Security Systems Training Platformهرماده طبیعی یا مصنوعی را می توان به عناصر یا مواد مرکب دیگر تبدیل کرد. کوچکترین بخش هر عنصر، اتم نام دارد.
اتم از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. پروتون ها و نوترون ها در مرکز اتم به نام هسته قرار دارند. الکترون ها در مداراتی که در فواصل مختلف از هسته واقع شده اند، به دور هسته اتم می گردند.
وقتی نیروی خارجی مناسب به الکترون های لایه بیرونی اعمال می شود، این الکترون ها از مدار خود جدا شده و تبدیل به الکترون آزاد می گردند. حرکت الکترون های آزاد، جریان نام دارد. نیروی خارجی مورد نیاز جهت ایجاد این جریان، ولتاژ نامیده می شود. جریان در مسیر عبور خود با ممانعت رو به رو می شود ممانعت در مسیر عبور جریان، مقاومت نامیده می شود.
ماده ، عناصر و مواد مرکب
هر چیزی که فضا اشغال کند و وزن داشته باشد ماده نامیده می شود. ماده به یکی از سه حالت جامد، مایع و گاز یافت می شود. هوایی که تنفس می کنیم، آبی که می نوشیم، لباسی که می پوشیم و خودمان همگی جزء مواد هستند. ماده ممکن است عنصر یا ماده مرکب باشد.
عنصر بخش بنیادی طبیعت است. عنصر را نمی توان با روشهای شیمیایی به اجزای ساده تر تبدیل کرد. در حال حاضر بیش از ۱۰۰ عنصر ناشناخته وجود دارد. طلا، نقره، مس و اکسیژن مثالهایی از عناصر هستند.
ترکیب شیمیایی دو یا چند عنصرترکیب نامیده می شود. یک ماده مرکب را می توان با روشهای شیمیایی و نه با روشهای فیزیکی به اجزای کوچکتر تبدیل کرد. آب که شامل اکسیژن و هیدروژن است و نمک که از سدیم و کلر تشکیل شده است نمونه هایی از مواد مرکب هستند. کوچکترین بخش یک ترکیب که هنوز دارای خواص ماده مرکب اصلی است، مولکول نامیده می شود. مولکول یک ترکیب شیمیایی از دو یا چند اتم است. اتم کوچکترین بخش یک عنصر است که ویژگیهای یک عنصر را داراست.
ترکیب فیزیکی عناصر و مواد مرکب، مخلوط نامیده می شود، هوا که از اکسیژن، نیتروژن، دی اکسید کربن و گازهای دیگر تشکیل شده و آب نمک که حاوی آب و نمک است، نمونه هایی از مواد مخلوط هستند.
نگاهی دقیقتر به اتم
همان طور که عنوان شد، اتم کوچکترین بخش هر عنصر است. اتم های عناصر مختلف با یکدیگر متفاوتند. اگر بیش از ۱۰۰ نوع عنصر وجود داشته باشد آنگاه بیش از ۱۰۰ نوع اتم وجود دارد.
هر اتم دارای هسته است. هسته در مرکز اتم واقع شده است، هسته شامل بخشهایی با بار مثبت به نام پروتون و بخشهایی خنثی به نام نوترون است. بخشهای دارای بار منفی که الکترون نام دارند به دور هسته می گردند.
تعداد پروتون های هسته اتم عدد اتمی عنصر نامیده می شود. اعداد اتمی عناصر مختلف با یکدیگر متفاوت است. هر عنصر دارای وزن اتمی است. وزن اتمی، جرم اتم است. این عدد با تعداد کل پروتون ها و نوترون ها در هسته تعیین می شود. اکترون ها در تعیین وزن اتمی نقشی ندارند؛ جرم الکترون جرم یک پروتون است. و از آن در برابر جرم پروتون صرفنظر می شود.
الکترون ها در مدارهای هم مرکز به دور هسته می چرخند. هر مدار گردشی یک لایه نام دارد. این لایه ها به ترتیب قرار گرفته اند؛ K لایه اول و L، M، N لایه های بعدی را تشکیل می دهند. حداکثر تعداد الکترون هایی که هر لایه می تواند می تواند دارا باشد در شکل زیر نشان داده شده است.
لایۀ خارجی، لایۀ ظرفیت نامیده می شود و تعداد الکترون های موجود در این لایه، ظرفیت ۲ عنصر را تشکیل می دهد. هر قدر فاصله لایه ظرفیت از هسته بیشتر باشد، نیروی جاذبه کمتری از طرف هسته به الکترون های این لایه وارد می شود. بنابراین اگر لایه ظرفیت پر نباشد و به اندازۀ کافی از هسته دور باشد، قابلیت هر اتم برای به دست آوردن و از دست دادن الکترون افزایش می یابد.
هدایت هر اتم، بستگی به باند ظرفیت آن دارد. هر قدر تعداد الکترون های لایه ظرفیت بیشتر باشد، هدایت کنندگی آن کمتر است. مثلاً اتمی که دارای هفت عدد الکترون در لایه ظرفیت خود است نسبت به اتمی که دارای سه الکترون در لایه ظرفیت می باشد هدایت کنندگی کمتری دارد.
الکترون های لایه ظرفیت می توانند انرژی جذب کنند. چنانچه این الکترون ها از یک منبع خارجی انرژی کافی دریافت کنند می توانند اتم را ترک کرده و به الکترون آزاد تبدیل شوند و به صورت تصادفی از اتمی به اتم دیگر حرکت کنند. موادی که شامل تعداد زیادی الکترون آزاد هستند هادی نامیده می شوند. شکل زیر هدایت فلزات مختلف را که به عنوان هادی مورد استفاده قرار می گیرند با هم مقایسه می کند. روی این نمودار، نقره، مس و طلا دارای ظرفیت ۱ می باشند. نقره بهترین هادی است زیرا الکترون های آن بسیار ناوابسته هستند.
عایقها بر خلاف هادیها در برابر عبور جریان ممانعت می کنند. عایقها با جذب الکترون های لایه ظرفیت از اتم های دیگر، برای پر کردن لایه های ظرفیت خود، به حالت توازن می رسند و بنابراین الکترون های آزاد را حذف می کنند. موادی که به عنوان عایق دسته بندی می شوند در شکل های دیگر با هم مقایسه شده اند. میکا بهترین عایق است زیرا کمترین تعداد الکترون آزاد را در لایه ظرفیت خود دارد. یک عایق کامل دارای اتم هایی است که لایه ظرفیت آنها تکمیل است یعنی نمی تواند از الکترونی جذب کند.
حد فاصل بین هادیها و عایقها، نیمه هادیها هستند. نیمه هادیها نه هادیهای خوبی هستند و نه عایقهای خوبی ولی بسیار پر اهمیت هستند زیرا می توانند به جای هادیها یا عایقها استفاده شوند. سیلیکون و ژرمانیوم دو ماده نیمه هادی هستند.
اتمی که دارای تعداد مساوی الکترون و پروتون است از نظر الکتریکی متعادل است. یک اتم متعادل که یک الکترون یا بیشتر دریافت می کند از حالت تعادل خارج می شود. در این حالت به آن اتم با بار منفی یا یون منفی می گویند. یک اتم متعادل که یک الکترون یا بیشتر از دست می دهد دارای بار مثبت می شود و به آن یون مثبت می گویند. روال از دست دادن یا به دست آوردن الکترون، یونیزاسیون نامیده می شود. یونیزاسیون برای جاری شدن جریان اهمیت زیادی دارد.
