰/۱ درصد) منحرف مي‌شوند يا در جلوي ورق طلا (با زاويه‌هايي مختلف) پخش مي‌شوند، درحالي‌که بقيه در پشت ورق پخش مي‌شوند. رادرفورد نتيجه گرفت که اتم‌هاي طلا داراي فضاي خالي زيادي هستند که به اکثر ذرات آلفا اجازه عبور مي‌دهند. اما بخش کوچکي از اتم بايد جرم و چگالي زيادي داشته باشد تا ذرات آلفا را منحرف کند. او اين بخش متراکم اتم را هسته ناميد. اکثر جرم اتم در هسته قرار دارد. بعدا رادرفورد اتم نيتروژن را با ذرات آلفا بمباران کرد و ذره‌اي با بار مثبت که سبک‌تر از ذرات آلفا بود، متساعد شد. او اين ذرات را پروتون ناميد و متوجه شد که پروتون‌ها در هسته هستند. پروتون داراي جرمي معادل ۱۰۲۴ × ۱/۶۷۳ گرم است و حدود ۱۸۳۵ برابر سنگين‌تر از الکترون است. اما پروتون‌ها تنها ذره‌ي موجود در هسته نبودند، چراکه مقدار پروتون‌ها در عناصر کمتر از جرم کل هسته بود. بنابراين ذره‌ي سوم و خنثي ديگري هم بايد در اتم وجود داشته باشد. جيمز چادويک، فيزيکدان بريتانيايي و همکار رادرفورد ذره زيراتمي سوم و خنثي يعني نوترون را کشف کرد. چادويک ورقي از بريليوم را با ذرات آلفا بمباران کرد و متوجه خارج شدن يک تابش خنثي شد. تابش خنثي مي‌توانست درعوض پروتون‌هاي هسته‌هاي ساير مواد را خارج کند. چادويک نتيجه گرفت که اين تابش از نظر بار الکتريکي خنثي است و جرمي تقريبا برابر با پروتون دارد. جرم نوترون ۱۰۲۴ × ۱/۶۷۵ گرم است. حالا که بخش‌هاي مختلف اتم مشخص شدند؛ بايد نحوه‌ي قرار گرفتن آنها در اتم مشخص مي‌شد. آزمايش ورق طلاي رادرفورد نشان داد که هسته در مرکز اتم قرار دارد و اکثر فضاي اتم خالي است. بنابراين او اتم را مانند هسته‌اي با بار مثبت در نظر گرفت که الکترون‌ها با بار منفي به‌دور آن مي‌چرخند ( شبيه يک سياره به همراه قمرهايي که به‌دور آن مي‌چرخند). اگرچه او گواهي براي اثبات چرخش الکترون‌ها به‌دور هسته نداشت، ولي مدل اتمي او به‌نظر معقول مي‌رسيد؛ البته بازهم داراي يک مشکل بود: با چرخش الکترون‌ها به‌دور هسته، آنها بايد انرژي و نور خود را از دست‌ مي‌دادند و در نتيجه متوقف مي‌شدند؛ مانند ماهواره‌اي که بعد از تمام شدن انرژي‌اش سقوط مي‌کند. درحقيقت اتم رادرفورد بايد تنها در کسري از ثانيه سقوط مي‌کرد ولي اين‌گونه نبود، پس يا يک جاي کار مي‌لنگيد، يا اينکه هنوز کشف نشده بود. مکانيک کوانتومي: مدلي که همه حالت‌ها را با هم ترکيب کرد همزمان با کشف‌هاي راديواکتيويته، فيزيکدانان و شيمي‌دانان روي چگونگي تعامل نور و ماده مطالعه مي‌کردند. مطالعات آنها پاگشاي رشته مکانيک کوانتومي بود و به حل معماي ساختار اتم کمک زيادي کرد. مکانيک کوانتومي و روزنه‌اي به اتم: مدل بور فيزيکدانان و شيميدانان ماهيت نور خارج‌شده از جريان الکتريکي عبورکننده از محفظه‌هاي داراي عناصر گازي (هيدروژن، هليوم، و نئون) و هنگام گرما ديدن عناصر در شعله (سديم، پتاسيم، کلسيم و غيره) را مورد مطالعه قرار دادند. آنها نور را از اين منابع به داخل يک طيف‌سنج هدايت کردند (طيف‌سنج دستگاهي حاوي شکافي باريک و يک منشور شيشه‌اي است). اگر نور خورشيد را از داخل يک منشور عبور دهيد، طيف مستمري از رنگ‌هاي رنگين‌کمان را به‌دست مي‌آوريد. اما زماني‌ که شيميدانان و فيزيکدانان نور گسيل‌شده از اين منابع (نور عناصر گازي و گرماديده) را از منشور عبور دادند، با يک پس‌‌زمينه‌ي تاريک همراه با برخي خطوط جدا و گسسته روبرو شدند. هر عنصر طيف منحصربه‌فردي داشت و طول موج هر خط داخل طيف، داراي انرژي خاصي بود. نيلز بور، فيزيکدان دانمارکي در سال ۱۹۱۳ با ادغام يافته‌هاي قبلي رادرفورد و با نتايج به‌دست آمده از طيف و بررسي نور، مدل اتمي جديدي مطرح کرد. طبق مدل اتمي بور، الکترون‌هاي درحال چرخش به‌دور هسته‌ي اتم، تنها داراي سطح مشخصي از انرژي هستند (منظور همان فاصله از هسته است). زماني که اتم‌هاي داخل محفظه‌ي گازي، انرژي جريان الکتريکي را جذب مي‌کنند، الکترون‌ها برانگيخته مي‌شوند و از انرژي سطح پايين (نزديک‌ به هسته) به انرژي سطح بالا (از هسته دورتر مي‌شوند) مي‌رسند. الکترون‌هاي برانگيخته با برگشت به حالت اصلي و اوليه خود، انرژي را به‌شکل نور ساطع مي‌کنند. از آنجايي که تفاوت بين سطوح انرژي اندازه‌اي مشخص دارد، تنها طول‌ موج‌هاي خاصي از نور در طيف‌سنج ديده مي‌شوند (همان خطوط داخل طيف‌سنج). مدل اتمي بور در موارد زيادي به کار آمد و توضيحاتي ارائه داد: طيف اتمي (که در بالا توضيح داديم) رفتار تناوبي عناصر: اتم‌هاي داراي خواص مشابه، طيف اتمي يکساني دارند. هر لايه الکتروني با اندازه و انرژي مشخص تنها مي‌تواند تعداد مشخصي الکترون در خود نگه دارد. به‌عنوان مثال اولين لايه الکتروني تنها مي‌تواند دو الکترون در خود نگه دارد؛ دومين لايه ۸ الکترون، سومين لايه ۱۸ الکترون، چهارمين لايه ۳۲ الکترون و همين‌طور تا آخر (لايه هفتم). وقتي لايه پر از الکترون شد، الکترون‌ها به لايه‌هاي با سطح انرژي بالاتر مي‌روند. خواص شيميايي عناصر وابسته‌به تعداد الکترون‌هاي آخرين لايه الکتروني است. عناصري که لايه الکتروني آخر آنها پر باشد واکنشي نشان نمي‌دهند (گازهاي نجيب). ساير عناصر با گرفتن و يا از دست دادن الکترون‌هاي لايه آخر خود واکنش نشان مي‌دهند. مدل بور براي توضيح رفتار ليزرها هم مناسب است، اگرچه چنين دستگاه‌هايي در اواسط قرن بيستم اختراع شدند. مدل بور بهترين مدل اتمي شناخته‌شده در زمان خودش بود؛ تا اينکه کشف‌هاي جديدي در مکانيک کوانتومي صورت گرفت. مکانيک کوانتومي را در يک جمله چنين تعريف مي‌کنيم: شاخه‌اي از علم فيزيک که با حرکات ذرات به‌وسيله خواص موج آنها در سطوح اتمي و زيراتمي سر و کار دارد. الکترون‌ها مي‌توانند مانند امواج رفتار کنند: مدل کوانتومي اتم اگرچه مدل بور براي توضيح چگونگي کارکرد طيف اتمي مناسب و کافي بود؛ ولي سوالاتي هم براي فيزيکدانان و شيميدانان به‌وجود مي‌آورد. پرسش‌هايي از اين دست: چرا الکترون‌ها بايد در سطح مشخصي از انرژي گير کنند؟ چرا الکترون‌ها هميشه و در همه وقت نور ساطع نمي‌کنند؟ اگر الکترون‌ها در مدار دايره‌اي شکل مسير خود تغيير جهت مي‌دهند (شتاب مي‌گيرند) بايد نور ساطع کنند. مدل بور مي‌توانست طيف اتمي عنصر با يک الکترون در لايه خارجي را به‌خوبي توضيح دهد، ولي در توضيح آنهايي که بيش از يک الکترون در لايه خارجي داشتند، زياد خوب نبود. چرا تنها دو الکترون در لايه اول، ۸ الکترون در لايه دوم و ... قرار مي‌گيرد؟ چه مورد خاصي در مورد اعداد ۲ و ۸ وجود دارد؟ طبق گفته فيزيکداني به‌نام لويي دو بروي در سال ۱۹۲۴، الکترون‌ها هم مانند نور مي‌توانند هم به‌عنوان ذرات و هم به‌عنوان موج رفتار کنند. فرضيه دوبروي بسيار سريع در طي آزمايش‌ها تأييد شد. طبق آزمايش‌ها، پرتوهاي الکترون هم مي‌توانستند مانند نور شکسته يا منحرف شوند. بنابراين امواج توليدشده توسط يک الکترون که در مداري مشخص به‌دور هسته محصور شده است، طول موج، انرژي و فرکانس (سطوح انرژي مدل بور) مشخصي دارد؛ تقريبا شبيه عملکرد تارهاي گيتار موقع نوازندگي. مشخصا مدل بور هم مدل کاملي نبود سوال ديگري فورا بعد از ايده دوبروي مطرح شد: اگر الکترون به‌عنوان يک موج جابه‌جا مي‌شود، آيا موقعيت دقيق الکترون در موج مشخص است؟ فيزيکداني آلماني به‌نام ورنر هايزنبرگ، به اين سوال پاسخ منفي داد. او اصل عدم قطعيت را مطرح کرد: براي ديدن الکترون در مدارش بايد طول موجي از نور را به آن تاباند که کوچک‌تر از طول موج الکترون باشد. اين طول موج کوچک از نور، انرژي زيادي دارد. الکترون انرژي آن را جذب خواهد کرد. انرژي جذب‌شده، موقعيت الکترون را تغيير خواهد داد. ما هرگز نمي‌توانيم مکان و تکانه الکترون در اتم را مشخص کنيم. بنابراين طبق گفته‌ي هايزنبرگ، الکترون‌ها در مسير‌هاي تعريف‌شده‌اي به‌دور هسته حرکت نمي‌کنند. در سال ۱۹۲۶ فيزيکداني استراليايي به‌نام اروين شرودينگر با در نظر گرفتن فرضيه دوبروي و همچنين اصل عدم قطعيت هايزنبرگ، معادلات (معادله شرودينگر) يا توابعي موجي را براي الکترون‌ها به‌دست آورد. براساس تئوري شرودينگر، الکترون‌ها در مدارهاي خود محدود هستند و مي‌توانند امواجي داشته باشند که ما با استفاده از آن مکان نسبي و احتمالي آنها را توصيف کنيم. توزيع احتمالات، مکان‌هايي از فضاي دور هسته به‌نام اوربيتال به‌وجود مي‌آورد. اوربيتال‌ها به‌نوعي ابرهاي چگالي الکتروني هستند. متراکم‌ترين قسمت ابر الکتروني جايي است که احتمال وجود الکترون در آن بيشتر از همه‌جاست و برعکس کم‌تراکم‌ترين بخش جايي است که احتمال يافتن الکترون در آن کمتر از همه‌جاست. تابع موجي هر الکترون مجموعه‌اي از سه عدد کوانتومي است: عدد کوانتومي اصلي که با n نمايش داده مي‌شود، نشان‌دهنده تراز انرژي است. عدد کوانتومي اوربيتالي که با حرف l نشان داده مي‌شود، مقدار سرعت حرکت الکترون در مدارش (تکانه زاويه‌اي) را نشان مي‌دهد (مانند سرعت چرخش لوح فشرده). اين عدد به شکل اوربيتال وابسته است. عدد کوانتومي مغناطيسي که با m نمايش داده مي‌شود، جهت‌گيري اوربيتال‌ها در فضا را مشخص مي‌کند. در ادامه مشخص شد که هيچ دو الکتروني نمي‌توانند در يک سطح از انرژي حضور داشته باشند، بنابراين عدد کوانتومي چهارمي هم به تابع موجي اضافه شد. اين عدد مربوط‌به مسير اسپين و چرخش الکترون به دور خودش در هنگام حرکت در مدار است (يعني اينکه الکترون در جهت عقربه‌هاي ساعت به دور خودش مي‌چرخد يا خلاف آن). تنها دو الکترون مي‌توانند در يک اوربيتال حضور داشته باشند: يک الکتروني که در جهت عقربه‌هاي ساعت گردش مي‌کند و الکترون ديگري که در خلاف جهت عقربه‌هاي ساعت گردش مي‌کند. اوربيتال‌ها در هر ترازي از انرژي، شکل‌هاي مختلف دارند و به تعداد خاصي مي‌توانند در فضا قرار بگيرند: اوربيتال s: شکلي کروي دارد و تنها به ۱ حالت مي‌تواند در فضا قرار بگيرد. اوربيتال p: دمبلي شکل است و به ۳ حالت مي‌تواند در فضا قرار بگيرد. اوربيتال d: چهار قسمتي است و حداکثر ۵ مدل جهت‌گيري دارد. اوربيتال f: شش قسمتي است و حداکثر ۷ مدل جهت‌گيري دارد. اسامي اوربيتال‌ها قبل از ابداع مکانيک کوانتومي و از مشخصه‌هاي طيف اتمي گرفته شده است. هر اوربيتال مي‌تواند تنها دو الکترون را در خود نگه دارد. همچنين نحوه پرشدن اوربيتال‌ها هم خاص است و معمولا: ممکن است همپوشاني وجود داشته باشد (جزئيات آن در کتاب‌هاي شيمي آمده است) مدل به‌دست آمده از اتم، مدل کوانتومي اتم نام دارد. سديم داراي ۱۱ الکترون است که ترازهاي انرژي آن به شکل زير است: ۱. يک اوربيتال s: دو الکترون ۲. يک اوربيتال s: دو الکترون و سه اوربيتال p (هر کدام داراي دو الکترون) ۳. يک اوربيتال s: يک الکترون درحال حاضر، مدل کوانتومي، دقيق‌ترين ساختار شناخته‌شده از يک اتم است. مدل کوانتومي توضيحي در‌مورد اکثر دانش ما در علوم فيزيک و شيمي ارائه مي‌دهد. در ادامه به چند مثال مي‌پردازيم: شيمي جدول تناوبي: الگوي جدول تناوبي و نحوه‌ي قرارگيري عناصر در آن براساس نحوه قرارگيري الکترون‌ها در عناصر است. عناصر، عدد اتمي (تعداد پروتون يا الکترون‌ها) و جرم اتمي (مجموعه تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها) متفاوتي دارند. رديف‌ها: عناصر موجود در هر رديف از جدول، داراي تراز انرژي يکساني است. ستون‌ها: عناصر داراي تعداد يکساني از الکترون‌ها در خارجي‌ترين تراز انرژي هستند (از ۱ تا ۸).