شیمی مولکولی و اتمی

مروری کوتاه برتاریخچه مدلهای اتمی از ٢٥٠٠سال پیش تا به حال

مطالعه روی عنصرها به حدود دو هزار پانصد سال پیش بر می گردد. زمانی که تالس فیلسوف یونانی آب راعنصر اصلی سازندهی جهان هستی می دانست . دویست سال پس از او ارسطو سه عنصر هوا و خاک و آتش را به عنصرپیشنهادی تالس افزود و این چهار عنصر را عنصرهای سازندهیکاینات تصورکرد . این دیدگاه تا دو هزارسال بعد نیز مورد مورد پذیرش بود تا این که در سال ١٦٦١میلادی رابرت بویل دانشمند انگلیسی با انتشار کتابی با عنوان شیمی دان شکاک مفهوم تازه ای از عنصر را معرفی کرد . وی دراین کتاب ضمن معرفی عنصر به عنوان ماده ای که نمی توان ان را به مواد ساده تر تبدیل کرد شیمی را علمی تجربی نامید و از دانشمندان خواست که افزون بر مشاهده کردن اندیشیدن و نتیجه گیری کردن که هر سه تنها ابزار یونانیان در مطالعهی طبیعت بود به پژوهش های علمی نیز اقدام کنند . توصیه های او مورد توجه قرار گرفت و در سال ١٨٠٣جان دالتون شیمی دان انگلیسی با نظریه یاتمی خود گام مهمی برای مطالعه ی ماده و ساختار آن برداشت .دالتون بااستفادهاز واژه ی یونانی اتم به معنای تجزیه نا پذیر است ذرهای سازنده ی عنصرها را توضیح داد . این ایده که همه ی مواد از ذره های کوچک و تجزیه ناپذیر ی به نام اتم ساخته شده اند نخستین بار ٢٥٠٠سال پیش توسط دموکریت فیلسوف یونانی مطرح شده بود اما دالتون با اجرای آزمایشهای بسیار ازنو به ان نتیجه گیری دست یافت . وی نظریه ی اتمی خود را در هفت بند به این ترتیب بیان کرد :١- ماده از ذرات تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده اند .٢- همه یاتمهای یک عنصر مشابه یک دیگرند .٣- اتم ها نه بوجود می ایند و نه از بین می روند .٤- همه ی اتمهای یک عنصر جرم یکسا ن و خواص شیمیایی مشابه ای دارند .٥- اتمهای عنصرهای مختلف به هم متصل میشوند و مولکولها رابه وجود می اورند .٦- در هر مولکول از یک ترکیب معین همواره نوع و تعدادنسبی اتمهای سازنده ی آن یکسان است.٧- واکنشهای شیمیایی شامل جابجایی اتمها یا تغییر در شیوه ی اتصال انها در مولکولهاست .در این واکنش اتم ها خود تغییری نمی کنند .الکترون نخستین ذره ی زیراتمی شناخته شدهپس از کشف الکتریسیته ی ساکن یا مالشی در آغاز قرن نوزدهم میلادی به این نکته پی برده شدکه بارهای الکتریکی مثبت یا منفی ایجاد شده به هنگام مالیدن یک جسم روی جسم دیگر از جایی نمی ایندو پیدایش آنها به خود ماده و شاید به اتمهای سازنده ی ان مربوط میشود.
.مایکل فارادی دانشمند معروف انگلیسی مشاهده کرد که به هنگام عبور جریان برق از میان محلول یک ترکیب شیمیایی فلزکار(برق کافت) یک واکنش شیمیایی در ان به وقوع می پیوندد .فیزیک دان ها رای توجیه این مطلب ذره ای بنیادی پیشنهاد کردند و ان را الکترون نامیدنداما درآ زمان به وجود رابطه میان اتم و الکترون پی برده نشد . و بعد از ان تا مسون با آزمایش هوشمندانه ای به نتایج جالبی دست یافت که به این شرح می باشند :١- پرتو های کاتدی (مانند نور) به خط راست حرکت میکنند . چون اگر در مسیر پرتو های کاتدییک جسم را قرار دهیم سایه ی ان جسم در انتهای لوله مشاهده می شود.٢- پرتو های اتدی به هنگام عبور گاز رقیق درون لوله را ملتهب می سازد . پر تو های کاتدیضمن عبور از لوله بخشی از انرژی خود را به اتمهای گازی داخل لوله منتقل میکنند و اتمهای گازیپرانرژی میشوند این اتمها ی گازی پرانرژی انرژی خود را بصو رت ور به ما پس می دهند .٣- پر تو های کاتدی دارای بار الکتریکی منفی هستند اگر در مسیر پرتو های کا تدییک میدانالکتریکی قرار دهیم پرتو های آندی سمت قطب مثبت منحرف میشوند بنابر این دارای بارالکتریکیمنفی هستند .همه ی مواد دارای الکترون هستند . جنس کاتد هر چه باشد پرتو ایی باخواص یکسان تولید میشودبنابراین پرتوهای کاتدی به نوع کاتد بستگی ندارد و این پرتوهاباید از چیزی ساخته شده باشند که در همه یمواد مشترک باشند این ذرات دارای بار منفی تامسون بعد ها الکترون نام گرفت .در حالی که تامسون مشغول مطالعه بر روی پرتوهای کاتدی بود کشف بسیار مهمی در فرانسهبه وقوع پیوست .در سال ١٨٩٦هانری بکرل فیزیکدانی که روی خاصیت فسفرسانس مواد شیمیایی کار می کردبه طور تصادفی با پدیده ی جالبی به قرار زیر مواجه شد :هانری با علا قه مندی کار پدرش را- که روی مواد فسفر سانس کار می کرد- دنبال می کرد . درآن زمان هانری با خواندن مقاله ای درمورد شیوه ی تولید پرتوهایxکه به تازگی توسط رونتگن کشف شده بود در این اندیشه فرو رفت که شاید مواد دارای خاصیت فلوئورسانس یا فسفرسانس نیز هنگام نور افشانی چنین پرتوی مرموزی را تابش میکنند . از این رو برآن شدکه ترکیب هایی برگزیند و در این باره به تحقیق بپردازد . او برای این کار بلورهای ماده ای را برای مدتی در برابر نور خورشید قرار می داد وبی درنگ در محیطی تاریک روی یک فیلم خام عکاسی میگذاشت که درون یک پاکت کاغذی تیره بود .پس از چند دقیقه فیلم را برداشته ظاهر میکرد و از روی میزان وضوح تصویر شدت تابش ان ماده را اندازه میگرفت .
روز چهار شنبه ٢٦فوریه ١٨٩٦هانری در ادامه ی آزمایش ها یش روی مواد فسفر سانس طبیعی ترکیبهای اورانیم دار پدرش دو قطعه از بلورهای یکی از این ترکیب ها را برداشت و همه ی وسایل کار خود را اماده کرد . اما از ان جا که هوای شهر پاریس کاملا ًابری بود از انجام ازمایش چشم پوشی کردو دو قطعه بلور را همراه با فیلم خام عکاسی در کشوی میز خود گذاشت و چند ساعتی به مطالعه پرداخت .عصر نیز زودتر از همیشه آزمایشگاه را به قصد خانه ترک کرد . وضعیت هوا چند روزی به همین منوال بود وتعطیلات اخرهفته نیز کار را بیشتر به تعویق انداخت .
بامداد روز دوشنبه اول مارس هنگامی که هانری به آزمایشگاه خود پانهاد یک باره به یادبلورهای درون کشوی میز خود افتاد . باعجله سراغ آنهارفت و تصمیم گرفت فیلم درون کشو را ظاهر کند .او با کنجکاوی فیلم را به تاریک خانه برد وان را در محلول ظهور عکس قرار داد . پس از چند دقیقه هیجان زده از تاریک خانه بیرون امد پشت میز کار خود نشست و عبارت زیر را نوشت : « دوشنبه اول مارس ساعت ٤٠/٩ نتیجه ی آزمایش روی نمونه ی شماره ی سیزده : با اینکه آزمایشهایم روی موادفسفر سانس نشان داده بود که همواره وضوح تصویر پس از چند ثانیه به شدت کاهش می یابد اما در این آزمایش برخلاف انتظارم پس از این مدت حضور در تاریکی ایجاد تصویری بااین وضوح شگفت انگیز به نظر می رسد . نمیدانم چرا؟ اما فکر می کنم که پدیده ی تازهای را کشف کرده ام . »هانری با مشاهده ی موضوع زیر نتیجه گرفت که پدیده ی تازه ای را کشف کرده است :هانری انتظار داشت اثرات بسیار کمی را بر فیلم عکاسی مشاهده کند اما در کمال تعجب اثراتبسیار شدیدی را مشاهده کرد بنابراین به این نتیجه رسید که این پرتوها مربوط به فسفر سانس نیست ضمنا ًاین پرتوها اشعه x نیز نبودند چون برای تولید اشعه ی x نیاز به پرتوی کاتدی داریمبنابراین هانری به این نتیجه رسید که پرتوهای جدیدی را کشف کرده است "

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

جوزف تامسون چگونه نسبت بار به جرم الكترون رااندازه گيري كرد؟
آزمایش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الکترون )
در آزمایش تامسون از اثر میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی استفاده شده است. دستگاهی که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است از قسمتهای زیر تشکیل شده است:
الف ) اطاق یونش که در حقیقت چشمه تهیه الکترون با سرعت معین می باشد بین کاتد و آند قرار گرفته است. در این قسمت در اثر تخلیه الکتریکی درون گاز ذرات کاتدی ( الکترون ) بوجود آمده بطرف قطب مثبت حرکت می کنند و با سرعت معینی از منفذی که روی آند تعبیه شده گذشته وارد قسمت دوم می شود. اگر بار الکتریکی q تحت تاثیر یک میدان الکتریکی بشدت E قرار گیرد، نیروییکه از طرف میدان بر این بار الکتریکی وارد می شود برابر است با:
F= q.E
در آزمایش تامسون چون ذرات الکترون می باشند q = -e بنابراین:
F= -eE
از طرف دیگر چون شدت میدان E در جهت پتانسیلهای نزولی یعنی از قطب مثبت بطرف قطب منفی است بنابراین جهت نیرویF در خلاف جهت یعنی از قطب منفی بطرف قطب مثبت می باشد. اگرx فاصله بین آند و کاتد باشد کار نیروی F در این فاصله برابر است با تغییرات انرژی جنبشی ذرات .
از آنجاییکه کار انجام شده در این فاصله برابراست با مقدار بار ذره در اختلاف پتانسیل موجود بین کاتد وآند بنابراین خواهیم داشت :
ev0 =½m0v2
که در آن v0 اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند e بار الکترون v سرعت الکترون و m0 جرم آن می باشد. بدیهی است اگر v0 زیاد نباشد یعنی تا حدود هزار ولت رابطه فوق صدق می کند یعنی سرعت الکترون مقداری خواهد بود که می توان از تغییرات جرم آن صرفنظ نمود . بنابراین سرعت الکترون در لحظه عبور از آند بسمت قسمت دوم دستگاه برابر است با:
v = √(2e v0/ m0)
ب) قسمت دوم دستگاه که پرتو الکترونی با سرعت v وارد آن می شود شامل قسمتهای زیر است :

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

۱- یک خازن مسطح که از دو جوشن A وB تشکیل شده است اختلاف پتانسیل بین دو جوشن حدود دویست تا سیصد ولت می باشد اگر پتانسیل بین دو جوشن را به v1 و فاصله دو جوشن را به d نمایش دهیم شدت میدان الکتریکی درون این خازن E = v1/d خواهد بود که در جهت پتانسیلهای نزولی است.
2- یک آهنربا که در دو طرف حباب شیشه ای قرار گرفته و در داخل دو جوشن خازن: یک میدان مغناطیسی با شدت B ایجاد می نماید . آهنربا را طوری قرار دهید که میدان مغناطیسی حاصل بر امتداد ox امتداد سرعت - و امتداد oy امتداد میدان الکتریکی - عمود باشد.
پ) قسمت سوم دستگاه سطح درونی آن به روی سولفید آغشته شده که محل برخورد الکترونها را مشخص می کند.
وقتی الکترو از آند گذشت و وارد قسمت دوم شد اگر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی تاثیر ننمایند نیرویی بر آنها وارد نمی شود لذا مسیر ذرات یعنی پرتو الکترونی مستقیم و در امتداد ox امتداد سرعت ) خواهد بود و در مرکز پرده حساس p یعنی نقطه p0 اثر نورانی ظاهر می سازد.
اگر بین دو جوشن خازن اختلاف پتانسیلv1 را برقرار کنیم شدت میدان الکتریکی دارای مقدار معین E خواهد بود و نیروی وارد از طرف چنین میدانی بر الکترون برابر است با FE = e E این نیرو در امتداد oy و در خلاف جهت میدان یعنی از بالا به پایین است.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

میدان مغناطیسی B را طوری قرار می دهند که برسرعتv عمود باشد . الکترون در عین حال در میدان مغناطیسی هم قرار می گیرد و نیرویی از طرف این میدان بر آن وارد می شود که عمود بر سرعت و بر میدان خواهد بود . اگر این نیرو را بصورت حاصلضرب برداری نشان دهیم برابر است با:
FM = q.(VXB)
در اینجا q = e پس:
FM = q.(VXB)
و مقدار عددی این نیرو مساوی است با F = e v B زیرا میدان B بر سرعت v عمود است یعنی زاویه بین آنها 90 درجه و سینوس آن برابر واحد است. اگر میدان B عمود بر صفحه تصویر و جهت آن بجلوی صفحه تصویر باشد امتداد و جهت نیروی FM در جهت oy یعنی در خلاف جهت FE خواهد بود. حال میدان مغناطیسی B را طوری تنظیم می نمایند کهFE = FM گردد و این دو نیرو همدیگر را خنثی نمایند. این حالت وقتی دست می دهد که اثر پرتو الکترونی روی پرده بی تغییر بماند پس در این صورت خواهیم داشت:
FM = FE
e.v.B = e E
v = E/ B
چون مقدار E و B معلوم است لذا از این رابطه مقدار سرعت الکترون در لحظه ورودی به خازن بدست می اید . حال که سرعت الکترون بدست آمد میدان مغناطیسی B را حذف می کنیم تا میدان الکتریکی به تنهای بر الکترون تاثیر نماید . از آنجاییکه در جهت ox نیرویی بر الکترون وارد نمی شود و فقط نیروی FE بطور دائم آنرا بطرف پایین می کشد لذا حرکت الکترون در داخل خازن مشابه حرکت پرتابی یک گلوله در امتداد افقی می باشد و چون سرعت الکترون را نسبتا کوچک در نظر می گیریم معادلات حرکت الکترون ( پرتو الکترونی ) در دو جهت ox و oy معادلات دیفرانسیل بوده و عبارت خواهد بود از :
m0(d2x /dt2)=0 در امتداox
m0(d2y /dt2)=e. E در امتداoy
با توجه به اینکه مبدا حرکت را نقطه ورود به خازن فرض می کنیم اگر از معادلات فوق انتگرال بگیریم خواهیم داشت:
y=(1/2)(e.E)t2/m0
x=v.t
معادلات فوق نشان می دهد که مسیر حرکت یک سهمی است و مقدار انحراف پرتو الکترونی از امتداد اولیه (ox ) در نقطه خروج از خازن مقدار y در این لحظه خواهد بود . اگرطول خازن را به L نمایش دهیم x = L زمان لازم برای سیدن به انتهای خازن عبارت خواهد بود از t = L / v اگر این مقدار t را در معادله y قرار دهیم مقدار انحراف در لحظه خروج از خازن به دست می آید:
Y = ½ e( E/m0) ( L/ v )2
e/ m0 = ( 2y/ E ) ( v/ L )2
که در آن v سرعت الکترون که قبلا بدست آمده است. L و E بترتیب طول خازن و شدت میدان الکتریکی که هر دو معلوم است پس اگر مقدار y را اندازه بگیریم بار ویژه یا e/m0 محاسبه می شود.
پس از خروج الکترون از خازن دیگر هیچ نیرویی بر آن وارد نمی شود بنابراین از آن لحظه به بعد حرکت ذره مستقیم الخط خواهد بود و مسیر آن مماس بر سهمی در نقطه خروج از خازن است . اگر a فاصله پرده از خازن یعنی D P0 باشد می توانیم بنویسیم:
P0P1 = y + DP0 tgθ
tgθعبارتست از ضریب زاویه مماس بر منحنی مسیر در نقطه خروج از خازن و بنابراین مقدار یست معلوم پس باید با اندازه گرفتن فاصله اثر روی پرده( P0 P1)به مقدار y رسید و در نتیجه می توانیم e/ m0 را محاسبه نماییم.
مقداری که در آزمایشات اولیه بدست آمده بود 108×7/1 کولن بر گرم بود مقداریکه امروزه مورد قبول است و دقیقتر از مقدار قبلی است برابر 108×7589/1 کولن بر گرم است.
علاوه بر تامسون، میلیکان نیز از سال 1906 تا 1913 به مدت هفت سال با روشی متفاوت به اندازه گیری بار الکترون پرداخت.

آيا تا به حال هوا را داخل سرنگي محبوس کرده‌ايد تا آن را تحت فشار قرار دهيد؟
چه اتفاقي مي‌افتد وقتي پيستون سرنگ را فشار مي‌دهيد؟
هوا چگونه متراکم مي‌شود؟ چگونه در يک فضاي کوچکتر جا مي‌گيرد؟
يک تکه اسفنج را مي‌توان در فضاي کوچکتري متراکم کرد. علت تراکم اسفنج اين است که در آن سوراخهاي ريزي وجود دارد، وقتي اسفنج را فشار مي‌دهيم هواي داخل اين سوراخها خارج مي‌شود و ماده جامد اسفنج به هم نزديکتر مي‌گردد. درست مثل زماني که يک تکه اسفنج خيس را فشار مي‌دهيد؛ آب از سوراخهاي اسفنج خارج و اسفنج متراکم مي‌شود. "بويل"، دانشمند انگليسي در سال 1662 ميلادي مقداري جيوه – که فلزي مايع است- را در يک لوله شيشه‌اي پنچ متري ريخت. اين لوله خميده به شکل حرف انگليسي U و يک سمت آن مسدود بود. بويل مشاده کرد که با افزودن جيوه هواي به دام افتاده در سمتي که بسته است، متراکم مي‌شود و فضاي کمتري اشغال مي‌کند. بويل نتيجه گرفت که هوا بايد از ذرات بسيار کوچک، يعني اتمهاي ريز، تشکيل شده باشد. ميان اتم‌ها فضايي است که در آن هيچ چيز نيست. وقتي هوا متراکم مي‌شود، اتم‌ها به هم نزديکتر مي‌شوند. بويل همان سال‌ها در کتابي نوشت: "عنصرها را بايد با آزمايش کشف کرد. شيميدانها بايد بکوشند تا هر چيزي را به مواد ساده‌تر تجزيه کنند، آن ماده يک عنصر است."
دانشمندان بر مبناي اين توصيه بويل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زيادي را که از اين عناصر ساخته شده بود را بررسي کردند. بسياري از مواد مرکب بررسي شده تا آن زمان از مولکول‌هاي ساده ساخته شده بودند و هر کدام بيش از چند اتم نداشتند. کافي بود فهرستي از انواع گوناگون اتمها تهيه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال 1824 ميلادي (1203 شمسي) "يوستون ليبينگ" و "فردريخ وهلر"، شيميدان آلماني درباره دوماده مرکب متفاوت تحقيق مي‌کردند. هريک از آنها براي ماده مرکب خود فرمولي بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصري و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتي آنها نتايج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده داراي فرمول يکساني هستند. با اينکه اين دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگوني داشتند، مولکولهاي آنها از عناصر يکسان تشکيل شده و حتي عده اتمهاي هر عنصر در هر دو ماده يکسان بود. به اين ترتيب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهاي موجود در يک مولکول کافي نيست. و اين اتمها بايد آرايش ويژه‌‌‌اي داشته باشند. بنابراين، آرايش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها مي‌شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.
با توجه به اينکه هم مولکولها و هم اتمها به قدري کوچک هستند که ديده نمي‌شوند، شيميدانان چگونه مي توانند نوع آرايش اتم‌ها را در مولکولها بيابند؟
نخستين گام را در اين راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگليسي برداشت. او مولکول‌هاي آلي را با برخي از فلزات ترکيب کرد و دريافت که اتمِ يک نوع فلزِ، هميشه با تعداد مشخصي از مولکول‌هاي آلي ترکيب مي‌شود. او نتيجه گرفت که هر اتم توانايي و ظرفيت خاصي براي ترکيب با عناصر ديگر دارد. او اسم اين خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمه‌اي لاتين به معناي "ظرفيت" يا "توانايي" است. براي مثال وقتي مي‌گوييم:"ظرفيت هيدروژن «يک» است"، يعني اتم هيدروژن تنها با يک اتم ديگر مي‌تواند ترکيب شود. ظرفيت اکسيژن «دو»، نيتروژن «سه» و کربن «چهار» است.
اسکات کوپرِ اسکاتلندي، نيز در 1858 ميلادي نظريه "پيوندهاي شيميايي" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" يا "پيوند" به يکديگر متصل مي‌شوند و مولکولهاي مختلف را تشکيل مي‌دهند. طبق نظريه او، هر اتم به اندازه "ظرفيت" يا "والانس" خود مي‌تواند با اتمهاي ديگر پيوند بدهد. کوپر همچنين مدلی را برای نشان دادن ساختار مولکول ها پیشنهاد کرد .
استفاده از روش کوپر براي نشان دادن ساختمان مولکول‌هاي کوچک و غير آلي، به راحتي مقدور بود، اما در مورد مولکول‌هاي بزرگتر و مواد مرکب آلي، مشکلاتي وجود داشت که گاه باعث گمراهي مي‌شد. از اينرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفيت را در موردِ مواد مرکب آلي برطرف کند. "فردريش آگوست ککوله" با توجه به اين مسأله که هر اتم کربن ظرفيت اتصال به چهار اتم ديگر را دارد، توانست مسايل مربوط به تعداد زيادي از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر مي‌رسيد- را حل کند.
امروزه نيز از همين مدل براي نشان دادن مولکولها و همچنين توضيح خواص آنها استفاده مي‌شود.

اما شيمي‌دانان ها چگونه مي‌توانند بين ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به اين‌که از چه عناصر تشکيل شده‌اند و داراي چه آرايشي هستند، خواص مختلفي دارند. براي مثال موادي که خاصيت اسيدي از خود نشان مي‌دهند در ساختار مولکولي خود اتم هيدروژني دارند که به اکسيژن متصل است و آن اتم اکسيژن هم با يک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پيوند دارد. حال اگر به جاي اتم نافلز، يک اتم فلز مانند سديم، کلسيم يا ... قرار گيرد، ترکيب به جاي "خصلت اسيدي"، "خاصيت قليايي" خواهد داشت.
در داروها و مولکول‌هاي بزرگ، خواص ترکيب به عوامل متعددي بستگي دارد. در نانو فناوري که هدف ساختن مولکولي جديد با رفتاري خواص است، يک دانشمند شيمي مولکولي با استفاده از تخصص خود، آرايشي از اتم‌ها را پيشنهاد مي‌کند که خواصيت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوي ديگر بايد بدانيم مولکولها صرفاً آنچه ما روي کاغذ رسم مي‌کنيم نيستند. مولکول‌ها داراي بعد هستند و فضا اشغال مي‌کنند.
يک مولکول در فضا آرايشهاي مختلفي را مي‌تواند اختيار کند. درحال حاضر با استفاده از يک سري فنون خاص و به کمک کامپيوتر مي‌توان آرايش‌هاي مختلف را پيش‌بيني کرده و چگونگي قرار گرفتن اتمها را در کنار يکديگر را بررسي کرد. همچنين مي توان حدس زد که هر آرايش مولکولي چه خواصي را موجب مي‌شود. اين کار نيز به واسطه اطلاعاتي که يک دانشمند شيمي مولکولي از مطالعه ساختارهاي مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذير مي‌باشد.
شاخه‌اي از نانوفناوري که با بهره‌گيري از شيمي مولکولي و روشهاي محاسباتي فيزيکي و مکانيک کوانتومي، آرايشهاي متنوع مولکولها را بررسي مي‌کند را نانوفناوري محاسباتي مي‌نامند .

نيروي الكتريكي موثر هسته، عبارت از نيروي الكتريكي است كه يك الكترون را به طرف هسته مي كشد. مثال اتم هيدروژن داراي يك پروتون و يك الكترون است. فرض كنيم نيروي الكتريكي كه از طرف هسته بر الكترون وارد مي شود برابر يك واحد باشد. اتم هليوم داراي دو پروتون و الكترون است. اما نيرويي الكتريكي كه بر هريك از الكترونهاي اتم هليوم وارد مي شود، برابر دو واحد نيست و نيروي الكتريكي موثري كه بر هر الكترون در اتم هليوم وارد مي شود تقريباً برابر 1.7 واحد است.

قاعده ي استالر : Staler's Rule
براي نخستين بار استالر روش ساده اي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر وارد به هر الكترون را ارائه داد. بنابر روش استالر نيروي الكتريكي هسته كه بر هر الكترون وارد مي شود، به اندازه ي S كاهش مي يابد و نيروي موثر هسته از رابطه ي زير به دست مي آيد.
Z*=Z-S.
كه در آن Z* , Z, S. به ترتيب نيروي الكتريكي موثر هسته، عدد اتمي و مقدار استالر ، يعني مقداري كه از نيروي الكتريكي واقعي كاهش مي يابد. با توجه به روش استالر نخست بايد توجه كرد كه الكترون در كداميك از مدارات اصلي يا فرعي كه بصوررت زير داده مي شود، قرار دارد:
(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5 f)...
در اين روش الكترونهاي سمت راست روي نيروي الكتريكي هسته كه بر يك الكترون وارد مي شود، تاثيري ندارند فرض كنيم مي خواهيم نيروي الكتريكي موثر بر الكتروني را كه در مدار n قرار دارد حساب كنيم در هر گروه، هر الكترون به اندازه ي 0.35 واحد از مقدار نيروي الكتريكي كه از طرف هسته اعمال مي شود، مي كاهند. الكترونهاي گروه (s,p) n-1 به اندازه 0.85 واحد مي كاهند. الكترونهاي گروه n-2 به اندازه 1 واحد مي كاهند .
مثال: در اتم Sc كه شامل 21 پروتون است داريم:
S(4s) = 1 x (.35) + 9 x .85 + 10 x 1.0 = 18
So, Z*=21-18=3.
Example 2: As from a 3d perspective (Its nuclear has 33 protons);
S(3d)=20.3 and Z*=33-20.3=12.7

روش كلمنتي و رايموندي :Clementi and Raimondi
كلمنتي و رايموندي كار خود را روي نيروي الكتريكي موثر هسته در سال 1960 شروع كردند. در اين زمان اطلاعات زيادي در زمينه مدارات و مولكولها جمع آوري شده بود و كامپپوتر نيز اختراع شده بود كه در محاسبات بسيار مفيد بود. ايشان با استفاده از تابع موج روي اتمهاي مختلف از هيدروژن تا كريپتون كار كردند و يك روش رياضي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر هسته ارائه دادند. نتايج اين روش دقيق تر از روش استالر بود :
در روش كلمنتي
Atom : Sc,4s
Staler : Z*=3
Clementi : Z*=4.632
Atom : Sc,3d
Staler : Z*=12.7.
Clementi : Z*=17.378


توجه :
قاعده ي استالر و روش كلمنتي بر مبناي آزمايش استوار است و و هيچگونه توضيح نظري ندارد كه چرا بايستي نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون در اتمهايي كه بيش از يك الكترون دارند، كاهش يابد. اجازه بدهيد اين پديده را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي كنيم. آيا نيرو تباه مي شود؟ اگر نيرو تباه نمي شود، پس چرا نيروي موثر هسته از يك مدار به مدار ديگر كاهش مي يابد؟ براي مقدار نيرويي كه كاهش مي يابد، چه اتفاقي مي افتد؟ آيا نيرو تبديل پذير است؟ نيرو به چه چيزي تبديل مي شود؟ هنگاميكه يك الكترون به طرف پروتون شتاب مي گيرد، انرژي الكترون افزايش مي يابد. سئوال اين است كه براي مقدار نيروي موجود در ميدان چه اتفاقي مي افتد؟ با توجه به نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. اجازه بدهيد كاهش نيروي الكتريكي هسته را با استفاده از تبديل نيرو و انرژي به يكديگر توضيح دهيم.

كار كوانتومي است
در مورد قضيه كار انرژي W=DE برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كلاسيك مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. هنگاميكه يك فوتون در ميدان گرانشي سقوط مي كند، انرژي آن افزايش مي يابد. همچنانكه مي دانيم انرژي فوتون كوانتومي است، لذا كار انجام شده روي آن نيز بايد كوانتومي باشد. يك كوانتوم كار را بصورت زير تعريف مي كنيم:
Wq=FgLp
كه در آن Wq, Fg, Lp از چپ براست به ترتيب كوانتوم كار، كوانتوم نيروي گرانش و طول پلانك است. و در حالت كلي مقدار كار از رابطه ي زير به دست مي آيد :
W=nWq, n is an integer number. (n=...-2, -1, 0, 1, 2...)
با اين تعريف نيروي الكتريكي موثر هسته را بررسي مي كنيم.

نيروي الكتريكي موثر هسته
با توجه به نظريه سي. پي. اچ. هنگاميكه نيرو روي يك ذره/جسم كار انجام مي دهد، اگر كار مثبت باشد، نيرو به انرژي تبديل مي شود و اگر كار منفي باشد، در اين صورت انرژي به نيرو تبديل مي شود. فرض كنيم يك اتم با تعداد Z پروتون و نيروي الكتريكي هسته Fz و نيروي الكتريكي موثر *Fz را روي يك الكترون اعمال مي كند. در طي زمانيكه نيروي الكتريكي مي خواهد به الكترون مورد نظر برسد، روي ساير الكترونهايي كه در مسير يا اطراف آن وجود دارند، كار انجام مي دهد. بنابراين مقدار Fw به انرژي تبديل مي شود، يعني E=W و به اندازه Fw از مقدار Fz كاسته خواهد شد و داريم Fz*=Fz - Fw با توجه به مدار بندي زير:
(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5 f)...
نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون مورد نظر، روي الكترونهاي سمت راست مدار بندي، هيچگونه كاري انجام نميدهد.