نظریه اتمی
نظریهٔ اتم، سنگ بنای شیمی جدید است. درک ساختار اتمی و برهمکنش اتمها، محور درک شیمی است. بیان نخستین نظریه‌ی اتمی را معمولاً به یونانیان باستان نسبت می‌دهند، اما ریشهٔ این مفهوم حتی ممکن است در تمدن‌های کهن تر باشد. بر اساس نظریه‌ی اتمی لیوکیپوس و دموکریتوس، تقسیم مستمر ماده، درنهایت، اتمها را به دست می‌دهد که قابلیت تجزیه شدن آنها ممکن نبود.
نظریه‌های اولیه
تاریخچهٔ تئوری اتمی به یونانی‌های قرن ششم و به ویژه مکتب اتم‌گرایی دموکریت برمی گردد. در حقیقت می‌توان از این بخش با عنوان نظیریه‌های اتمی اولیه یاد کرد. در اوایل قرن ۱۹ جان دالتون توانست خرد شدن متناسب یک ماده را به خوبی توضیح بدهد. دالتون تئوری خود را در ۳ بند جامع به شرح زیر بیان کرد:
عناصر از ذرات بسیار ریزی به نام اتم تشکیل شده‌اند. تمام اتم‌های یک عنصر یکسانند و اتم‌های عناصر مختلف، متفاوت.
تفکیک و اتحاد اتمها، طی واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد. در این واکنش‌ها، هیچ اتمی به وجود نمی‌آید یا از بین نمی‌رود و هیچ یک از اتم‌های یک عنصر به اتمی از عنصر دیگر تبدیل نمی‌شوند.
یک ترکیب شیمیایی، نتیجهٔ ترکیب اتم‌های دو با چند عنصر است. نوع اتم‌های موجود در یک ترکیب و نسبت آنها همیشه ثابت است.
نظریهٔ دالتون، در مفهوم کلی خود، هنوز هم معتبر است، اما نخستین اصل او باید اصلاح شود. دالتون بر این باور بود که تمام اتم‌های یک عنصر دارای جرم اتمی یکسانی هستند. امروزه می‌دانیم که بسیاری از عناصر دارای ایزوتوپهایی با جرم‌های اتمی متفاوت هستند. ولی می‌توان گفت که تمام اتم‌های یک عنصر به لحاظ شیمیایی یکسانند و اتم‌های یک عنصر با اتم‌های عناصر دیگر تفاوت دارند. به علاوه، برای اتم‌های هر عنصر می‌توان جرم اتمی میانگین به کار برد.
دالتون جنبه‌های کمی نظریهٔ خود را از دو قانون مربوط به تغییر شیمیایی استخراج کرد:
قانون بقای جرم که می‌گوید طی یک واکنش شیمیایی تغییر قابل سنجشی در جرم صورت نمی‌گیرد.
قانون نسبت‌های معین که می‌گوید یک ترکیب خالص همیشه شامل عناصر یکسانبا نسبت جرمی یکسان است.
بر اساس این نظریه، دالتون توانست قانون سوم ترکیب شیمیایی یعنی قانون نسبت‌های چندگانه را بیان کند. بر مبنای این قانون، هنگامی که دو عنصر A و B بیش از یک جسم تشکیل دهند، نسبت مقادیری از A که در این اجسام با مقدار ثابتی B ترکیب شده‌است، اعداد صحیح و کوچکی خواهد بود.
مدل اتمی تامسون
بعد از آن نظریه‌هایی توسط جوزف جان تامسون طی آزمایش‌هایی بر روی پرتو کاتدی که به نظریه کیک کشمشی یا هندوانه‌ای مشهور است، منتشر شد. بر طبق مدل تامسون:
الکترون‌ها در محیطی ابرگونه از جنس بار مثبت پراکنده شده‌اند.
جرم فضای ابرگونه تقریباً صفر است.
سنگینی اتم ناشی از وجود تعداد زیاد الکترون در آن است (بیشتر جرم اتم مربوط به جرم الکترون است).
آزمایش مشهور صفحه طلای رادرفورد به وضوح سه بند مذکور را رد کرد و سبب شکل‌گیری مدل جدیدی برای توصیف اتم، به نام اتم هسته‌دار شد.
سپس ارنست رادرفورد نظریه اتم هسته دار را مطرح کرد. پس از آن نیلز بور نظریه اتمی ای را که در مورد موارد تک الکترونی صحبت میکرد را بیان کرد. این نظریه با وجود برتری نسبی در مقایسه با نظریه‌های پیش از حود، به دلیل تناقض با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و محدودیت در توصیف سیستمهای چند الکترونی کنار گذاشته شد. سپس توسط شرودینگر نظریه کوانتومی بر مبنای مکانیک کوانتومی و با توجه به تابع سای در معادله شرودینگر مطرح شد که بر موجی رفتار کردن الکترون پایه شده بود. ایدهٔ این نظریه (نگاه موجی به ماده) برخلاف نظریه‌ی موجود در زمینه‌ی اثر فوتوالکتریک بود که به نور نگاه ماده‌گرایانه داشت.
معادله شرودینگر
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نشان می‌دهد که هرگونه کوششی برای گسترش الگوی بور، بی‌نتیجه است. پیش‌بینی دقیق مسیر یک الکترون در اتم غیر ممکن است. اروین شرودینگر، به به کار بردن رابطه دوبروی، معادله‌ای برای توصیف الکترون بر مبنای خصلت موجی آن بیان کرد.
معادله‌ی شرودینگر، اساس مکانیک موجی است.این معادله، به صورت یک تابع موجی، سای، برای یک الکترون نوشته می‌شود. با حل این معادله برای الکترون اتم هیدروژن، تعدادی تابع موجی به‌دست می‌آید. هریک از این توابع موجی، به تراز انرژی مشخصی برای الکترون مربوط است و بیان‌گر ناحیه‌ای است که الکترون را در آن می‌توان یافت. تابع موجی یک الکترون بیان‌گر چیزی به نام اوربیتال است.
چکیده مطالب
نظریه‌ی اتمی جدید، ریشه در کارهای جان دالتون دارد که نظریه‌ی خود را بر قانون بقای جرم و قانون نسبت‌های معین، استوار کرد. دالتون، قانون سوم ترکیب شیمیایی، یعنی قانون نسبت‌های چندگانه را پیشنهاد کرد.
یک اتم که کوچک ترین ذره‌ی یک عنصر برای ترکیب با اتم‌های سایر عناصر و تشکیل ترکیبات شیمیایی است، خود از ذرات ربز تری به نام ذرات بنیادی تشکیل شده است. ذرات بنیادی، یعنی الکترون، پروتون و نوترون، با استفاده از چند آزمایش کلاسیک شناسایی شدند و موقعیت آنها در اتم مشخص گردید.
الکترون، بار منفی، e-، دارد، پروتون دارای بار مثبت برابر با بار الکترون اما با علامت مخالف e+ است. نوترون، بار ندارد. جرم الکترون، بسیار کوچکتر از جرم پروتون یا نوترون است.
پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته قرار دارند که مرکز اتم به‌شمار می‌رود. اندازه‌ی هسته، در مقایسه با اندازه‌ی کلی اتم بسیار کوچک است، اما بخش اعظم جرم اتم را تشکیل می‌دهد و (به دلیل پروتون‌هاو نوترون هایش) بار مثبت دارد. الکترون‌ها که بخش اعظم حجم اتم را اشغال کرده‌اند، در پیرامون هسته قرار دارند. شمار الکترون‌ها و پروتون‌های هسته در یک اتم خنثی برابر است، در نتیجه کل بار منفی برابر با کل بار مثبت است. تعداد الکترون‌های یون‌های یک اتمی (اتم‌های باردار) بیشتر از تعداد پروتون‌ها (یون‌های منفی)، یا کمتر از تعداد پروتون‌ها (یون‌های مثبت) است.
تعداد پروتون‌های موجود در هسته‌ی یک تم با عدد اتمی مشخص می‌شود. تمام اتم‌های یک عنصر، عدد اتمی یکسان دارند. موقعیت عناصر در جدول تناوبی، با عدد اتمی‌شان مشخص می‌شود.
جمع بندی
تمام مدل‌های اتمی رد شده که امروزه بخش عمده‌ی اعتبار خود را از دست داده‌اند، در رسیدن به آنچه باور امروز بشر از ساختار اتم را شکل می‌دهد نقش بسزایی داشته‌اند.
اگر انسان می‌خواست صبر کند تا کاری را آن قدر خوب انجام دهد که هیچ‌کس نتواند ایرادی بر آن بگیرد، هرگز کاری انجام نمی‌داد.
همان‌گونه که مرتضی خلخالی در نوشته‌ی بالا به درستی بیان کرد، حتی قدیمی ترین نظریات موجود در این زمینه نیز سبب به‌وجود آمدن تفکرات بعد شدند.
واکنش شیمیایی
واکنش شیمیایی (به انگلیسی: Chemical reaction) فرایندی است که در آن ساختار ذره‌های تشکیل دهندهٔ مواد اولیه دچار تغییر می‌شود؛ یعنی طی آن یک یا چند ماده شیمیایی به یک یا چند ماده شیمیایی دیگر تبدیل می‌شود.
انواع تغییرات مواد
تغییراتی که در واکنشی بر روی مواد واکنش‌دهنده صورت میگیرد، بطور کلی به دو نوع تغییرات فیزیکی و شیمیایی تقسیم می‌شوند.
تغییرات فیزیکی
در تغییرات فیزیکی فقط حالت فیزیکی ماده تغییر می‌یابد نه ساختار ذره‌های تشکیل دهنده ماده. بنابراین تغییرات همهٔ حالات ماده مانند ذوب، انجماد، تبخیر، میعان، تصعید و چگالش و همچنین انحلال نمکها و بازها در آب، تغییر فیزیکی هستند.
تغییرات شیمیایی
در تغییرات شیمیایی اتصال اتمها به یکدیگر و آرایش الکترونی آنها در واکنش دهنده‌ها تغییر می‌یابد. البته در یک واکنش شیمیایی، اتمها نه بوجود می‌آیند و نه از بین می‌روند و تنها ترکیب، تجزیه یا بازآرایی می‌شوند. واکنش شیمیایی بیان یک تغییر شیمیایی است که ممکن است با آزاد کردن انرژی به صورت گرما، نور یا صوت همراه باشند و تولید گاز، تشکیل رسوب یا تغییر رنگ در پی داشته باشند.
روی دادن تغییر فیزیکی و تغییر شیمیایی بطور متوالی
مواردی وجود دارد که هر دو تغییر فیزیکی و شیمیایی بر روی یک پدیده، بطور متوالی اتفاق می‌افتند. برای نمونه، با حرارت دادن تکه‌ای قند در لوله آزمایش، ابتدا قند ذوب می‌شود که یک پدیده فیزیکی است. سپس به رنگ قهوه‌ای در می‌آید که نشان‌دهنده شروع تبدیل قند به کربن و یک پدیده شیمیایی است. در ادامه مقداری بخار آب به بالای لوله می‌رسد که نشانه تجزیه قند و ادامه پدیده شیمیایی پیشین است. سپس قطره‌های آب روی دیواره لوله آزمایش پدیدار می‌شود که نشان‌دهنده میعان بخار آب آزاد شده و یک پدیده فیزیکی است. در پایان، در لوله ماده‌ای سیاه رنگ، بی‌مزه و نامحلول در آب (برخلاف قند اولیه) باقی می‌ماند که این ماده ذغال است و با توجه به تغییر رنگ، مزه و حلالیت آن در آب نشان‌دهنده وقوع یک پدیده شیمیایی است.
انرژی شیمیایی
هر نوع پیوندی میان اتم‌های مختلف سازنده مولکول‌های یک جسم، نوعی انرژی در انرژی شیمیایی دارد که مقدار آن به نوع اتمها و نحوه قرار گرفتن آنها در مولکول بستگی دارد. در یک واکنش شیمیایی، در واقع اتصال اتمها به یکدیگر در واکنش‌ها تغییر می‌کند و در نتیجه انرژی شیمیایی فراورده‌های واکنش با انرژی شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها تفاوت پیدا می‌کند.
به عنوان مثال، واکنش گاز کلر با گاز هیدروژن را در نظر بگیریم. گاز کلر از مولکول‌های دو اتمی Cl۲ و گاز هیدروژن از مولکول‌های دو اتمی H۲ تشکیل شده‌اند. فراورده واکنش، کلرید هیدروژن HCl خواهد بود که در مقایسه با واکنش‌دهنده، پیوندهای کاملاً متفاوتی دارد و از این رو انرژی شیمیایی آنها متفاوت است.
اکنون این پرسش پیش می‌آید که با توجه به متفاوت بودن انرژی شیمیایی فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها و قانون پایستگی انرژی، این اختلاف انرژی چطور ظاهر می‌شود؟
تغییرات گرماگیر و تغییرات گرمازا
مطابق قانون پایستگی انرژی در هر واکنش باید انرژی کل ثابت بماند. بنابراین در واکنش‌ها، اختلاف انرژی میان فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها به صورت گرما ظاهر می‌شود. از این رو، واکنش‌هایی نظیر واکنش‌های سوختن متان که با تشکیل کلرید هیدروژن در آنها، سطح انرژی فراورده‌های واکنش از مواد واکنش‌دهنده پایین‌تر باشد، به علت تولید انرژی گرمایی، گرمازا می‌گوییم و در مقابل واکنش‌هایی که در آنها سطح انرژی شیمیایی فراورده‌ها بیشتر از واکنش‌دهنده‌ها باشد، واکنش‌های گرماگیر نامیده می‌شوند و برای انجام چنین واکنشی باید مقداری گرما به اجزای واکنش‌دهنده داده شود، مانند تجزیه کردن کلرید آمونیوم جامد که با گرم کردن، به دو گاز آمونیاک و کلرید هیدروژن تبدیل می‌شود.
بنابراین در اندازه گیری و محاسبه انرژی واکنش‌های شیمیایی، چیزی که همیشه محسوس و قابل اندازه‌گیری است، تفاوت محتوای انرژی یا به عبارتی سطح انرژی مواد اولیه و محصولات عمل است که معمولاً به تغییر محتوای گرمایی، تغییر آنتالپی گفته می‌شود و با ΔH نمایش می‌دهند و در یک واکنش گرمازا داریم:
H1: سطح انرژی مواد واکنش دهنده
H2: سطح انرژی مواد حاصل
H2 <H1 H2-H1<0
به این ترتیب تغییر آنتالپی ΔH در یک واکنش انرژی‌ده، منفی است.
در یک واکنش گرماگیر داریم:
H2>H1→H2-H1>0→ΔH>0
پس تغییر آنتالپی، ΔH در یک واکنش انرژی‌گیر، مثبت است.
واکنش‌های شیمیایی برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر
واکنش‌های برگشت‌ناپذیر
در این قبیل واکنش‌ها، محصولات واکنش بر هم اثر شیمیایی ندارند. به همین دلیل واکنش فقط در جهت رفت انجام میگیرد و تا مصرف‌شدن کامل واکنش‌دهنده پیش می‌رود. مثلاً اگر تکه‌ای نوار منیزیم را در ظرف محتوی HCl وارد کنیم، واکنش شدیدی میان منیزیم و اسید رخ می‌دهد و کم کم در اسید حل و ناپدید می‌شود و همزمان با ناپدیدشدن فلز، حباب‌های گاز هیدروژن درون اسید به چشم می‌خورند که از ظرف خارج می‌شوند.
بنابراین این واکنش یک‌طرفه است و فقط در جهت رفت پیش می‌رود. یعنی اگر مقداری گاز هیدروژن را در محلول کلرید وارد کنیم، هیچ واکنشی انجام نمی‌گیرد.
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
علاوه بر واکنش بالا سوختن انواع سوخت‌ها مانند بنزین، نفت، گاز طبیعی و... در مجاورت هوا، محکم شدن تدریجی سیمان، پختن تخم مرغ، مچاله شدن نایلون در برابر شعله، نمونه‌هایی از واکنش‌های برگشت‌ناپذیرند.
واکنش‌های برگشت‌پذیر
این واکنش‌ها در شرایط مناسب در هر دو جهت رفت و برگشت پیش می‌روند، مثلاً اگر بخار آب را از روی گرد آهن داغ عبور دهند، اکسید آهن همراه با گاز هیدروژن پدید می‌آید.
(3Fe(s) + 4H2O(g) → Fe3O4(s) + 4H2(g
و اگر گاز هیدروژن را بر اکسید آهن (Fe3O4) عبور دهند، آهن و بخار آب تولید می‌شود. واکنش برگشت: (Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(s) + 4H2O(l
واکنش رفت و برگشت در مجموع یک واکنش برگشت‌پذیر را تشکیل می‌دهند. در نتیجه واکنش اثر بخار آب بر آهن داغ برگشت‌پذیر است. در زندگی با موارد زیادی از واکنش‌های برگشت‌پذیر برخورد می‌کنیم، مانند شارژ دوبارهٔ باتری اتومبیل. مواد شیمیایی موجود در باتری خودرو هنگام تولید جریان برق به تدریج مصرف شده و به مواد دیگری تبدیل می‌شود. با شارژ مجدد باتری، واکنش‌های برگشت انجام می‌گیرند و مواد اولیه پدید می‌آیند.
مثال‌هایی از فرایندهای شیمیایی
همان طور که در پیش گفته شد، در تغییر شیمیایی ماهیت شیمیایی مواد تغییر می‌یابد و فراورده‌های جدید با خواص متفاوت از مواد اولیه تولید می‌شود. بنابراین پدیده‌های زیر نمونه‌هایی از تغییرهای شیمیایی هستند:
سوختن انواع سوخت‌ها. مانند بنزین، نفت، گاز طبیعی و... در مجاورت هوا
زنگ زدن فلزات
گوارش غذا
رسیدن میوه
پختن غذا
فساد مواد
سفت شدن تدریجی سیمان
انحلال آمونیاک در آب. زیرا در اثر انحلال، قسمتی از مولکول‌های آمونیاک با مولکول‌های آب ترکیب شده و ماده جدیدی به نام هیدروکسیدآمونیوم تولید می‌نمایند. به همین دلیل که واکنش شیمیایی بین حلال و حل شونده رخ می‌دهد، حل شدن بیشتر جنبه شیمیایی دارد.
لخته شدن مواد کلوئیدی. در اثر لخته شدن پیوندهای جدیدی تشکیل می‌گردد که باعث تجمع مولکول‌های یک محلول کلوئیدی می‌شود.
ایجاد گاز (اکسیژن) در اثر حرارت اکسید جیوه
مکانیک کوانتومی
مکانیک کوانتومی شاخه‌ای بنیادی از فیزیک نظری است که با پدیده های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی سرو کار دارد. دراین مقیاس، کُنِش های فیزیکی در حد و اندازه های ثابت پلانک هستند. بنیادی ترین تفاوت مکانیک کوانتومی با مکانیک کلاسیک در قلمرو کوانتومی است که به ذرات در اندازه های اتمی و زیراتمی می پردازد. مکانیک کوانتومی بنیادی‌تر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است، زیرا در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی که این نظریه‌ها با شکست مواجه می‌شوند، می‌تواند با دقت زیادی بسیاری از پدیده‌ها را توصیف کند. مکانیک کوانتومی به همراه نسبیت عام پایه‌های فیزیک جدید را تشکیل می‌دهند.
مکانیک کوانتومی که به عنوان نظریه کوانتومی نیز شناخته شده است، شامل نظریه ای درباره ماده، تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است.
آشنایی
واژهٔ کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا می‌آید که این نظریه به بعضی از کمیت‌های فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون) تحت شرایط خاص، مقدارهای گسسته‌ای نسبت می‌دهد. پایه‌های مکانیک کوانتومی در نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، لویی دوبروی، نیلس بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبه‌های بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.
در حوالی ابتدای قرن بیستم، کشفیات و تجربه های زیادی نشان میدادند که در مقیاس اتمی نظریه‌های کلاسیک نمی‌توانند توصیف کاملی از پدیده ها ارائه دهند. وجود همین نارسایی ها موجب نخستین ایده ها و ابداع ها در مسیر ایجاد نظریه کوانتومی شدند. بعنوان یکی از مثال های بسیار مشهور اگر قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند، الکترون‌ها بایستی به سرعت به سمت هسته اتم حرکت کرده و بر روی آن سقوط می کردند و در نتیجه اتم ها ناپایدار میشدند. ولی در دنیای واقعی الکترون‌ها در نواحی خاصی دور اتمها باقی می‌مانند و چنین سقوطی مشاهده نمیشود. تلاش اولیه برای حل این تناقض توسط نیلس بور با پیشنهاد فرضیه اش دایر بر وجود مدارهای مانا رخ داد، که موفقیت هایی هم در توصیف طیف اتم هیدروژن داشت.
پدیدهٔ دیگری که در این مسیر جلب توجه میکرد، مطالعه رفتار امواج الکترومغناطیسی مانند نور در برهمکنش با ماده بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه پیشنهاد کرد که برای توصیف صحیح مساله تابش جسم سیاه، می توان انرژی این امواج را به شکل بسته‌های کوچکی (کوانتا یا کوانتوم) در نظر گرفت. آلبرت اینشتین از این فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می‌توان با ذره‌ای به نام فوتون که انرژی‌اش به بسامد موج بستگی دارد توصیف کرد. در ادامه، با نظریه دوبروی دایر بر امکان توصیف حرکت ذرات بوسیله امواج، این نظریه‌ها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج-ذره برای ذرات و امواج الکترومغناطیسی منجر شدند که برطبق آن، ذرات هر دوی رفتارهای موجی و ذره ای را از خود نشان می دهند.
تلاش ها برای تبیین تناقضات و ایجاد رهیافت های جدید، منجر به تکوین ساختار جدیدی موسوم به مکانیک کوانتومی شد که توسط دو فرمولبندی جداگانه (که بعدا معلوم شد هم ارزند) موسوم به مکانیک ماتریسی (عمدتا توسط هایزنبرگ) و مکانیک موجی (بیشتر توسط شرودینگر) توصیف می شد. بعنوان مثال، ایده ی توصیف ذرات با امواج، مولد ابداع مفهوم بسته های موجِ همبسته ذرات شد. به نوبۀ خود، تلاش برای یافتن معادلات حاکم بر تحول زمانی این بسته های موج به معادله موج یا معادله شرودینگر منتهی شد.
در تعبیری که توصیف شرودینگر از مکانیک کوانتومی بدست می دهد، حالت هر سیستم فیزیکی در هر لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج مختلط توصیف می‌شود . چون تابع موج یک کمیت مختلط است، خود مستقیما مبین یک کمیت فیزیکی نیست، اما با استفاده از این تابع می‌توان احتمال بدست آمدن مقادیر مختلف حاصل از اندازه گیری یک کمیت فیزیکی را پیش‌بینی کرد. در حقیقت این احتمال با ضریبی از مربع قدرمطلق تابع موج (که کمیت اخیر حقیقی است) برابر است. بعنوان مثال از کاربرد این تابع احتمال، با آن می‌توان احتمال یافتن الکترون در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص؛ یا احتمال بدست آمدن مقدار خاصی برای کمیت تکانه زاویه ای سیستم را محاسبه کرد. یا مثلا به کمک تابع موج و توزیع احتمال بدست آمده از آن، می توان محتملترین مکان (یا مکان های) حضور یک ذره در فضا را یافت (که در مورد الکترون‌های یک اتم گاهی به آن اُربیتال می‌گویند). البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام ناحیه ناحیه پخش شده‌است، و الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست.
در مکانیک کلاسیک پیش بینی تحول زمانی مقادیر کمیت ها و اندازه گیری مقادیر کمیت ها در نظریه با هر دقت دلخواه ممکن است و تنها محدودیت موجود، خطای متعارف آزمایش و آزمایشگر، یا فقدان داده های اولیه کافی است. اما در مکانیک کوانتومی فرآیند اندازه گیری یک محدودیت ذاتی بهمراه خود دارد. در واقع نمی‌توان برخی کمیت ها (کمیت‌های مزدوج) را همزمان و با هر دقت دلخواه اندازه گیری کرد؛ مانند مکان و تکانه. اندازه گیری دقیقتر هریک از این کمیت ها، منجر به از دست رفتن هرچه بیشتر داده های مربوط به کمیت دیگر می شود. این مفهوم که به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مشهور است، از مفاهیم بسیار مهم در مکانیک کوانتومی بوده و با مفهوم بنیادین "تاثیر فرآیند اندازه گیری بر حالت سیستم" که از ابداعات اختصاصی مکانیک کوانتومی (دربرابر مکانیک کلاسیک است) همبسته است.
توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانه‌های فیزیکی اهمیت زیادی دارد، و بسیاری از شاخه‌های دیگر فیزیک و شیمی از مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود استفاده می‌کنند؛ مانند فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی کوانتومی، فیزیک ذرات بنیادی، و فیزیک هسته‌ای. مکانیک کوانتومی علاوه بر این که دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف می‌کند، برای توضیح برخی از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد دارد، مانند ابررسانایی و ابرشارگی. همچین کاربردهای وسیعی در حوزه فناوری های کاربردی ، بر مفاهیم و دستاوردهای مکانیک کوانتومی استوار هستند.
مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک
اثرات و پدیده‌هایی که در مکانیک کوانتومی و نسبیت پیش‌بینی می‌شوند، فقط برای اجسام بسیار ریز یا در سرعت‌های بسیار بالا آشکار می‌شوند. تقربیاً همهٔ پدیده‌هایی که انسان در زندگی روزمره با آنها سروکار دارد به طور کاملاً دقیقی توسط فیزیک نیوتنی قابل پیش بینی است.
در مقادیر بسیار کم ماده، یا در انرژی‌های بسیار پایین، مکانیک کوانتومی اثرهایی را پیش‌بینی می‌کند که فیزیک کلاسیک از پیش‌بینی آن ناتوان است. ولی اگر مقدار ماده یا سطح انرژی را افزایش دهیم، به حدی می‌رسیم که می‌توانیم قوانین فیزیک کلاسیک را بدون این که خطای قابل ملاحظه‌ای مرتکب شده باشیم، برای توصیف پدیده‌ها به کار ببریم. به این «حد» که در آن قوانین فیزیک کلاسیک (که معمولاً ساده‌تر هستند) می‌توانند به جای مکانیک کوانتومی پدیده‌ها را به درستی توصیف کنند، حد کلاسیک گفته می‌شود.
کوشش برای نظریهٔ وحدت‌یافته
وقتی می‌خواهیم مکانیک کوانتومی را با نظریهٔ نسبیت عام (که توصیف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) ترکیب کنیم، به ناسازگاری‌هایی برمی‌خوریم که این کار را ناممکن می‌کند. حل این ناسازگاری‌ها هدف بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم و بیست‌ویکم است. فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در راه رسیدن به نظریهٔ وحدت‌یافتهٔ نهایی تلاش می‌کنند؛ نظریه‌ای که نه تنها مدل‌های مختلف فیزیک زیراتمی را یکی کند، بلکه چهار نیروی بنیادی طبیعت -نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش- را نیز به شکل جلوه‌های مختلفی از یک نیرو یا پدیده نشان دهد.
مکانیک کوانتومی و زیست‌شناسی
تحقیقات چند موسسه در آمریکا و هلند نشان داده است که بسیاری از فرایندهای زیستی از مکانیک کوانتومی بهره می‌برند. قبلا تصور می‌شد فتوسنتز گیاهان فرایندی بر پایه بیوشیمی است اما تحقیقات پروفسور فلمینگ و همکارانش در دانشگاه برکلی و دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس به کشف یک مرحله کلیدی از فرآیند فوتوسنتز منجر شده که بر مکانیک کوانتومی استوار است. همچنین پژوهشهای کریستوفر آلتمن، پژوهشگری از موسسه دانش نانوی کاولی در هلند، حاکی از آن است که نحوه کارکرد سلولهای عصبی خصوصا در مغز که تا مدتها فرایندی بر پایه فعالیتهای الکتریکی و بیوشیمی پنداشته می‌شد و محل بحث ساختارگرایان و ماتریالیستها و زیستشناسها بود، شامل سیستمهای کوانتومی بسیاری است. این پژوهشها نشان می‌دهد که سلول عصبی یک حلزون دریایی می‌تواند از نیروهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده کند. در انسان نیز، فیزیک کوانتومی احتمالا در فرآیند تفکر دخیل است.
رزونانس مغناطیسی هسته‌ای
تشدید مغناطیسی هسته‌ای (به انگلیسی: Nuclear magnetic Resonance) یک پدیدهٔ فیزیکی بر اساس مکانیک کوانتمی است.
در حضور یک میدان مغناطیسی قوی، انرژی هسته‌های عناصر مشخصی به علت خواص مغناطیسی این ذرات به دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می‌شوند. الکترون‌ها نیز به طریقی مشابه هسته عمل می‌کنند. انتقالات میان ترازهای انرژی القاشدهٔ مغناطیسی حاصل می‌تواند با جذب تابش الکترومغناطیسی با بسامد مناسب انجام شود. درست شبیه انتقالات الکترونی که با جذب تابش فرابنفش یا مرئی صورت می‌پذیرد. اختلاف انرژی بین ترازهای کوانتومی مغناطیسی برای هسته‌های اتمی به مقداری است که با تابش در گستره‌ای از ۰٫۱ تا ۱۰۰MHz مطابقت دارد. طیف‌بینی NMR هم به منظور کارهای کمّی و هم به منظور شناسایی کیفی مولکول‌ها مورد استفاده قرار میگیرد. هر چند که قدرت اصلی این دستگاه در شناسایی کیفی ترکیبات آلی و زیستی بسیار پیچیده‌است.
در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است، اما زمانی که اتمها در حضور میدان مغناطیسی قرار میگیرد بر اساس خصوصیت Zeeman حالت تبهگن سیستم کاهش پیدا می کند.با نا پدید شدن میدان اتم تشدید کرده و تابش‌های را از خود نشان می دهد که با ان تشدید مغناطیس هسته می گویند.
دستگاه طیف‌سنج NMR
اجزای مهم یک طیف‌سنج NMR عبارت است از:
مغناطیس
پیمایش میدان مغناطیسی: یک جفت سیم‌پیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیسی، که تناوب میدان اعمال شده در یک گسترهٔ کوچک را امکان‌پذیر می‌سازد.
منبع موج رادیویی
آشکارساز
کاربردها
در این روش می‌توان از طریق میزان احساس میدان به وسیله‌ی هسته یک اتم ، شکافتگی‌های حاصل از اتم‌های مجاور در طیف را در یافت. این شکافتگی‌ها نشان‌دهنده‌ی الگوی ساختاری پیچیده‌ای هستند که می‌توان از طریق آنها به چینش اتمها در یک مولکول پی برد.
محاسبات
امروزه محاسبات بر اساس اصول مکانیک کوانتمی به عنوان یکی از روش‌های جدید محاسباتی مطرح است که در بسیاری از زمینه‌ها از محاسبات کلاسیک موفق‌تر بوده است. تشدید مغناطیسی هسته به دلیل این که از این اصول پیروی می‌کند به عنوان یکی از ماشین‌های محاسبات کوانتمی مطرح است. در سال ۱۳۸۱ شرکت IBM با استفاده از تشدید مغناطیس هسته توانست تجزیه به عوامل اول را در زمان چند جمله‌ای انجام دهد. این کار گرچه برای عدد ۱۵ انجام شد اما یک موفقیت بزرگ در علم محاسبات است.
نظریه نسبیت
نظریه یا نگره نسبیت یا همان نسبیت دو نظریه اصلی و معروف نسبیت خاص و نسبیت عام از آلبرت اینشتین را در بر میگیرد. ایده اصلی در پشت این نظریه آن است که زمان و فضا با هم مرتبط هستند و نه جدای از هم و ثابت.
آغاز به کار بردن واژه «نگره نسبیت» به ۱۹۰۶ بر می‌گردد؛ هنگامی که ماکس پلانک ترکیب "نظریه نسبی" (در آلمانی: Relativtheorie) را به کار برد و بر چگونگی به کار برده شدن اصل نسبیت توسط این نظریه تاکید کرد. اما این آلفرد بوخرر بود که در بخش بحث مقاله پلانک، برای نخستین بار ترکیب "نظریه نسبیت" (در آلمانی: Relativitätstheorie) را به کار برد.
نسبیت خاص
نسبیت خاص نگره‌ای بر روی ساختار فضازمان است. این نگره در سال ۱۹۰۵ توسط اینشتین و در مقاله‌ای به نام "درباره الکترودینامیک اجسام در حال حرکت" ارایه شد. این نگره بر پایه دو فرضی است که در تناقض با مکانیک کلاسیک هستند:
قوانین فیزیک برای همه ناظران در دستگاه مرجع لخت نسبیت به یکدیگر ثابت هستند (اصل نسبیت).
سرعت نور در خلا برای همه ناظران، صرفنظر از حرکت نسبیشان و یا حرکت منبع تولید کننده نور، ثابت است.
چنین نگره‌ای همخوانی بهتری با آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد. برای نمونه، آزمایش مایکلسون-مورلی نه تنها تاکید کننده فرض دوم است که نتایج جالب دیگری را نیز به همراه داشت:
نسبیت همزمانی: دو رویداد که برای یک ناظر همزمان هستند، ممکن است برای ناظر دیگری که نسبت به ناظر نخست در حال حرکت است همزمان نباشند.
اتساع زمانی: ساعت‌های در حال حرکت گذر زمان کمتری را نسبت به ساعت‌های ساکن تجربه می‌کنند و نشان می‌دهند.
انقباض طول: اشیای در حال حرکت در نظر یک ناظر ایستا کوتاهتر به چشم می‌آیند.
هم‌ارزی جرم و انرژی: E=mc^2 جرم و انرژی با هم هم‌ارز هستند و به هم تبدیل می‌شوند.
نور بیشترین سرعت ممکن را دارد: هیچ جسم مادی و یا پیامی نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور سفر کند.
ویژگی تعریف کننده نسبیت خاص در جابجایی ترادیسی‌های گالیله مورد استفاده در مکانیک کلاسیک با تبدیلات لورنتس است.
نسبیت عام
نسبیت عام ٬ نظریه‌ای هندسی برای گرانش است که در سال ۱۹۱۶ توسط آلبرت اینشتین مطرح گردید و تصویر کنونی فیزیک جدید از گرانش را تشکیل می‌دهد. نسبیت عام ٬ نظریه نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتن را تعمیم می‌دهد و توصیفی یکتا از گرانش به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان ٬ یا فضازمان ارائه می‌کند. به خصوص در این نظریه ٬ انحنای فضازمان ٬ به طور مستقیم بهانرژی و تکانه هر ماده و تابشی که موجود باشد مربوط است. این رابطه توسط معادلات میدان اینشتین مشخص می‌گردد ٬که یک دستگاه معادلات مشتقات پاره‌ای را تشکیل می‌دهند.
برخی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام ٬به خصوص موارد مرتبط با گذشت زمان٬ هندسه‌ی فضا٬حرکت اجسام هنگام سقوط آزاد و انتشار نور ٬ با پیش‌بینی‌های نظریه‌های فیزیک کلاسیک تفاوت بسیاری دارند. برای نمونه از چنین تفاوت‌هایی ٬ می‌توان به اتساع گرانشی زمان ٬ همگرایی گرانشی ٬ انتقال به سرخ گرانشی نور و تاخیر زمانی گرانشی اشاره کرد. پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام در همه آزمون‌ها تا به امروز تایید شده‌اند. هرچند نسبیت عام تنها نظریه نسبیتی نور نیست ٬ ساده‌ترین نظریه ای است که با آزمایش‌ها مطابقت دارد. البیته پرسش‌های بدون پاسخی باقی مانده‌اند ٬ که بنیادی‌ترین آنها چگونگی آشتی دادن نسبیت عام با فیزیک کوانتومی برای ایجاد یک نظریه خود-سازگار و کامل از گرانش کوانتومی می‌باشد.
نظریه اینشتین نتایج اخترفیزیکی مهمی به دنبال دارد.برای مثال ٬ وجود سیاه‌چاله‌ها را نشان می‌دهد – مکان‌هایی در فضا که در آن فضا و زمان طوری ناهموار شده‌اند که هیچ چیز ٬ حتی نور ٬ نمی‌تواند از آن فرار کند - ٬حالتی که در پایان عمر برای ستاره‌های پرجرم ایجاد می‌گردد. شواهد فراوانی وجود دارد که نشان می دهد تابش‌های شدید گسیل شده از برخی اجسام نجومی٬ مربوط به سیاه‌چاله‌ها است. برای مثال ٬ ریزاختروش‌ها و یا هسته کهکشانی فعال نتیجه حضور سیاه‌چاله های ستاره‌وار و سیاه‌چاله‌هایی با جرم‌های بسیار بسیار بیشتر هستند. خم‌شدن نور توسط گرانش می‌تواند منجر به پدیده‌ای موسوم به همگرایی گرانشی گردد که موجب دیده‌شدن چند تصویر از یک شئ نجومی دور٬ در آسمان می‌شود. نسبیت عام همچنین وجوپ امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند ٬ که تاکنون تنها به صورت غیرمستقیم مشاهده شده‌اند. مشاهده و اندازه‌گیری مستقیم آنها هدف پروژه‌هایی نظیر لیگو ٬ آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری ناسا/اسا و آرایه‌های گوناگون زمان‌سنجی تپ‌اختر است. همچنین ٬ نسبیت عام اساس مدل‌های کنونی کیهان‌شناختی از یک جهان در حال انبساط است.
شیمی تجزیه
شیمی تجزیه شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به مطالعه روش‌های جداسازی، شناسایی و بررسی کمی اجزاطبیعی یا مصنوعی یک ماده می‌پردازد.انواع آنالیز و تجزیه و تحلیل که در این دانش به کار گرفته می‌شوند در یک نگاه کلی به دو دسته کمی و کیفی تقسیم می‌شوند.در تجزیه کیفی نوع اجزای موجود در نمونه تعیین می‌شود و در تجزیه کمی مقدار و یا غلظت هر یک از این اجزا تعیین می‌شود.در حالت کلی آنالیز کیفی بر آنالیز کمی تقدم دارد در واقع ابتدا نوع اجزا و سپس مقادیر کمی آنها تعیین می‌شود. روش‌های تجزیه به دو دسته روش‌های کلاسیک و روش‌های دستگاهی تقسیم می‌شوند. روش‌های کلاسیک که به روش‌های شیمی تَر هم شهرت دارند از ابزار و یا سامانه‌های سنجش چندان پیشرفتهای بهره نمی‌برند.اصلی ترین انواع روش‌های کلاسیک روش‌های وزن‌سنجی و روش‌های تیتراسیون هستند. در مقابل در روش‌های دستگاهی سامانه‌ها و دستگاه‌های تجزیه و تحلیل نقش اساسی را ایفا می‌کنند.از جمله روش‌های ابزاری می‌توان به روش‌های الکتروشیمیایی،روش‌های طیف سنجی و روش‌های کروماتوگرافی اشاره کرد.
مفاهیم پایه
نمونه:عبارت است از بافتی کلان که عمل تجزیه و تحلیل بر روی آن انجام می‌شود. آنالیت:آن بخشی از نمونه است که قصد بررسی کمی آن را داریم.به عنوان مثال در عمل اندازه گیری میزان منیزیم در خاک،خاک نمونه و منیزیم آنالیت می‌باشد ویا در اندازه گیری میزان اوریک اسید در خون،خون نمونه و اوریک اسید آنالیت می‌باشد. در متون علمی در ارتباط با نمونه اغلب لفظ آنالیز و یا تجزیه را به کار می‌برند و در مورد آنالیت لفظ تعیین،همچنین محاسبه کاربرد دارد.
عوامل مهم در کارایی روش‌های تجزیه
نخستین عامل حائز اهمیت گزینش پذیری روش است به عنوان مثال فرض کنید که ما قصد اندازه گیری یون منیزیم را در یک محلول داریم اما روشی اتخاذ کرده‌ایم که یون‌های دیگری مثلا یون آلومینیم و یا اسکاندیم هم به آن جواب می‌دهد این انتخاب ما را درگیر تلاش و صرف هزینه برای کنار گذاشتن چنین عوامل مزاحمی می‌کند که باعث می‌شوند نتیجه بررسی با آن چه حقیقتا به دنبال آن هستیم مغایرت داشته باشد.از این جهت بسیار مهم است که تا جایی که امکان دارد از روش‌های گزینش‌پذیر که به تعداد کم تری از آنالیت‌ها پاسخگوست،بهره ببریم.عامل دوم حساسیت روش است در بررسی‌هایی که حتی تغییرات کوچک آنالیت در برآورد نتیجه نقش اساسی دارند بهره گیری از دستگاهی که تنها به تغییر در مقیاس بزرگ پاسخ می‌دهد مطلوب نیست.عامل مهم سوم سرعت است برای مثال در حین عمل‌های جراحی گاهی لازم است که آنالیز روی خون شخص انجام شود ونتیجه این آزمایش در ادامه روند جراحی اثر گذار است در چنین مواردی به کار بردن یک روش زمان گیر مطلوب نخواهد بود و در نهایت این که روش ما از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد نیز حائز اهمیت است.
روش‌های کلاسیک
با وجود آن که علم شیمی تجزیه امروزه تحت اثر عمده روش‌های ابزاری قرار دارد با این حال این روش‌های کلاسیک هستند که از بسیاری جهات شالوده علم شیمی تجزیه را تشکیل می‌دهند و هم چنین اساس بسیاری از ابزارها و سامانه‌های اندازه گیری بر روش‌های کلاسیک است که در ادامه شرح داده می‌شود.
آنالیز کیفی
آنالیز کیفی وجود یا نبود یک ترکیب در یک نمونه را معین می‌کند ولی در رابطه با جرم و یا غلظت ترکیب‌های یاد شده اطلاعاتی نمی‌دهد.همان گونه که از نام آنالیز کیفی پیداست این نوع آنالیز با "اندازه گیری مقدار" سر و کار ندارد.
آزمون‌های شیمیایی
آزمون‌های شیمیایی بیشماری وجود دارند که کارکرد کیفی دارند از جمله "آزمون اسید"که در تشخیص طلا کاربرد دارد و یا "آزمون کسل-مایر" که برای تعیین وجود خون کاربرد دارد.
آزمون شعله
آزمون شعله نیز از روش‌های آنالیز کیفی می‌باشد.در این آزمایش شعله در اثر تماس با محلول آنالیت‌های خاص تغییر رنگ می‌دهد.به عنوان مثال کات کبود به دلیل آن که حاوی یون‌های مس مس باشد به شعله رنگ سبز می‌دهد.البته صرف تحلیل رنگ شعله با چشم غیر مسلح نتیجه این آزمون را قابل اعتماد نمی‌کند بلکه اغلب این نورهای تغییر رنگ داده را به عنوان ورودی به دستگاه طیف بین استفاده کرده و از روی طیف حاصله و تططبیق آن با طیف‌های اتمی به وجود یا نبود عنصر یا ترکیب خاصی در نمونه اولیه پی می‌برند.رابرت بونزن و همکارش گوستاو کیرشهف پیشگام بهره گیری از آزمون شعله بودند و با همین روش هنگام بررسی طیف ناشی از یک سنگ معدنی لیتیم دار دو عنصر جدید روبیدیم(Rb) و سزیم(Cs) را کشف نمودند.
روش‌های وزن سنجی
وزن سنجی نوعی از آنالیز کیفی هست که مقدار ماده را معین می‌کند.یک نمونه از چنین آنالیزی که در آزمایش‌های سطوح مقدماتی صورت میگیرد تعیین میزان آب موجود در یک ترکیب آب پوشیده از طریق حرارت دادن به نمونه و اندازه گیری اختلاف جرم آن پیش و پس از حرارت دادن است که میزان آب تبخیر شده را نشان می‌دهد.
سنجش‌های حجمی
سنجش‌های حجمی(تیتراسیون) نوع دیگری از روش‌های آنالیز کمی می‌باشد که هدف آن یافتن یک نقطه هم ارزی است که مقدار یک گونه خاص را در یک محلول معین می‌کند.یکی از نمونه‌های سنجش حجمی که برای بسیاری آشناست سنجش‌های حجمی اسید-باز می‌باشد که در آن نقطه هم ارزی با تغییر رنگ یک شناساگر شناسایی می‌شود.انواع دیگری از سنجش‌های حجمی وجود داند از جمله سنجش‌های حجمی پتانسیومتری.
روش‌های دستگاهی
در روش‌های ابزاری از سامانه‌های اندازه گیری و ابزارها برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شود این روش‌ها نوعا به این صورت هستند که یک محرک اولیه(نور،گرما،جریان الکتریکی،ولتاژ و...)به نمونه داده می‌شود و نمونه در پاسخ به این عمل سیگنال‌هایی را گسیل می‌کند که وارد شناساگر می‌شوند.در شناساگر این سیگنال‌ها به روش‌های گوناگون تقویت می‌شوند و نتیجه نهایی روی صفحه نمایشگر یک رایانه نمایش داده می‌شود.
طیف سنجی
طیف سنجی عبارت است از اندازه گیری برهمکنش مولکول‌ها و پرتوهای الکترومغناطیسی.از جمله انواع طیف سنجی می‌توان به طیف جذب اتمی ،طیف گسیل اتمی ، طیف سنجی مرئی-فرابنفش ، طیف سنجی فروسرخ، طیف سنجی پرتوی ایکس و فلوئورسانس و طیف سنجی مغناطیسی هسته(ان ام آر) اشاره کرد.
طیف سنجی جرمی
هدف از طیف سنجی جرمی تعیین نسبت بار به جرم گونه‌ها می‌باشد.در این روش آنالیز از راهکارهای گوناگونی به منظور یونش استفاده می‌شود از جمله:بمباران الکترونی،استفاده از پرتوی ایکس و...
آنالیز الکتروشیمیایی
آنالیز الکتروشیمیایی با اندازه گیری اختلاف پتانسیل و/یا شدت جریان الکتریکی یک پیل الکتروشیمیایی حاوی آنالیت همراه است.آنالیزهای الکتروشیمیایی را می‌توان برحسب این که چه ویژگی‌هایی از پیل در خلال آنها مورد بررسی قرار میگیرد و یا این که پیل در خلال آنها دستخوش چه تغییراتی می‌شود رده بندی کرد.بر همین اساس این روش‌ها به سه دسته پتانسیومتری(اندازه گیری اختلاف پتانسیل پیل)،کولومتری(اندازه گیری شدت جریان در طول زمان)و ولتامتری(اندازه گیری اختلاف پتانسیل پیل حین ایجاد تغییر در شدت جریان) تقسیم می‌شود.
آنالیز حرارتی
گرماسنجی و آنالیز گرماوزنسنجی(thermogra alysis)از جمله روش‌هایی هستند که به تحلیل برهمکنش میان ماده و حرارت می‌پردازند.
جداسازی
روش‌های جداسازی به منظور کاهش پیچیدگی مخلوط ماده مورد استفاده قرار میگیرد.از جمله این روش‌ها می‌توان به کروماتوگرافی و الکتروفورز اشاره کرد.
روش‌های هیبریدی
روش‌های چندگانه‌ای که به شکل ترکیبی از روش‌های بالا خود را نشان می‌دهند روش‌های هیبریدی می‌گوییم.از جمله این روش‌ها می‌توان به کروماتوگرافی-ظیف سنجی جرمی گاز،کروماتوگرافی-طیف سنجی فروسرخ گاز،کروماتوگرافی-طیف سنجی جرمی مایع و روش‌های هیبریدی جز این موارد اشاره کرد که امروزه یا به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و یا در مراکز علمی و تحقیقاتی در حال توسعه یافتن هستند.در نگارش نام این روش‌ها گاهی به جای نماد خط تیره از نماد کج خط(slash) استفاده می‌شود به خصوص در صورتی که نام یک یا چند تا از روش‌های تشکیل دهنده پیکره روش هیبریدی خود دارای نماد خط تیره باشند.به عنوان نمونه می‌توان بر خلاف الگوی نگارشی رعایت شده در بالا نوشت:کروماتوگرافی/طیف سنجی جرمی گاز.روش‌های هیبریدی امروزه به طور گسترده در شیمی و زیست شیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ریزنگاری
تصویر کردن مولکول‌ها،سلول‌ها و بافت‌های زیست شناختی یک گرایش فعال و مهم در علم تجزیه می‌باشد.ترکیب این روش‌ها با روش‌های قدیمی تر آنالیز باعث تغییرات شگرفی در علم تجزیه شده است.می توان روش‌های ریزنگاری را در سه رده کلی ریزنگاری نوری،ریز نگاری الکترونی و ریز نگاری پراب پویش قرار داد.به دلیل پیشرفت سریع در زمینه صنایع رایانه و دوربین این زمینه از شیمی تجزیه شاهد پیشرفتهای عظیم و قابل توجهی بوده است.
آزمایشگاه‌های تراشه‌ای
تراشه‌های کوچکی امروزه در دسترس هستند که با داشتن ابعاد بسیار خرد در حد چند میلیمتر تا چند سانتی متر مربع برای تحلیل حجم‌های بسیار اندک سیالات(در حد چند پیکو لیتر)مورد استفاده قرار می‌گیرند.
شیمی آلی
شیمی آلی زیر مجموعه ای از دانش شیمی است که درباره ترکیبات کربن یا مواد آلی سخن می‌گوید، عنصر اصلی که با کربن ترکیبات آلی را تشکیل می دهند، هیدروژن می باشد. در گذشته به موادی که ریشه گیاهی یا حیوانی داشتند، مواد آلی می گفتند اما امروزه مواد آلی را می توان از طریق روش های صنعتی و آزمایشگاهی و به کمک مواد معدنی نیز سنتز کرد. موادی که از منابع آلی بدست می آیند، در یک ویژگی مشترک هستند و آن اشتراک در دارا بودن عنصر کربن است. دو منبع بزرگ مواد آلی که از آنها مواد آلی با ترکیبات ساده، تأمین می شوند، نفت و زغال سنگ هستند، این دو ماده فسیلی در مفهوم قدیمی آلی بوده و حاصل تجزیه جانوران و گیاهان هستند. این ترکیبات ساده به عنوان مصالح ساختمانی، در ساختن ترکیبات بزرگتر و پیچیده تر مصرف می گردند. شیمی آلی، شیمی ترکیبات کربن با سایر عناصر به ویژه هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، هالوژن ها و غیر فلزات دیگر نظیر گوگرد و منیزیوم است. الکل ها، اترها، هیدروکربن ها، آلدئیدها، کتون ها، کربوکسیلیک اسیدها، ترکیبات آلیفاتیک حلقوی، کربانیون ها، آمین ها، فنل ها، درشت مولکول ها و بسپارها (پلیمر) و نظیر آنها جزء مواد آلی بوده و مباحث شیمی آلی را به خود اختصاص داده اند. امروزه از مواد آلی و دانش شیمی آلی در رنگ سازی، کاغذ و جوهرسازی، مواد غذایی، پوشاک، پتروشیمی، مواد پلاستیکی و لاستیکی، داروسازی، پزشکی و ده ها صنعت دیگر بهره می برند. افزون بر بیست میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود دارد و هر ساله نیم میلیون ملکول جدید به خانواده مواد آلی اضافه می شوند. شیمی آلی شالوده زیست شناسی و پزشکی است. ساختمان موجودات زنده به غیر از آب، عمدتاً" از مواد آلی ساخته شده اند، مولکول های مورد بحث در زیست شناسی مولکولی همان مولکول های آلی هستند. امروزه ما در عصر کربن زندگی می کنیم، هر روزه روزنامه ها و مجلات، ذهن ما را متوجه ترکیبات کربن نظیر کلسترول، چربی های اشباع نشده، هورمون ها، استروئیدها، حشره کش ها و فرومون ها می نماید. در دهه های گذشته به خاطر نفت جنگ های متعددی راه افتاده است، همچنین دو فاجعه نازک شدن لایه اوزون که عمدتاً" به خاطر وجود کلرو فلوئورو کربن ها می باشد و پدیده گازهای گلخانه ای که ناشی از حضور متان، کلرو فلوئورو کربن ها و دی اکسید کربن است، زندگی انسان ها را به خطر انداخته است.
ساختمان و ویژگی ها
آرایش و درشتی مولکول های مواد آلی
تا حدود سال 1850 میلادی بسیاری از دانشمندان بر این باور بودند که منشأ مواد آلی، جانداران و گیاهان هستند، آنها تصور می کردند که مواد آلی را هرگز نمی توان از مواد معدنی و غیر آلی تولید نمود. دانشمندان همواره دنبال پاسخ به این پرسش بودند که چه ویژگی در ترکیبات کربن وجود دارد که آنها را از ترکیبات مربوط به صد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی متمایز کرده است. تعداد بسیاری از ترکیبات کربن وجود دارند که مولکول های آنها می توانند بسیار بزرگ و پیچیده باشند. تعداد ترکیباتی که دارای عنصر کربن هستند چندین برابر بیشتر از تعداد ترکیبات بدون کربن است. مولکول های آلی شامل هزاران اتم شناخته شده اند و ترتیب قرار گرفتن اتم ها حتی در مولکول های نسبتاً" کوچک نیز بسیار پیچیده است. یکی از مسائل اصلی در شیمی آلی، آگاهی از طرز قرار گرفتن اتم ها در مولکول ها و یا تعیین ساختمان ترکیبات است.
ویژگی منحصر به فرد کربن
اتم های کربن می توانند به میزانی که برای اتم هیچ عنصر دیگری مقدور نیست، به یکدیگر متصل شوند. همچنین اتم های کربن می توانند زنجیرهایی شامل هزاران اتم و یا حلقه هایی با اندازه های متفاوت ایجاد نمایند، زنجیرها و حلقه ها می توانند دارای شاخه و پیوندهای عرضی باشند، به اتم های کربن این زنجیرها و حلقه ها، اتم های دیگری نیز می تواند وصل شود، این اتم ها معمولاً" هیدروژن، فلوئور، کلر، برم، ید، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر اتم های مختلف می باشند. هر آرایش مختلف از اتم ها مربوط به ترکیب متفاوتی است و هر ترکیب یک سری خواص شیمیایی و فیزیکی خاص خود را دارد، از این رو غیر منتظره نیست که امروزه ده ها میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود داشته باشد.
پیوند شیمیایی
بررسی ساختمان مولکول ها را باید با بحث درباره پیوندهای شیمیایی یعنی نیروهایی که اتم ها را در یک مولکول نگاه می دارند، شروع نمود. دو نوع پیوند یونی و کووالانسی، پیوندهایی هستند که به وسیله آن اتم ها با یکدیگر اتصال برقرار می کنند. از میان این دو پیوند، پیوند کووالانسی، پیوند متدوال در ترکیبات کربن است و مهمترین پیوند در مطالعه شیمی آلی است.
مواد آلی در شیمی آلی
مواد آلی دارای گستره ای بزرگ می باشند و بسیار متفاوت و متنوع هستند. از این دسته مواد می توان، پارافین ها، روغن ها، هیدرو کربن ها، الفین ها، استیلن ها، ترپن ها، الکل ها، اسیدهای کربوکسیلیک، استرها، اترها، اپوکسیدها، آلدئیدها، کتون ها، آمین ها، آمیدها، ترکیبات آروماتیک، اسیدهای آلی، ایزوسیونات ها، محصولات استخلافی بنزن، الیاف نساجی، رنگ های رنگرزی و صنعتی و ... را نام برد.
ترکیبات هیدرو کربنی
برخی از ترکیبات آلی فقط شامل دو عنصر، هیدروژن و کربن هستند و از این رو به عنوان هیدرو کربن شناخته می شوند. هیدرو کربن ها بر اساس ساختمانشان، به دو دسته اصلی، آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می شوند. هیدرو کربن های آلیفاتیک خود به گروه های آلکان ها، آلکن ها، آلکین ها و ترکیبات حلقه ای مشابه سیکلو آلکان ها و غیره تقسیم می گردند.
متان
ساده ترین ماده شیمی آلی متان است، مولکول متان دارای یک اتم مرکزی کربن و چهار اتم محیطی هیدروژن است که با زاویه 109/5 درجه دور اتم کربن قرار گرفته اند. متان محصول نهایی متلاشی شدن ناهوازی (بدون هوا) گیاهان یعنی از هم پاشیدگی بعضی از مولکول های پیچیده می باشد. متان تشکیل دهنده قسمت اعظم (حدود 97 درصد) گاز طبیعی است. متان گاز آتشگیر خطرناک معادن زغال سنگ است و به صورت حباب های گاز از سطح مرداب ها خارج می گردد. گاز متان از ترکیب مونو اکسید کربن و هیدروژن حاصل می گردد.
کلرو فلوئورو کربن ها
مشتقات هالوژنه متان را کلرو فلوئورو کربن ها می گویند. اگر به جای هیدروژن های متان اتم های هالوژن جایگزین گردد، این محصولات حاصل می شوند. گازهای مورد استفاده در یخچال ها و کولرهای گازی و انواع اسپری، از این دسته مواد هستند.
آلکان ها
آلکان ها که نقطه آغازگر آن ها متان است به ترکیبات غیر حلقوی و خطی کربن و هیدروژن اطلاق می شود، پیوند یگانه کووالانسی در این ترکیبات اتم های کربن و هیدروژن را به هم وصل کرده است. این هیدرو کربن ها بر اساس ساختمانشان به خانواده متان تعلق دارند و خواص آنها از خواص متان پیروی می کند. در آلکان ها تعداد اتم های هیدروژن نسبت به اتم های کربن، دو برابر به علاوه دو می باشد. یعنی مثلاً" در مولکول بوتان، چهار اتم کربن و ده اتم هیدروژن وجود دارد. در آلکان ها، انتظار می رود هرچه تعداد اتم ها افزایش یابد، تعداد آرایش های ممکن اتم ها نیز زیادتر می شود. به تدریج که در سری آلکان ها پیش می رویم، تعداد ایزومرها در همرده های متوالی به میزان شگفت آوری افزایش می یابند. برای مثال هپتان دارای نه ایزومر می باشد، یعنی در شیمی آلی نه ماده مختلف با خواص متفاوت هستند که همگی فرمولشان C7H16 است. برای نامیدن ترکیبات مختلف و پیچیده آلی از روش استاندارد آیوپاک استفاده می کنند.
نظریهٔ اتم، سنگ بنای شیمی جدید است. درک ساختار اتمی و برهمکنش اتمها، محور درک شیمی است. بیان نخستین نظریه‌ی اتمی را معمولاً به یونانیان باستان نسبت می‌دهند، اما ریشهٔ این مفهوم حتی ممکن است در تمدن‌های کهن تر باشد. بر اساس نظریه‌ی اتمی لیوکیپوس و دموکریتوس، تقسیم مستمر ماده، درنهایت، اتمها را به دست می‌دهد که قابلیت تجزیه شدن آنها ممکن نبود.
نظریه‌های اولیه
تاریخچهٔ تئوری اتمی به یونانی‌های قرن ششم و به ویژه مکتب اتم‌گرایی دموکریت برمی گردد. در حقیقت می‌توان از این بخش با عنوان نظیریه‌های اتمی اولیه یاد کرد. در اوایل قرن ۱۹ جان دالتون توانست خرد شدن متناسب یک ماده را به خوبی توضیح بدهد. دالتون تئوری خود را در ۳ بند جامع به شرح زیر بیان کرد:
عناصر از ذرات بسیار ریزی به نام اتم تشکیل شده‌اند. تمام اتم‌های یک عنصر یکسانند و اتم‌های عناصر مختلف، متفاوت.
تفکیک و اتحاد اتمها، طی واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد. در این واکنش‌ها، هیچ اتمی به وجود نمی‌آید یا از بین نمی‌رود و هیچ یک از اتم‌های یک عنصر به اتمی از عنصر دیگر تبدیل نمی‌شوند.
یک ترکیب شیمیایی، نتیجهٔ ترکیب اتم‌های دو با چند عنصر است. نوع اتم‌های موجود در یک ترکیب و نسبت آنها همیشه ثابت است.
نظریهٔ دالتون، در مفهوم کلی خود، هنوز هم معتبر است، اما نخستین اصل او باید اصلاح شود. دالتون بر این باور بود که تمام اتم‌های یک عنصر دارای جرم اتمی یکسانی هستند. امروزه می‌دانیم که بسیاری از عناصر دارای ایزوتوپهایی با جرم‌های اتمی متفاوت هستند. ولی می‌توان گفت که تمام اتم‌های یک عنصر به لحاظ شیمیایی یکسانند و اتم‌های یک عنصر با اتم‌های عناصر دیگر تفاوت دارند. به علاوه، برای اتم‌های هر عنصر می‌توان جرم اتمی میانگین به کار برد.
دالتون جنبه‌های کمی نظریهٔ خود را از دو قانون مربوط به تغییر شیمیایی استخراج کرد:
قانون بقای جرم که می‌گوید طی یک واکنش شیمیایی تغییر قابل سنجشی در جرم صورت نمی‌گیرد.
قانون نسبت‌های معین که می‌گوید یک ترکیب خالص همیشه شامل عناصر یکسانبا نسبت جرمی یکسان است.
بر اساس این نظریه، دالتون توانست قانون سوم ترکیب شیمیایی یعنی قانون نسبت‌های چندگانه را بیان کند. بر مبنای این قانون، هنگامی که دو عنصر A و B بیش از یک جسم تشکیل دهند، نسبت مقادیری از A که در این اجسام با مقدار ثابتی B ترکیب شده‌است، اعداد صحیح و کوچکی خواهد بود.
مدل اتمی تامسون
بعد از آن نظریه‌هایی توسط جوزف جان تامسون طی آزمایش‌هایی بر روی پرتو کاتدی که به نظریه کیک کشمشی یا هندوانه‌ای مشهور است، منتشر شد. بر طبق مدل تامسون:
الکترون‌ها در محیطی ابرگونه از جنس بار مثبت پراکنده شده‌اند.
جرم فضای ابرگونه تقریباً صفر است.
سنگینی اتم ناشی از وجود تعداد زیاد الکترون در آن است (بیشتر جرم اتم مربوط به جرم الکترون است).
آزمایش مشهور صفحه طلای رادرفورد به وضوح سه بند مذکور را رد کرد و سبب شکل‌گیری مدل جدیدی برای توصیف اتم، به نام اتم هسته‌دار شد.
سپس ارنست رادرفورد نظریه اتم هسته دار را مطرح کرد. پس از آن نیلز بور نظریه اتمی ای را که در مورد موارد تک الکترونی صحبت میکرد را بیان کرد. این نظریه با وجود برتری نسبی در مقایسه با نظریه‌های پیش از حود، به دلیل تناقض با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و محدودیت در توصیف سیستمهای چند الکترونی کنار گذاشته شد. سپس توسط شرودینگر نظریه کوانتومی بر مبنای مکانیک کوانتومی و با توجه به تابع سای در معادله شرودینگر مطرح شد که بر موجی رفتار کردن الکترون پایه شده بود. ایدهٔ این نظریه (نگاه موجی به ماده) برخلاف نظریه‌ی موجود در زمینه‌ی اثر فوتوالکتریک بود که به نور نگاه ماده‌گرایانه داشت.
معادله شرودینگر
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نشان می‌دهد که هرگونه کوششی برای گسترش الگوی بور، بی‌نتیجه است. پیش‌بینی دقیق مسیر یک الکترون در اتم غیر ممکن است. اروین شرودینگر، به به کار بردن رابطه دوبروی، معادله‌ای برای توصیف الکترون بر مبنای خصلت موجی آن بیان کرد.
معادله‌ی شرودینگر، اساس مکانیک موجی است.این معادله، به صورت یک تابع موجی، سای، برای یک الکترون نوشته می‌شود. با حل این معادله برای الکترون اتم هیدروژن، تعدادی تابع موجی به‌دست می‌آید. هریک از این توابع موجی، به تراز انرژی مشخصی برای الکترون مربوط است و بیان‌گر ناحیه‌ای است که الکترون را در آن می‌توان یافت. تابع موجی یک الکترون بیان‌گر چیزی به نام اوربیتال است.
چکیده مطالب
نظریه‌ی اتمی جدید، ریشه در کارهای جان دالتون دارد که نظریه‌ی خود را بر قانون بقای جرم و قانون نسبت‌های معین، استوار کرد. دالتون، قانون سوم ترکیب شیمیایی، یعنی قانون نسبت‌های چندگانه را پیشنهاد کرد.
یک اتم که کوچک ترین ذره‌ی یک عنصر برای ترکیب با اتم‌های سایر عناصر و تشکیل ترکیبات شیمیایی است، خود از ذرات ربز تری به نام ذرات بنیادی تشکیل شده است. ذرات بنیادی، یعنی الکترون، پروتون و نوترون، با استفاده از چند آزمایش کلاسیک شناسایی شدند و موقعیت آنها در اتم مشخص گردید.
الکترون، بار منفی، e-، دارد، پروتون دارای بار مثبت برابر با بار الکترون اما با علامت مخالف e+ است. نوترون، بار ندارد. جرم الکترون، بسیار کوچکتر از جرم پروتون یا نوترون است.
پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته قرار دارند که مرکز اتم به‌شمار می‌رود. اندازه‌ی هسته، در مقایسه با اندازه‌ی کلی اتم بسیار کوچک است، اما بخش اعظم جرم اتم را تشکیل می‌دهد و (به دلیل پروتون‌هاو نوترون هایش) بار مثبت دارد. الکترون‌ها که بخش اعظم حجم اتم را اشغال کرده‌اند، در پیرامون هسته قرار دارند. شمار الکترون‌ها و پروتون‌های هسته در یک اتم خنثی برابر است، در نتیجه کل بار منفی برابر با کل بار مثبت است. تعداد الکترون‌های یون‌های یک اتمی (اتم‌های باردار) بیشتر از تعداد پروتون‌ها (یون‌های منفی)، یا کمتر از تعداد پروتون‌ها (یون‌های مثبت) است.
تعداد پروتون‌های موجود در هسته‌ی یک تم با عدد اتمی مشخص می‌شود. تمام اتم‌های یک عنصر، عدد اتمی یکسان دارند. موقعیت عناصر در جدول تناوبی، با عدد اتمی‌شان مشخص می‌شود.
جمع بندی
تمام مدل‌های اتمی رد شده که امروزه بخش عمده‌ی اعتبار خود را از دست داده‌اند، در رسیدن به آنچه باور امروز بشر از ساختار اتم را شکل می‌دهد نقش بسزایی داشته‌اند.
اگر انسان می‌خواست صبر کند تا کاری را آن قدر خوب انجام دهد که هیچ‌کس نتواند ایرادی بر آن بگیرد، هرگز کاری انجام نمی‌داد.
همان‌گونه که مرتضی خلخالی در نوشته‌ی بالا به درستی بیان کرد، حتی قدیمی ترین نظریات موجود در این زمینه نیز سبب به‌وجود آمدن تفکرات بعد شدند.
واکنش شیمیایی
واکنش شیمیایی (به انگلیسی: Chemical reaction) فرایندی است که در آن ساختار ذره‌های تشکیل دهندهٔ مواد اولیه دچار تغییر می‌شود؛ یعنی طی آن یک یا چند ماده شیمیایی به یک یا چند ماده شیمیایی دیگر تبدیل می‌شود.
انواع تغییرات مواد
تغییراتی که در واکنشی بر روی مواد واکنش‌دهنده صورت میگیرد، بطور کلی به دو نوع تغییرات فیزیکی و شیمیایی تقسیم می‌شوند.
تغییرات فیزیکی
در تغییرات فیزیکی فقط حالت فیزیکی ماده تغییر می‌یابد نه ساختار ذره‌های تشکیل دهنده ماده. بنابراین تغییرات همهٔ حالات ماده مانند ذوب، انجماد، تبخیر، میعان، تصعید و چگالش و همچنین انحلال نمکها و بازها در آب، تغییر فیزیکی هستند.
تغییرات شیمیایی
در تغییرات شیمیایی اتصال اتمها به یکدیگر و آرایش الکترونی آنها در واکنش دهنده‌ها تغییر می‌یابد. البته در یک واکنش شیمیایی، اتمها نه بوجود می‌آیند و نه از بین می‌روند و تنها ترکیب، تجزیه یا بازآرایی می‌شوند. واکنش شیمیایی بیان یک تغییر شیمیایی است که ممکن است با آزاد کردن انرژی به صورت گرما، نور یا صوت همراه باشند و تولید گاز، تشکیل رسوب یا تغییر رنگ در پی داشته باشند.
روی دادن تغییر فیزیکی و تغییر شیمیایی بطور متوالی
مواردی وجود دارد که هر دو تغییر فیزیکی و شیمیایی بر روی یک پدیده، بطور متوالی اتفاق می‌افتند. برای نمونه، با حرارت دادن تکه‌ای قند در لوله آزمایش، ابتدا قند ذوب می‌شود که یک پدیده فیزیکی است. سپس به رنگ قهوه‌ای در می‌آید که نشان‌دهنده شروع تبدیل قند به کربن و یک پدیده شیمیایی است. در ادامه مقداری بخار آب به بالای لوله می‌رسد که نشانه تجزیه قند و ادامه پدیده شیمیایی پیشین است. سپس قطره‌های آب روی دیواره لوله آزمایش پدیدار می‌شود که نشان‌دهنده میعان بخار آب آزاد شده و یک پدیده فیزیکی است. در پایان، در لوله ماده‌ای سیاه رنگ، بی‌مزه و نامحلول در آب (برخلاف قند اولیه) باقی می‌ماند که این ماده ذغال است و با توجه به تغییر رنگ، مزه و حلالیت آن در آب نشان‌دهنده وقوع یک پدیده شیمیایی است.
انرژی شیمیایی
هر نوع پیوندی میان اتم‌های مختلف سازنده مولکول‌های یک جسم، نوعی انرژی در انرژی شیمیایی دارد که مقدار آن به نوع اتمها و نحوه قرار گرفتن آنها در مولکول بستگی دارد. در یک واکنش شیمیایی، در واقع اتصال اتمها به یکدیگر در واکنش‌ها تغییر می‌کند و در نتیجه انرژی شیمیایی فراورده‌های واکنش با انرژی شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها تفاوت پیدا می‌کند.
به عنوان مثال، واکنش گاز کلر با گاز هیدروژن را در نظر بگیریم. گاز کلر از مولکول‌های دو اتمی Cl۲ و گاز هیدروژن از مولکول‌های دو اتمی H۲ تشکیل شده‌اند. فراورده واکنش، کلرید هیدروژن HCl خواهد بود که در مقایسه با واکنش‌دهنده، پیوندهای کاملاً متفاوتی دارد و از این رو انرژی شیمیایی آنها متفاوت است.
اکنون این پرسش پیش می‌آید که با توجه به متفاوت بودن انرژی شیمیایی فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها و قانون پایستگی انرژی، این اختلاف انرژی چطور ظاهر می‌شود؟
تغییرات گرماگیر و تغییرات گرمازا
مطابق قانون پایستگی انرژی در هر واکنش باید انرژی کل ثابت بماند. بنابراین در واکنش‌ها، اختلاف انرژی میان فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها به صورت گرما ظاهر می‌شود. از این رو، واکنش‌هایی نظیر واکنش‌های سوختن متان که با تشکیل کلرید هیدروژن در آنها، سطح انرژی فراورده‌های واکنش از مواد واکنش‌دهنده پایین‌تر باشد، به علت تولید انرژی گرمایی، گرمازا می‌گوییم و در مقابل واکنش‌هایی که در آنها سطح انرژی شیمیایی فراورده‌ها بیشتر از واکنش‌دهنده‌ها باشد، واکنش‌های گرماگیر نامیده می‌شوند و برای انجام چنین واکنشی باید مقداری گرما به اجزای واکنش‌دهنده داده شود، مانند تجزیه کردن کلرید آمونیوم جامد که با گرم کردن، به دو گاز آمونیاک و کلرید هیدروژن تبدیل می‌شود.
بنابراین در اندازه گیری و محاسبه انرژی واکنش‌های شیمیایی، چیزی که همیشه محسوس و قابل اندازه‌گیری است، تفاوت محتوای انرژی یا به عبارتی سطح انرژی مواد اولیه و محصولات عمل است که معمولاً به تغییر محتوای گرمایی، تغییر آنتالپی گفته می‌شود و با ΔH نمایش می‌دهند و در یک واکنش گرمازا داریم:
H1: سطح انرژی مواد واکنش دهنده
H2: سطح انرژی مواد حاصل
H2 <H1 H2-H1<0
به این ترتیب تغییر آنتالپی ΔH در یک واکنش انرژی‌ده، منفی است.
در یک واکنش گرماگیر داریم:
H2>H1→H2-H1>0→ΔH>0
پس تغییر آنتالپی، ΔH در یک واکنش انرژی‌گیر، مثبت است.
واکنش‌های شیمیایی برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر
واکنش‌های برگشت‌ناپذیر
در این قبیل واکنش‌ها، محصولات واکنش بر هم اثر شیمیایی ندارند. به همین دلیل واکنش فقط در جهت رفت انجام میگیرد و تا مصرف‌شدن کامل واکنش‌دهنده پیش می‌رود. مثلاً اگر تکه‌ای نوار منیزیم را در ظرف محتوی HCl وارد کنیم، واکنش شدیدی میان منیزیم و اسید رخ می‌دهد و کم کم در اسید حل و ناپدید می‌شود و همزمان با ناپدیدشدن فلز، حباب‌های گاز هیدروژن درون اسید به چشم می‌خورند که از ظرف خارج می‌شوند.
بنابراین این واکنش یک‌طرفه است و فقط در جهت رفت پیش می‌رود. یعنی اگر مقداری گاز هیدروژن را در محلول کلرید وارد کنیم، هیچ واکنشی انجام نمی‌گیرد.
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
علاوه بر واکنش بالا سوختن انواع سوخت‌ها مانند بنزین، نفت، گاز طبیعی و... در مجاورت هوا، محکم شدن تدریجی سیمان، پختن تخم مرغ، مچاله شدن نایلون در برابر شعله، نمونه‌هایی از واکنش‌های برگشت‌ناپذیرند.
واکنش‌های برگشت‌پذیر
این واکنش‌ها در شرایط مناسب در هر دو جهت رفت و برگشت پیش می‌روند، مثلاً اگر بخار آب را از روی گرد آهن داغ عبور دهند، اکسید آهن همراه با گاز هیدروژن پدید می‌آید.
(3Fe(s) + 4H2O(g) → Fe3O4(s) + 4H2(g
و اگر گاز هیدروژن را بر اکسید آهن (Fe3O4) عبور دهند، آهن و بخار آب تولید می‌شود. واکنش برگشت: (Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(s) + 4H2O(l
واکنش رفت و برگشت در مجموع یک واکنش برگشت‌پذیر را تشکیل می‌دهند. در نتیجه واکنش اثر بخار آب بر آهن داغ برگشت‌پذیر است. در زندگی با موارد زیادی از واکنش‌های برگشت‌پذیر برخورد می‌کنیم، مانند شارژ دوبارهٔ باتری اتومبیل. مواد شیمیایی موجود در باتری خودرو هنگام تولید جریان برق به تدریج مصرف شده و به مواد دیگری تبدیل می‌شود. با شارژ مجدد باتری، واکنش‌های برگشت انجام می‌گیرند و مواد اولیه پدید می‌آیند.
مثال‌هایی از فرایندهای شیمیایی
همان طور که در پیش گفته شد، در تغییر شیمیایی ماهیت شیمیایی مواد تغییر می‌یابد و فراورده‌های جدید با خواص متفاوت از مواد اولیه تولید می‌شود. بنابراین پدیده‌های زیر نمونه‌هایی از تغییرهای شیمیایی هستند:
سوختن انواع سوخت‌ها. مانند بنزین، نفت، گاز طبیعی و... در مجاورت هوا
زنگ زدن فلزات
گوارش غذا
رسیدن میوه
پختن غذا
فساد مواد
سفت شدن تدریجی سیمان
انحلال آمونیاک در آب. زیرا در اثر انحلال، قسمتی از مولکول‌های آمونیاک با مولکول‌های آب ترکیب شده و ماده جدیدی به نام هیدروکسیدآمونیوم تولید می‌نمایند. به همین دلیل که واکنش شیمیایی بین حلال و حل شونده رخ می‌دهد، حل شدن بیشتر جنبه شیمیایی دارد.
لخته شدن مواد کلوئیدی. در اثر لخته شدن پیوندهای جدیدی تشکیل می‌گردد که باعث تجمع مولکول‌های یک محلول کلوئیدی می‌شود.
ایجاد گاز (اکسیژن) در اثر حرارت اکسید جیوه
مکانیک کوانتومی
مکانیک کوانتومی شاخه‌ای بنیادی از فیزیک نظری است که با پدیده های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی سرو کار دارد. دراین مقیاس، کُنِش های فیزیکی در حد و اندازه های ثابت پلانک هستند. بنیادی ترین تفاوت مکانیک کوانتومی با مکانیک کلاسیک در قلمرو کوانتومی است که به ذرات در اندازه های اتمی و زیراتمی می پردازد. مکانیک کوانتومی بنیادی‌تر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است، زیرا در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی که این نظریه‌ها با شکست مواجه می‌شوند، می‌تواند با دقت زیادی بسیاری از پدیده‌ها را توصیف کند. مکانیک کوانتومی به همراه نسبیت عام پایه‌های فیزیک جدید را تشکیل می‌دهند.
مکانیک کوانتومی که به عنوان نظریه کوانتومی نیز شناخته شده است، شامل نظریه ای درباره ماده، تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است.
آشنایی
واژهٔ کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا می‌آید که این نظریه به بعضی از کمیت‌های فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون) تحت شرایط خاص، مقدارهای گسسته‌ای نسبت می‌دهد. پایه‌های مکانیک کوانتومی در نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، لویی دوبروی، نیلس بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبه‌های بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.
در حوالی ابتدای قرن بیستم، کشفیات و تجربه های زیادی نشان میدادند که در مقیاس اتمی نظریه‌های کلاسیک نمی‌توانند توصیف کاملی از پدیده ها ارائه دهند. وجود همین نارسایی ها موجب نخستین ایده ها و ابداع ها در مسیر ایجاد نظریه کوانتومی شدند. بعنوان یکی از مثال های بسیار مشهور اگر قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند، الکترون‌ها بایستی به سرعت به سمت هسته اتم حرکت کرده و بر روی آن سقوط می کردند و در نتیجه اتم ها ناپایدار میشدند. ولی در دنیای واقعی الکترون‌ها در نواحی خاصی دور اتمها باقی می‌مانند و چنین سقوطی مشاهده نمیشود. تلاش اولیه برای حل این تناقض توسط نیلس بور با پیشنهاد فرضیه اش دایر بر وجود مدارهای مانا رخ داد، که موفقیت هایی هم در توصیف طیف اتم هیدروژن داشت.
پدیدهٔ دیگری که در این مسیر جلب توجه میکرد، مطالعه رفتار امواج الکترومغناطیسی مانند نور در برهمکنش با ماده بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه پیشنهاد کرد که برای توصیف صحیح مساله تابش جسم سیاه، می توان انرژی این امواج را به شکل بسته‌های کوچکی (کوانتا یا کوانتوم) در نظر گرفت. آلبرت اینشتین از این فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می‌توان با ذره‌ای به نام فوتون که انرژی‌اش به بسامد موج بستگی دارد توصیف کرد. در ادامه، با نظریه دوبروی دایر بر امکان توصیف حرکت ذرات بوسیله امواج، این نظریه‌ها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج-ذره برای ذرات و امواج الکترومغناطیسی منجر شدند که برطبق آن، ذرات هر دوی رفتارهای موجی و ذره ای را از خود نشان می دهند.
تلاش ها برای تبیین تناقضات و ایجاد رهیافت های جدید، منجر به تکوین ساختار جدیدی موسوم به مکانیک کوانتومی شد که توسط دو فرمولبندی جداگانه (که بعدا معلوم شد هم ارزند) موسوم به مکانیک ماتریسی (عمدتا توسط هایزنبرگ) و مکانیک موجی (بیشتر توسط شرودینگر) توصیف می شد. بعنوان مثال، ایده ی توصیف ذرات با امواج، مولد ابداع مفهوم بسته های موجِ همبسته ذرات شد. به نوبۀ خود، تلاش برای یافتن معادلات حاکم بر تحول زمانی این بسته های موج به معادله موج یا معادله شرودینگر منتهی شد.
در تعبیری که توصیف شرودینگر از مکانیک کوانتومی بدست می دهد، حالت هر سیستم فیزیکی در هر لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج مختلط توصیف می‌شود . چون تابع موج یک کمیت مختلط است، خود مستقیما مبین یک کمیت فیزیکی نیست، اما با استفاده از این تابع می‌توان احتمال بدست آمدن مقادیر مختلف حاصل از اندازه گیری یک کمیت فیزیکی را پیش‌بینی کرد. در حقیقت این احتمال با ضریبی از مربع قدرمطلق تابع موج (که کمیت اخیر حقیقی است) برابر است. بعنوان مثال از کاربرد این تابع احتمال، با آن می‌توان احتمال یافتن الکترون در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص؛ یا احتمال بدست آمدن مقدار خاصی برای کمیت تکانه زاویه ای سیستم را محاسبه کرد. یا مثلا به کمک تابع موج و توزیع احتمال بدست آمده از آن، می توان محتملترین مکان (یا مکان های) حضور یک ذره در فضا را یافت (که در مورد الکترون‌های یک اتم گاهی به آن اُربیتال می‌گویند). البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام ناحیه ناحیه پخش شده‌است، و الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست.
در مکانیک کلاسیک پیش بینی تحول زمانی مقادیر کمیت ها و اندازه گیری مقادیر کمیت ها در نظریه با هر دقت دلخواه ممکن است و تنها محدودیت موجود، خطای متعارف آزمایش و آزمایشگر، یا فقدان داده های اولیه کافی است. اما در مکانیک کوانتومی فرآیند اندازه گیری یک محدودیت ذاتی بهمراه خود دارد. در واقع نمی‌توان برخی کمیت ها (کمیت‌های مزدوج) را همزمان و با هر دقت دلخواه اندازه گیری کرد؛ مانند مکان و تکانه. اندازه گیری دقیقتر هریک از این کمیت ها، منجر به از دست رفتن هرچه بیشتر داده های مربوط به کمیت دیگر می شود. این مفهوم که به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مشهور است، از مفاهیم بسیار مهم در مکانیک کوانتومی بوده و با مفهوم بنیادین "تاثیر فرآیند اندازه گیری بر حالت سیستم" که از ابداعات اختصاصی مکانیک کوانتومی (دربرابر مکانیک کلاسیک است) همبسته است.
توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانه‌های فیزیکی اهمیت زیادی دارد، و بسیاری از شاخه‌های دیگر فیزیک و شیمی از مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود استفاده می‌کنند؛ مانند فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی کوانتومی، فیزیک ذرات بنیادی، و فیزیک هسته‌ای. مکانیک کوانتومی علاوه بر این که دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف می‌کند، برای توضیح برخی از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد دارد، مانند ابررسانایی و ابرشارگی. همچین کاربردهای وسیعی در حوزه فناوری های کاربردی ، بر مفاهیم و دستاوردهای مکانیک کوانتومی استوار هستند.
مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک
اثرات و پدیده‌هایی که در مکانیک کوانتومی و نسبیت پیش‌بینی می‌شوند، فقط برای اجسام بسیار ریز یا در سرعت‌های بسیار بالا آشکار می‌شوند. تقربیاً همهٔ پدیده‌هایی که انسان در زندگی روزمره با آنها سروکار دارد به طور کاملاً دقیقی توسط فیزیک نیوتنی قابل پیش بینی است.
در مقادیر بسیار کم ماده، یا در انرژی‌های بسیار پایین، مکانیک کوانتومی اثرهایی را پیش‌بینی می‌کند که فیزیک کلاسیک از پیش‌بینی آن ناتوان است. ولی اگر مقدار ماده یا سطح انرژی را افزایش دهیم، به حدی می‌رسیم که می‌توانیم قوانین فیزیک کلاسیک را بدون این که خطای قابل ملاحظه‌ای مرتکب شده باشیم، برای توصیف پدیده‌ها به کار ببریم. به این «حد» که در آن قوانین فیزیک کلاسیک (که معمولاً ساده‌تر هستند) می‌توانند به جای مکانیک کوانتومی پدیده‌ها را به درستی توصیف کنند، حد کلاسیک گفته می‌شود.
کوشش برای نظریهٔ وحدت‌یافته
وقتی می‌خواهیم مکانیک کوانتومی را با نظریهٔ نسبیت عام (که توصیف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) ترکیب کنیم، به ناسازگاری‌هایی برمی‌خوریم که این کار را ناممکن می‌کند. حل این ناسازگاری‌ها هدف بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم و بیست‌ویکم است. فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در راه رسیدن به نظریهٔ وحدت‌یافتهٔ نهایی تلاش می‌کنند؛ نظریه‌ای که نه تنها مدل‌های مختلف فیزیک زیراتمی را یکی کند، بلکه چهار نیروی بنیادی طبیعت -نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش- را نیز به شکل جلوه‌های مختلفی از یک نیرو یا پدیده نشان دهد.
مکانیک کوانتومی و زیست‌شناسی
تحقیقات چند موسسه در آمریکا و هلند نشان داده است که بسیاری از فرایندهای زیستی از مکانیک کوانتومی بهره می‌برند. قبلا تصور می‌شد فتوسنتز گیاهان فرایندی بر پایه بیوشیمی است اما تحقیقات پروفسور فلمینگ و همکارانش در دانشگاه برکلی و دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس به کشف یک مرحله کلیدی از فرآیند فوتوسنتز منجر شده که بر مکانیک کوانتومی استوار است. همچنین پژوهشهای کریستوفر آلتمن، پژوهشگری از موسسه دانش نانوی کاولی در هلند، حاکی از آن است که نحوه کارکرد سلولهای عصبی خصوصا در مغز که تا مدتها فرایندی بر پایه فعالیتهای الکتریکی و بیوشیمی پنداشته می‌شد و محل بحث ساختارگرایان و ماتریالیستها و زیستشناسها بود، شامل سیستمهای کوانتومی بسیاری است. این پژوهشها نشان می‌دهد که سلول عصبی یک حلزون دریایی می‌تواند از نیروهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده کند. در انسان نیز، فیزیک کوانتومی احتمالا در فرآیند تفکر دخیل است.
رزونانس مغناطیسی هسته‌ای
تشدید مغناطیسی هسته‌ای (به انگلیسی: Nuclear magnetic Resonance) یک پدیدهٔ فیزیکی بر اساس مکانیک کوانتمی است.
در حضور یک میدان مغناطیسی قوی، انرژی هسته‌های عناصر مشخصی به علت خواص مغناطیسی این ذرات به دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می‌شوند. الکترون‌ها نیز به طریقی مشابه هسته عمل می‌کنند. انتقالات میان ترازهای انرژی القاشدهٔ مغناطیسی حاصل می‌تواند با جذب تابش الکترومغناطیسی با بسامد مناسب انجام شود. درست شبیه انتقالات الکترونی که با جذب تابش فرابنفش یا مرئی صورت می‌پذیرد. اختلاف انرژی بین ترازهای کوانتومی مغناطیسی برای هسته‌های اتمی به مقداری است که با تابش در گستره‌ای از ۰٫۱ تا ۱۰۰MHz مطابقت دارد. طیف‌بینی NMR هم به منظور کارهای کمّی و هم به منظور شناسایی کیفی مولکول‌ها مورد استفاده قرار میگیرد. هر چند که قدرت اصلی این دستگاه در شناسایی کیفی ترکیبات آلی و زیستی بسیار پیچیده‌است.
در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است، اما زمانی که اتمها در حضور میدان مغناطیسی قرار میگیرد بر اساس خصوصیت Zeeman حالت تبهگن سیستم کاهش پیدا می کند.با نا پدید شدن میدان اتم تشدید کرده و تابش‌های را از خود نشان می دهد که با ان تشدید مغناطیس هسته می گویند.
دستگاه طیف‌سنج NMR
اجزای مهم یک طیف‌سنج NMR عبارت است از:
مغناطیس
پیمایش میدان مغناطیسی: یک جفت سیم‌پیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیسی، که تناوب میدان اعمال شده در یک گسترهٔ کوچک را امکان‌پذیر می‌سازد.
منبع موج رادیویی
آشکارساز
کاربردها
در این روش می‌توان از طریق میزان احساس میدان به وسیله‌ی هسته یک اتم ، شکافتگی‌های حاصل از اتم‌های مجاور در طیف را در یافت. این شکافتگی‌ها نشان‌دهنده‌ی الگوی ساختاری پیچیده‌ای هستند که می‌توان از طریق آنها به چینش اتمها در یک مولکول پی برد.
محاسبات
امروزه محاسبات بر اساس اصول مکانیک کوانتمی به عنوان یکی از روش‌های جدید محاسباتی مطرح است که در بسیاری از زمینه‌ها از محاسبات کلاسیک موفق‌تر بوده است. تشدید مغناطیسی هسته به دلیل این که از این اصول پیروی می‌کند به عنوان یکی از ماشین‌های محاسبات کوانتمی مطرح است. در سال ۱۳۸۱ شرکت IBM با استفاده از تشدید مغناطیس هسته توانست تجزیه به عوامل اول را در زمان چند جمله‌ای انجام دهد. این کار گرچه برای عدد ۱۵ انجام شد اما یک موفقیت بزرگ در علم محاسبات است.
نظریه نسبیت
نظریه یا نگره نسبیت یا همان نسبیت دو نظریه اصلی و معروف نسبیت خاص و نسبیت عام از آلبرت اینشتین را در بر میگیرد. ایده اصلی در پشت این نظریه آن است که زمان و فضا با هم مرتبط هستند و نه جدای از هم و ثابت.
آغاز به کار بردن واژه «نگره نسبیت» به ۱۹۰۶ بر می‌گردد؛ هنگامی که ماکس پلانک ترکیب "نظریه نسبی" (در آلمانی: Relativtheorie) را به کار برد و بر چگونگی به کار برده شدن اصل نسبیت توسط این نظریه تاکید کرد. اما این آلفرد بوخرر بود که در بخش بحث مقاله پلانک، برای نخستین بار ترکیب "نظریه نسبیت" (در آلمانی: Relativitätstheorie) را به کار برد.
نسبیت خاص
نسبیت خاص نگره‌ای بر روی ساختار فضازمان است. این نگره در سال ۱۹۰۵ توسط اینشتین و در مقاله‌ای به نام "درباره الکترودینامیک اجسام در حال حرکت" ارایه شد. این نگره بر پایه دو فرضی است که در تناقض با مکانیک کلاسیک هستند:
قوانین فیزیک برای همه ناظران در دستگاه مرجع لخت نسبیت به یکدیگر ثابت هستند (اصل نسبیت).
سرعت نور در خلا برای همه ناظران، صرفنظر از حرکت نسبیشان و یا حرکت منبع تولید کننده نور، ثابت است.
چنین نگره‌ای همخوانی بهتری با آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد. برای نمونه، آزمایش مایکلسون-مورلی نه تنها تاکید کننده فرض دوم است که نتایج جالب دیگری را نیز به همراه داشت:
نسبیت همزمانی: دو رویداد که برای یک ناظر همزمان هستند، ممکن است برای ناظر دیگری که نسبت به ناظر نخست در حال حرکت است همزمان نباشند.
اتساع زمانی: ساعت‌های در حال حرکت گذر زمان کمتری را نسبت به ساعت‌های ساکن تجربه می‌کنند و نشان می‌دهند.
انقباض طول: اشیای در حال حرکت در نظر یک ناظر ایستا کوتاهتر به چشم می‌آیند.
هم‌ارزی جرم و انرژی: E=mc^2 جرم و انرژی با هم هم‌ارز هستند و به هم تبدیل می‌شوند.
نور بیشترین سرعت ممکن را دارد: هیچ جسم مادی و یا پیامی نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور سفر کند.
ویژگی تعریف کننده نسبیت خاص در جابجایی ترادیسی‌های گالیله مورد استفاده در مکانیک کلاسیک با تبدیلات لورنتس است.
نسبیت عام
نسبیت عام ٬ نظریه‌ای هندسی برای گرانش است که در سال ۱۹۱۶ توسط آلبرت اینشتین مطرح گردید و تصویر کنونی فیزیک جدید از گرانش را تشکیل می‌دهد. نسبیت عام ٬ نظریه نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتن را تعمیم می‌دهد و توصیفی یکتا از گرانش به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان ٬ یا فضازمان ارائه می‌کند. به خصوص در این نظریه ٬ انحنای فضازمان ٬ به طور مستقیم بهانرژی و تکانه هر ماده و تابشی که موجود باشد مربوط است. این رابطه توسط معادلات میدان اینشتین مشخص می‌گردد ٬که یک دستگاه معادلات مشتقات پاره‌ای را تشکیل می‌دهند.
برخی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام ٬به خصوص موارد مرتبط با گذشت زمان٬ هندسه‌ی فضا٬حرکت اجسام هنگام سقوط آزاد و انتشار نور ٬ با پیش‌بینی‌های نظریه‌های فیزیک کلاسیک تفاوت بسیاری دارند. برای نمونه از چنین تفاوت‌هایی ٬ می‌توان به اتساع گرانشی زمان ٬ همگرایی گرانشی ٬ انتقال به سرخ گرانشی نور و تاخیر زمانی گرانشی اشاره کرد. پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام در همه آزمون‌ها تا به امروز تایید شده‌اند. هرچند نسبیت عام تنها نظریه نسبیتی نور نیست ٬ ساده‌ترین نظریه ای است که با آزمایش‌ها مطابقت دارد. البیته پرسش‌های بدون پاسخی باقی مانده‌اند ٬ که بنیادی‌ترین آنها چگونگی آشتی دادن نسبیت عام با فیزیک کوانتومی برای ایجاد یک نظریه خود-سازگار و کامل از گرانش کوانتومی می‌باشد.
نظریه اینشتین نتایج اخترفیزیکی مهمی به دنبال دارد.برای مثال ٬ وجود سیاه‌چاله‌ها را نشان می‌دهد – مکان‌هایی در فضا که در آن فضا و زمان طوری ناهموار شده‌اند که هیچ چیز ٬ حتی نور ٬ نمی‌تواند از آن فرار کند - ٬حالتی که در پایان عمر برای ستاره‌های پرجرم ایجاد می‌گردد. شواهد فراوانی وجود دارد که نشان می دهد تابش‌های شدید گسیل شده از برخی اجسام نجومی٬ مربوط به سیاه‌چاله‌ها است. برای مثال ٬ ریزاختروش‌ها و یا هسته کهکشانی فعال نتیجه حضور سیاه‌چاله های ستاره‌وار و سیاه‌چاله‌هایی با جرم‌های بسیار بسیار بیشتر هستند. خم‌شدن نور توسط گرانش می‌تواند منجر به پدیده‌ای موسوم به همگرایی گرانشی گردد که موجب دیده‌شدن چند تصویر از یک شئ نجومی دور٬ در آسمان می‌شود. نسبیت عام همچنین وجوپ امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند ٬ که تاکنون تنها به صورت غیرمستقیم مشاهده شده‌اند. مشاهده و اندازه‌گیری مستقیم آنها هدف پروژه‌هایی نظیر لیگو ٬ آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری ناسا/اسا و آرایه‌های گوناگون زمان‌سنجی تپ‌اختر است. همچنین ٬ نسبیت عام اساس مدل‌های کنونی کیهان‌شناختی از یک جهان در حال انبساط است.
شیمی تجزیه
شیمی تجزیه شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به مطالعه روش‌های جداسازی، شناسایی و بررسی کمی اجزاطبیعی یا مصنوعی یک ماده می‌پردازد.انواع آنالیز و تجزیه و تحلیل که در این دانش به کار گرفته می‌شوند در یک نگاه کلی به دو دسته کمی و کیفی تقسیم می‌شوند.در تجزیه کیفی نوع اجزای موجود در نمونه تعیین می‌شود و در تجزیه کمی مقدار و یا غلظت هر یک از این اجزا تعیین می‌شود.در حالت کلی آنالیز کیفی بر آنالیز کمی تقدم دارد در واقع ابتدا نوع اجزا و سپس مقادیر کمی آنها تعیین می‌شود. روش‌های تجزیه به دو دسته روش‌های کلاسیک و روش‌های دستگاهی تقسیم می‌شوند. روش‌های کلاسیک که به روش‌های شیمی تَر هم شهرت دارند از ابزار و یا سامانه‌های سنجش چندان پیشرفتهای بهره نمی‌برند.اصلی ترین انواع روش‌های کلاسیک روش‌های وزن‌سنجی و روش‌های تیتراسیون هستند. در مقابل در روش‌های دستگاهی سامانه‌ها و دستگاه‌های تجزیه و تحلیل نقش اساسی را ایفا می‌کنند.از جمله روش‌های ابزاری می‌توان به روش‌های الکتروشیمیایی،روش‌های طیف سنجی و روش‌های کروماتوگرافی اشاره کرد.
مفاهیم پایه
نمونه:عبارت است از بافتی کلان که عمل تجزیه و تحلیل بر روی آن انجام می‌شود. آنالیت:آن بخشی از نمونه است که قصد بررسی کمی آن را داریم.به عنوان مثال در عمل اندازه گیری میزان منیزیم در خاک،خاک نمونه و منیزیم آنالیت می‌باشد ویا در اندازه گیری میزان اوریک اسید در خون،خون نمونه و اوریک اسید آنالیت می‌باشد. در متون علمی در ارتباط با نمونه اغلب لفظ آنالیز و یا تجزیه را به کار می‌برند و در مورد آنالیت لفظ تعیین،همچنین محاسبه کاربرد دارد.
عوامل مهم در کارایی روش‌های تجزیه
نخستین عامل حائز اهمیت گزینش پذیری روش است به عنوان مثال فرض کنید که ما قصد اندازه گیری یون منیزیم را در یک محلول داریم اما روشی اتخاذ کرده‌ایم که یون‌های دیگری مثلا یون آلومینیم و یا اسکاندیم هم به آن جواب می‌دهد این انتخاب ما را درگیر تلاش و صرف هزینه برای کنار گذاشتن چنین عوامل مزاحمی می‌کند که باعث می‌شوند نتیجه بررسی با آن چه حقیقتا به دنبال آن هستیم مغایرت داشته باشد.از این جهت بسیار مهم است که تا جایی که امکان دارد از روش‌های گزینش‌پذیر که به تعداد کم تری از آنالیت‌ها پاسخگوست،بهره ببریم.عامل دوم حساسیت روش است در بررسی‌هایی که حتی تغییرات کوچک آنالیت در برآورد نتیجه نقش اساسی دارند بهره گیری از دستگاهی که تنها به تغییر در مقیاس بزرگ پاسخ می‌دهد مطلوب نیست.عامل مهم سوم سرعت است برای مثال در حین عمل‌های جراحی گاهی لازم است که آنالیز روی خون شخص انجام شود ونتیجه این آزمایش در ادامه روند جراحی اثر گذار است در چنین مواردی به کار بردن یک روش زمان گیر مطلوب نخواهد بود و در نهایت این که روش ما از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد نیز حائز اهمیت است.
روش‌های کلاسیک
با وجود آن که علم شیمی تجزیه امروزه تحت اثر عمده روش‌های ابزاری قرار دارد با این حال این روش‌های کلاسیک هستند که از بسیاری جهات شالوده علم شیمی تجزیه را تشکیل می‌دهند و هم چنین اساس بسیاری از ابزارها و سامانه‌های اندازه گیری بر روش‌های کلاسیک است که در ادامه شرح داده می‌شود.
آنالیز کیفی
آنالیز کیفی وجود یا نبود یک ترکیب در یک نمونه را معین می‌کند ولی در رابطه با جرم و یا غلظت ترکیب‌های یاد شده اطلاعاتی نمی‌دهد.همان گونه که از نام آنالیز کیفی پیداست این نوع آنالیز با "اندازه گیری مقدار" سر و کار ندارد.
آزمون‌های شیمیایی
آزمون‌های شیمیایی بیشماری وجود دارند که کارکرد کیفی دارند از جمله "آزمون اسید"که در تشخیص طلا کاربرد دارد و یا "آزمون کسل-مایر" که برای تعیین وجود خون کاربرد دارد.
آزمون شعله
آزمون شعله نیز از روش‌های آنالیز کیفی می‌باشد.در این آزمایش شعله در اثر تماس با محلول آنالیت‌های خاص تغییر رنگ می‌دهد.به عنوان مثال کات کبود به دلیل آن که حاوی یون‌های مس مس باشد به شعله رنگ سبز می‌دهد.البته صرف تحلیل رنگ شعله با چشم غیر مسلح نتیجه این آزمون را قابل اعتماد نمی‌کند بلکه اغلب این نورهای تغییر رنگ داده را به عنوان ورودی به دستگاه طیف بین استفاده کرده و از روی طیف حاصله و تططبیق آن با طیف‌های اتمی به وجود یا نبود عنصر یا ترکیب خاصی در نمونه اولیه پی می‌برند.رابرت بونزن و همکارش گوستاو کیرشهف پیشگام بهره گیری از آزمون شعله بودند و با همین روش هنگام بررسی طیف ناشی از یک سنگ معدنی لیتیم دار دو عنصر جدید روبیدیم(Rb) و سزیم(Cs) را کشف نمودند.
روش‌های وزن سنجی
وزن سنجی نوعی از آنالیز کیفی هست که مقدار ماده را معین می‌کند.یک نمونه از چنین آنالیزی که در آزمایش‌های سطوح مقدماتی صورت میگیرد تعیین میزان آب موجود در یک ترکیب آب پوشیده از طریق حرارت دادن به نمونه و اندازه گیری اختلاف جرم آن پیش و پس از حرارت دادن است که میزان آب تبخیر شده را نشان می‌دهد.
سنجش‌های حجمی
سنجش‌های حجمی(تیتراسیون) نوع دیگری از روش‌های آنالیز کمی می‌باشد که هدف آن یافتن یک نقطه هم ارزی است که مقدار یک گونه خاص را در یک محلول معین می‌کند.یکی از نمونه‌های سنجش حجمی که برای بسیاری آشناست سنجش‌های حجمی اسید-باز می‌باشد که در آن نقطه هم ارزی با تغییر رنگ یک شناساگر شناسایی می‌شود.انواع دیگری از سنجش‌های حجمی وجود داند از جمله سنجش‌های حجمی پتانسیومتری.
روش‌های دستگاهی
در روش‌های ابزاری از سامانه‌های اندازه گیری و ابزارها برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شود این روش‌ها نوعا به این صورت هستند که یک محرک اولیه(نور،گرما،جریان الکتریکی،ولتاژ و...)به نمونه داده می‌شود و نمونه در پاسخ به این عمل سیگنال‌هایی را گسیل می‌کند که وارد شناساگر می‌شوند.در شناساگر این سیگنال‌ها به روش‌های گوناگون تقویت می‌شوند و نتیجه نهایی روی صفحه نمایشگر یک رایانه نمایش داده می‌شود.
طیف سنجی
طیف سنجی عبارت است از اندازه گیری برهمکنش مولکول‌ها و پرتوهای الکترومغناطیسی.از جمله انواع طیف سنجی می‌توان به طیف جذب اتمی ،طیف گسیل اتمی ، طیف سنجی مرئی-فرابنفش ، طیف سنجی فروسرخ، طیف سنجی پرتوی ایکس و فلوئورسانس و طیف سنجی مغناطیسی هسته(ان ام آر) اشاره کرد.
طیف سنجی جرمی
هدف از طیف سنجی جرمی تعیین نسبت بار به جرم گونه‌ها می‌باشد.در این روش آنالیز از راهکارهای گوناگونی به منظور یونش استفاده می‌شود از جمله:بمباران الکترونی،استفاده از پرتوی ایکس و...
آنالیز الکتروشیمیایی
آنالیز الکتروشیمیایی با اندازه گیری اختلاف پتانسیل و/یا شدت جریان الکتریکی یک پیل الکتروشیمیایی حاوی آنالیت همراه است.آنالیزهای الکتروشیمیایی را می‌توان برحسب این که چه ویژگی‌هایی از پیل در خلال آنها مورد بررسی قرار میگیرد و یا این که پیل در خلال آنها دستخوش چه تغییراتی می‌شود رده بندی کرد.بر همین اساس این روش‌ها به سه دسته پتانسیومتری(اندازه گیری اختلاف پتانسیل پیل)،کولومتری(اندازه گیری شدت جریان در طول زمان)و ولتامتری(اندازه گیری اختلاف پتانسیل پیل حین ایجاد تغییر در شدت جریان) تقسیم می‌شود.
آنالیز حرارتی
گرماسنجی و آنالیز گرماوزنسنجی(thermogra alysis)از جمله روش‌هایی هستند که به تحلیل برهمکنش میان ماده و حرارت می‌پردازند.
جداسازی
روش‌های جداسازی به منظور کاهش پیچیدگی مخلوط ماده مورد استفاده قرار میگیرد.از جمله این روش‌ها می‌توان به کروماتوگرافی و الکتروفورز اشاره کرد.
روش‌های هیبریدی
روش‌های چندگانه‌ای که به شکل ترکیبی از روش‌های بالا خود را نشان می‌دهند روش‌های هیبریدی می‌گوییم.از جمله این روش‌ها می‌توان به کروماتوگرافی-ظیف سنجی جرمی گاز،کروماتوگرافی-طیف سنجی فروسرخ گاز،کروماتوگرافی-طیف سنجی جرمی مایع و روش‌های هیبریدی جز این موارد اشاره کرد که امروزه یا به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و یا در مراکز علمی و تحقیقاتی در حال توسعه یافتن هستند.در نگارش نام این روش‌ها گاهی به جای نماد خط تیره از نماد کج خط(slash) استفاده می‌شود به خصوص در صورتی که نام یک یا چند تا از روش‌های تشکیل دهنده پیکره روش هیبریدی خود دارای نماد خط تیره باشند.به عنوان نمونه می‌توان بر خلاف الگوی نگارشی رعایت شده در بالا نوشت:کروماتوگرافی/طیف سنجی جرمی گاز.روش‌های هیبریدی امروزه به طور گسترده در شیمی و زیست شیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ریزنگاری
تصویر کردن مولکول‌ها،سلول‌ها و بافت‌های زیست شناختی یک گرایش فعال و مهم در علم تجزیه می‌باشد.ترکیب این روش‌ها با روش‌های قدیمی تر آنالیز باعث تغییرات شگرفی در علم تجزیه شده است.می توان روش‌های ریزنگاری را در سه رده کلی ریزنگاری نوری،ریز نگاری الکترونی و ریز نگاری پراب پویش قرار داد.به دلیل پیشرفت سریع در زمینه صنایع رایانه و دوربین این زمینه از شیمی تجزیه شاهد پیشرفتهای عظیم و قابل توجهی بوده است.
آزمایشگاه‌های تراشه‌ای
تراشه‌های کوچکی امروزه در دسترس هستند که با داشتن ابعاد بسیار خرد در حد چند میلیمتر تا چند سانتی متر مربع برای تحلیل حجم‌های بسیار اندک سیالات(در حد چند پیکو لیتر)مورد استفاده قرار می‌گیرند.
شیمی آلی
شیمی آلی زیر مجموعه ای از دانش شیمی است که درباره ترکیبات کربن یا مواد آلی سخن می‌گوید، عنصر اصلی که با کربن ترکیبات آلی را تشکیل می دهند، هیدروژن می باشد. در گذشته به موادی که ریشه گیاهی یا حیوانی داشتند، مواد آلی می گفتند اما امروزه مواد آلی را می توان از طریق روش های صنعتی و آزمایشگاهی و به کمک مواد معدنی نیز سنتز کرد. موادی که از منابع آلی بدست می آیند، در یک ویژگی مشترک هستند و آن اشتراک در دارا بودن عنصر کربن است. دو منبع بزرگ مواد آلی که از آنها مواد آلی با ترکیبات ساده، تأمین می شوند، نفت و زغال سنگ هستند، این دو ماده فسیلی در مفهوم قدیمی آلی بوده و حاصل تجزیه جانوران و گیاهان هستند. این ترکیبات ساده به عنوان مصالح ساختمانی، در ساختن ترکیبات بزرگتر و پیچیده تر مصرف می گردند. شیمی آلی، شیمی ترکیبات کربن با سایر عناصر به ویژه هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، هالوژن ها و غیر فلزات دیگر نظیر گوگرد و منیزیوم است. الکل ها، اترها، هیدروکربن ها، آلدئیدها، کتون ها، کربوکسیلیک اسیدها، ترکیبات آلیفاتیک حلقوی، کربانیون ها، آمین ها، فنل ها، درشت مولکول ها و بسپارها (پلیمر) و نظیر آنها جزء مواد آلی بوده و مباحث شیمی آلی را به خود اختصاص داده اند. امروزه از مواد آلی و دانش شیمی آلی در رنگ سازی، کاغذ و جوهرسازی، مواد غذایی، پوشاک، پتروشیمی، مواد پلاستیکی و لاستیکی، داروسازی، پزشکی و ده ها صنعت دیگر بهره می برند. افزون بر بیست میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود دارد و هر ساله نیم میلیون ملکول جدید به خانواده مواد آلی اضافه می شوند. شیمی آلی شالوده زیست شناسی و پزشکی است. ساختمان موجودات زنده به غیر از آب، عمدتاً" از مواد آلی ساخته شده اند، مولکول های مورد بحث در زیست شناسی مولکولی همان مولکول های آلی هستند. امروزه ما در عصر کربن زندگی می کنیم، هر روزه روزنامه ها و مجلات، ذهن ما را متوجه ترکیبات کربن نظیر کلسترول، چربی های اشباع نشده، هورمون ها، استروئیدها، حشره کش ها و فرومون ها می نماید. در دهه های گذشته به خاطر نفت جنگ های متعددی راه افتاده است، همچنین دو فاجعه نازک شدن لایه اوزون که عمدتاً" به خاطر وجود کلرو فلوئورو کربن ها می باشد و پدیده گازهای گلخانه ای که ناشی از حضور متان، کلرو فلوئورو کربن ها و دی اکسید کربن است، زندگی انسان ها را به خطر انداخته است.
ساختمان و ویژگی ها
آرایش و درشتی مولکول های مواد آلی
تا حدود سال 1850 میلادی بسیاری از دانشمندان بر این باور بودند که منشأ مواد آلی، جانداران و گیاهان هستند، آنها تصور می کردند که مواد آلی را هرگز نمی توان از مواد معدنی و غیر آلی تولید نمود. دانشمندان همواره دنبال پاسخ به این پرسش بودند که چه ویژگی در ترکیبات کربن وجود دارد که آنها را از ترکیبات مربوط به صد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی متمایز کرده است. تعداد بسیاری از ترکیبات کربن وجود دارند که مولکول های آنها می توانند بسیار بزرگ و پیچیده باشند. تعداد ترکیباتی که دارای عنصر کربن هستند چندین برابر بیشتر از تعداد ترکیبات بدون کربن است. مولکول های آلی شامل هزاران اتم شناخته شده اند و ترتیب قرار گرفتن اتم ها حتی در مولکول های نسبتاً" کوچک نیز بسیار پیچیده است. یکی از مسائل اصلی در شیمی آلی، آگاهی از طرز قرار گرفتن اتم ها در مولکول ها و یا تعیین ساختمان ترکیبات است.
ویژگی منحصر به فرد کربن
اتم های کربن می توانند به میزانی که برای اتم هیچ عنصر دیگری مقدور نیست، به یکدیگر متصل شوند. همچنین اتم های کربن می توانند زنجیرهایی شامل هزاران اتم و یا حلقه هایی با اندازه های متفاوت ایجاد نمایند، زنجیرها و حلقه ها می توانند دارای شاخه و پیوندهای عرضی باشند، به اتم های کربن این زنجیرها و حلقه ها، اتم های دیگری نیز می تواند وصل شود، این اتم ها معمولاً" هیدروژن، فلوئور، کلر، برم، ید، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر اتم های مختلف می باشند. هر آرایش مختلف از اتم ها مربوط به ترکیب متفاوتی است و هر ترکیب یک سری خواص شیمیایی و فیزیکی خاص خود را دارد، از این رو غیر منتظره نیست که امروزه ده ها میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود داشته باشد.
پیوند شیمیایی
بررسی ساختمان مولکول ها را باید با بحث درباره پیوندهای شیمیایی یعنی نیروهایی که اتم ها را در یک مولکول نگاه می دارند، شروع نمود. دو نوع پیوند یونی و کووالانسی، پیوندهایی هستند که به وسیله آن اتم ها با یکدیگر اتصال برقرار می کنند. از میان این دو پیوند، پیوند کووالانسی، پیوند متدوال در ترکیبات کربن است و مهمترین پیوند در مطالعه شیمی آلی است.
مواد آلی در شیمی آلی
مواد آلی دارای گستره ای بزرگ می باشند و بسیار متفاوت و متنوع هستند. از این دسته مواد می توان، پارافین ها، روغن ها، هیدرو کربن ها، الفین ها، استیلن ها، ترپن ها، الکل ها، اسیدهای کربوکسیلیک، استرها، اترها، اپوکسیدها، آلدئیدها، کتون ها، آمین ها، آمیدها، ترکیبات آروماتیک، اسیدهای آلی، ایزوسیونات ها، محصولات استخلافی بنزن، الیاف نساجی، رنگ های رنگرزی و صنعتی و ... را نام برد.
ترکیبات هیدرو کربنی
برخی از ترکیبات آلی فقط شامل دو عنصر، هیدروژن و کربن هستند و از این رو به عنوان هیدرو کربن شناخته می شوند. هیدرو کربن ها بر اساس ساختمانشان، به دو دسته اصلی، آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می شوند. هیدرو کربن های آلیفاتیک خود به گروه های آلکان ها، آلکن ها، آلکین ها و ترکیبات حلقه ای مشابه سیکلو آلکان ها و غیره تقسیم می گردند.
متان
ساده ترین ماده شیمی آلی متان است، مولکول متان دارای یک اتم مرکزی کربن و چهار اتم محیطی هیدروژن است که با زاویه 109/5 درجه دور اتم کربن قرار گرفته اند. متان محصول نهایی متلاشی شدن ناهوازی (بدون هوا) گیاهان یعنی از هم پاشیدگی بعضی از مولکول های پیچیده می باشد. متان تشکیل دهنده قسمت اعظم (حدود 97 درصد) گاز طبیعی است. متان گاز آتشگیر خطرناک معادن زغال سنگ است و به صورت حباب های گاز از سطح مرداب ها خارج می گردد. گاز متان از ترکیب مونو اکسید کربن و هیدروژن حاصل می گردد.
کلرو فلوئورو کربن ها
مشتقات هالوژنه متان را کلرو فلوئورو کربن ها می گویند. اگر به جای هیدروژن های متان اتم های هالوژن جایگزین گردد، این محصولات حاصل می شوند. گازهای مورد استفاده در یخچال ها و کولرهای گازی و انواع اسپری، از این دسته مواد هستند.
آلکان ها
آلکان ها که نقطه آغازگر آن ها متان است به ترکیبات غیر حلقوی و خطی کربن و هیدروژن اطلاق می شود، پیوند یگانه کووالانسی در این ترکیبات اتم های کربن و هیدروژن را به هم وصل کرده است. این هیدرو کربن ها بر اساس ساختمانشان به خانواده متان تعلق دارند و خواص آنها از خواص متان پیروی می کند. در آلکان ها تعداد اتم های هیدروژن نسبت به اتم های کربن، دو برابر به علاوه دو می باشد. یعنی مثلاً" در مولکول بوتان، چهار اتم کربن و ده اتم هیدروژن وجود دارد. در آلکان ها، انتظار می رود هرچه تعداد اتم ها افزایش یابد، تعداد آرایش های ممکن اتم ها نیز زیادتر می شود. به تدریج که در سری آلکان ها پیش می رویم، تعداد ایزومرها در همرده های متوالی به میزان شگفت آوری افزایش می یابند. برای مثال هپتان دارای نه ایزومر می باشد، یعنی در شیمی آلی نه ماده مختلف با خواص متفاوت هستند که همگی فرمولشان C7H16 است. برای نامیدن ترکیبات مختلف و پیچیده آلی از روش استاندارد آیوپاک استفاده می کنند.
8:34 am
کاربرد برنامه نویسی
زبان برنامه نویسی یک مکانیزم ساخت یافته برای تعریف داده‌ها، و عملیات یا تبدیل‌هایی که ممکن است بطور اتوماتیک روی آن داده انجام شوند، فراهم می‌کند. یک برنامه نویس از انتزاعات آماده در زبان استفاده می‌کند تا مفاهیم به کار رفته در محاسبات را بیان کند. این مفاهیم به عنوان یک مجموعه از ساده‌ترین عناصر موجود بیان می‌شوند(مفاهیم ابتدایی نامیده می‌شوند).
زبان‌های برنامه نویسی با غالب زبان‌های انسانی تفاوتی دارد و آن این است که نیاز به بیان دقیق تر و کامل تری دارد. هنگام استفاده از زبان‌های طبیعی برای ارتباط با دیگر انسان‌ها، نویسندگان و گویندگان می‌توانند مبهم باشند و اشتباهات کوچک داشته باشند، و همچنان انتظار داشته باشند که مخاطب آنها متوجه شده باشد. اگرچه، مجازا، رایانه‌ها "دقیقاً آنچه که به آنها گفته شده را انجام می‌دهند." و نمی‌توانند "بفهمند" که نویسنده دقیقاً چه کدی مد نظر نویسنده بوده‌است] البته امروزه برنامه‌هایی برای انجام این کار تولید شده‌اند و تلاش‌های بسیاری در این زمینه انجام شده ولی هنوز به نتیجهٔ رضایت بخشی نرسیده است[. ترکیب تعریف زبان، یک برنامه، و ورودی برنامه بطور کامل رفتار خروجی را به هنگام اجرای برنامه (در محدوده کنترل آن برنامه) مشخص می‌کند. برنامه‌های یک رایانه ممکن است در یک فرایند ناپیوسته بدون دخالت انسان اجرا شوند، یا یک کاربر ممکن است دستورات را در یک مرحله فعل و انفعال مفسر تایپ کند.در این حالت "دستور"ها همان برنامه‌ها هستند، که اجرای آنها زنجیروار به هم مرتبطند.به زبانی که برای دستور دادن به برنامه‌ای استفاده می‌شود، زبان اسکریپت می‌گویند. بسیاری از زبان‌ها کنار گذاشته شده‌اند، برای رفع نیازهای جدید جایگزین شده‌اند، با برنامه‌های دیگر ترکیب شده‌اند و در نهایت استعمال آنها متوقف شده‌است. با وجود اینکه تلاش‌هایی برای طراحی یک زبان رایانه" کامل" شده‌است که تمام اهداف را تحت پوشش قرار دهد، هیچ یک نتوانستند بطور کلی این جایگاه را پر کنند. نیاز به زبان‌های رایانه‌ای گسترده از گستردگی زمینه‌هایی که زبان‌ها استفاده می‌شوند، ناشی می‌شود:
محدوده برنامه‌ها از متون بسیار کوچک نوشته شده توسط افراد عادی تا سیستمهای بسیار بزرگ نوشته شده توسط صدها برنامه نویس است
توانایی برنامه نویس‌ها: از تازه کارهایی که بیش از هر چیز به سادگی نیاز دارند تا حرفه‌ای‌هایی که با پیچیدگی قابل توجهی کنار می‌آیند.
برنامه‌ها باید سرعت، اندازه و سادگی را بسته به سیستم‌ها از ریزپردازندها تا ابر رایانه‌ها متناسب نگه دارند.
برنامه‌ها ممکن است یک بار نوشته شوند و تا نسل‌ها تغییر نکنند، و یا ممکن است پیوسته اصلاح شوند.
در نهایت، برنامه نویس‌ها ممکن است در علایق متفاوت باشند: آنها ممکن است به بیان مسائل با زبانی خاص خو گرفته باشند.
یک سیر رایج در گسترش زبان‌های برنامه نویسی این است که قابلیت حل مسائلی با درجات انتزاعی بالاتری را اضافه کنند. زبان‌های برنامه نویسی اولیه به سخت‌افزار رایانه گره خورده بودند. همانطور که زبان‌های برنامه نویسی جدید گسترش پیدا کرده‌اند، ویژگی‌هایی به برنامه‌ها افزوده شده که به برنامه نویس اجازه دهد که ایده‌هایی که از ترجمه ساده به دستورات سخت‌افزار دورتر هستند نیز استفاده کند. چون برنامه نویس‌ها کمتر به پیچیدگی رایانه محدود شده‌اند، برنامه‌های آنها می‌تواند محاسبات بیشتری با تلاش کمتر از سوی برنامه نویس انجام دهند. این به آنها این امکان را می‌دهد که کارایی بیشتردر واحد زمان داشته باشند. "پردازنده‌های زبان طبیعی" به عنوان راهی برای ازبین بردن نیاز به زبان‌های اختصاصی برنامه نویسی پیشنهاد شده‌اند. هرچند، این هدف دور است و فواید آن قابل بحث است. "ادسگر دیجسترا" موافق بود که استفاده از یک زبان رسمی برای جلوگیری از مقدمه سازی ساختارهای بی معنی واجب است، و زبان برنامه نویسی طبیعی را با عنوان "احمقانه" رد کرد، "آلن پرلیس" نیز مشابها این ایده را رد کرد. مطابق با متدولوژی نامتجانس استفاده شده توسط langpop.com در سال ۲۰۰۸، ۱۲ زبان پرکاربرد عبارتند از: C, C++, C#, Java, JavaScript, Perl, PHP, Python, Ruby, Shell, SQL, and Visual Basic.
المان‌ها
تمام زبان‌های بزنامه نویسی تعدادی بلوک‌های ابتدایی برای توضیح داده و پردازش یا تبدیل آنها(مانند جمع کردن دو عدد با انتخاب یک عضو از یک مجموعه)دارند. این " عناصرابتدایی" بوسیله قوانین معناشناسی و دستوری تعریف می‌شوند که ساختار و معنای مربوطه را توضیح می‌دهند.
دستور(
syntax)
فرم سطحی یک زبان برنامه نویسی دستور آن نامیده می‌شود. غالب زبان‌های برنامه نویسی کاملاً متنی اند؛ و از دنبالهٔ متون شامل کلمات، اعداد، نشانگذاری، بسیار شبیه زبان نوشتاری طبیعی استفاده می‌کنند. از طرف دیگر، برنامه‌هایی نیز وجود دارند که بیشتر گرافیکی اند، و از روابط بصری بین سمبل‌ها برای مشخص کردن برنامه استفاده می‌کنند. دستور یک زبان ترکیبات ممکن سمبل‌ها برای ایجاد یک برنامهٔ درست را از نظر دستوری مشخص می‌کند. معنایی که به یک ترکیب سمبل‌ها داده می‌شود با معناشناسی اداره می‌شود(قراردادی یا نوشته شده در پیاده سازی منبع). از آنجا که اغلب زبان‌ها متنی هستند، این مقاله دستور متنی را مورد بحث قرار می‌دهد.
دستور زبان برنامه نویسی معمولاً بوسیله ترکیب عبارات معین(برای ساختار لغوی) و فرم توضیح اعمال(برای ساختار گرامری) تعریف می‌شوند. متن زیر یک گرامر ساده، به زبان lisp است: expression ::= atom | list atom ::= number | symbol number ::= [+-]?['۰'-'۹']+ symbol ::= ['A'-'Za'-'z'].* list ::= '(' expression* ')' این گرامر موارد ذیل را مشخص می‌کند:
یک عبارت یا atom است و یا یک لیست
یک atom یا یک عدد است و یا یک سمبل
یک عدد دنباله ناشکسته‌ای از یک یا تعداد بیشتری اعداد دهدهی است، که یک علامت مثبت و یا منفی می‌تواند پیش از آن بیاید.
یک سمبل حرفی است که بعد از هیچ یا تعدادی کاراکتر (جز فاصله) می‌آید.
یک لیست تعدادی پرانتز است که می‌تواند صفر یا چند عبارت در خود داشته باشد.
"۱۲۳۴۵"، "()"، "(a b c۲۳۲ (۱))" مثال‌هایی هستند از دنباله‌های خوش فرم در این گرامر.
همه برنامه‌هایی که از لحاظ دستوری درست هستند، از نظر معنا درست نیستند. بسیاری از برنامه‌های درست دستوری، بد فرم اند، با توجه به قوانین زبان؛ و ممکن است (بسته به خصوصیات زبان و درست بودن پیاده سازی) به خطای ترجمه و یا استثنا(exception) منتج شود. در برخی موارد، چنین برنامه‌هایی ممکن است رفتار نامشخصی از خود نشان دهند. حتی اگر یک برنامه در یک زبان به خوبی بیان شده باشد، ممکن است دقیقاً مطلوب نویسنده آن نبوده باشد.
به عنوان مثال در زبان طبیعی، ممکن نیست به برخی از جملات درست از لحاظ گرامری، معنای خاصی اطلاق کرد و یا ممکن است جمله نادرست باشد:
"ایده‌های بی رنگ سبز با خشم می‌خوابند."از نظر دستوری خوش فرم است ولی معنای مورد قبولی ندارد.
"جان یک مجرد متاهل است." از نظر دستوری درست است، ولی معنایی را بیان می‌کند که نمی‌تواند درست باشد.
این قسمت از زبان C از نظر دستوری درست است، اما دستوری را انجام می‌دهد که از نظرمعنایی تعریف نشده است(چون p یک اشاره گر خالی است، عمل p->real,p->im معنای خاصی ندارد.) complex *p = NULL; complex abs_p = sqrt (p->real * p->real + p->im * p->im);
گرامر مورد نیاز برای مشخص کردن یک زبان برنامه نویسی می‌تواند با جایگاهش در "سلسله مراتب چامسکی" طبقه بندی شود. دستور اغلب زبان‌های برنامه نویسی می‌تواند بوسیله یک گرامر نوع ۲ مشخص گردد، برای مثال، گرامرهای مستقل از متن.
معناشناسی ایستا
معناشناسی ایستا محدودیت‌هایی بر روی ساختار مجاز متن‌ها تعیین می‌کند که بیان آنها در فرمول دستوری استاندارد مشکل و یا غیر ممکن است. مهمترین این محدودیت‌ها به وسیله سیستم نوع گذاری انجام می‌شود.
سیستم نوع گذاری
یک سیستم نوع گذاری مشخص می‌کند که یک زبان برنامه نویسی چگونه مقادیر و عبارات را در نوع(type) دسته بندی می‌کند، چگونه می‌تواند آن نوع‌ها را تغییر دهد و رفتار متقابل آنها چگونه‌است. این کارعموما توضیح داده ساختارهایی که می‌توانند در آن زبان ایجاد شوند را شامل می‌شود. طراحی و مطالعه سیستمهای نوع گذاری بوسیله ریاضیات قراردادی را تئوری نوع گذاری گویند.
زبان‌های نوع گذاری شده و بدون نوع گذاری
یک زبان نوع گذاری شده‌است اگر مشخصات هر عملیات، نوع داده‌های قابل اجرا توسط آن را با نشان دادن نوع‌هایی که برای آنها قابل اجرا نیست، تعیین کند. برای مثال، "این متن درون گیومه قرار دارد" یک رشته‌است. در غالب زبان‌های برنامه نویسی، تقسیم یک رشته با یک عدد معنایی ندارد. در نتیجه غالب زبان‌های برنامه نویسی مدرن ممکن است اجرای این عملیات را توسط برنامه‌ها رد کنند. در برخی زبان‌ها، عبارات بی معنی ممکن است هنگام ترجمه(compile) پیدا شود(چک کننده نوع ایستا)، و توسط کامپایلر رد شود، در حالی که در سایر برنامه‌ها، هنگام اجرا پیدا شود.(چک کننده نوع دینامیک) که به استثنای در حال اجرا منتج شود(runtime exception). حالت خاص زبان‌های نوع دار زبان‌های تک نوعند. این زبان‌ها غالباً اسکریپتی و یا مارک آپ هستند، مانند rexx وSGML و فقط یک داده گونه دارند—غالباً رشته‌های کاراکتری که هم برای داده‌های عددی و هم برای داده‌های سمبلی کاربرد دارند. در مقابل، یک زبان بدون نوع گذاری، مثل اکثر زبان‌های اسمبلی، این امکان را می‌دهد که هر عملیاتی روی هر داده‌ای انجام شود، که معمولاً دنباله‌ای از بیت‌ها با طول‌های متفاوت در نظر گرفته می‌شوند. زبان‌های سطح بالا که بی نوع هستند شامل زبان‌های ساده رایانه‌ای و برخی از انواع زبان‌های نسل چهارم.
در عمل، در حالیکه تعداد بسیار کمی از دیدگاه نظریه نوع، نوع گذاری شده تلقی می‌شوند(چک کردن یا رد کردن تمام عملیات‌ها)، غالب زبان‌های امروزی درجه‌ای از نوع گذاری را فراهم می‌کنند. بسیاری از زبان‌های تولیدکننده راهی را برای گذشتن یا موقوف کردن سیستم نوع فراهم می‌کنند.
نوع گذاری ایستا و متحرک
در نوع گذاری ایستا تمام عبارات نوع‌های خود را قبل از اجرای برنامه تعیین می‌کنند(معمولاً در زمان کامپایل). برای مثال، ۱ و (۲+۲) عبارات عددی هستند؛ آنها نمی‌توانند به تابعی که نیاز به یک رشته دارد داده شوند، یا در متغیری که تعریف شده تا تاریخ را نگه دارد، ذخیره شوند.
زبان‌های نوع گذاری شده ایستا می‌توانند با مانیفست نوع گذاری شوند یا با استفاده از نوع استنباط شوند. در حالت اول، برنامه نویس بیشتر صریحاً نوع‌ها را در جایگاه‌های منتنی مشخص می‌نویسد(برای مثال، در تعریف متغیرها). در حالت دوم، کامپایلر نوع عبارات و تعریف‌ها را بر اساس متن استنباط می‌کند. غالب زبان‌های مسیر اصلی(mainstream) ایستا نوع گذاری شده، مانند C#,C++ و Java، با مانیفست نوع گذاری می‌شوند
نوع گذاری قوی و ضعیف
نوع گذاری ضعیف این امکان را ایجاد می‌کند که با متغیری به جای متغیری دیگر برخورد شود، برای مثال رفتار با یک رشته به عنوان یک عدد. این ویژگی بعضی اوقات ممکن است مفید باشد، اما ممکن است باعث ایجاد برخی مشکلات برنامه شود که موقع کامپایل و حتی اجرا پنهان بمانند.
نوع گذاری قوی مانع رخ دادن مشکل فوق می‌شود. تلاش برای انجام عملیات روی نوع نادرست متغیر منجر به رخ دادن خطا می‌شود. زبان‌هایی که نوع گذاری قوی دارند غالباً با نام "نوع-امن" و یا امن شناخته می‌شوند. تمام تعاریف جایگزین برای "ضعیف نوع گذاری شده" به زبان‌ها اشاره می‌کند، مثل perl, JavaScript, C++، که اجازه تعداد زیادی تبدیل نوع داخلی را می‌دهند. در جاوااسکریپت، برای مثال، عبارت ۲*x به صورت ضمنی x را به عدد تبدیل می‌کند، و این تبدیل موفقیت آمیز خواهد بود حتی اگر x خالی، تعریف نشده، یک آرایه، و یا رشته‌ای از حروف باشد. چنین تبدیلات ضمنی غالباً مفیدند، اما خطاهای برنامه نویسی را پنهان می‌کنند.
قوی و ایستا در حال حاضر عموماً دو مفهوم متعامد فرض می‌شوند، اما استفاده در ادبیات تفاوت دارد، برخی عبارت "قوی نوع گذاری شده" را به کار می‌برند و منظورشان قوی، ایستایی نوع گذاری شده‌است، و یا، حتی گیچ کننده تر، منظورشان همان ایستایی نوع گذاری شده‌است. بنابراین C هم قوی نوع گذاری شده و هم ضعیف و ایستایی نوع گذاری شده نامیده می‌شود.
معناشناسی اجرا
وقتی که داده مشخص شد، ماشین باید هدایت شود تا عملیات‌ها را روی داده انجام دهد. معناشناسی اجرا ی یک زبان تعیین می‌کند که چگونه و چه زمانی ساختارهای گوناگون یک زبان باید رفتار برنامه را ایجاد کنند.
برای مثال، معناشناسی ممکن است استراتژی را که بویسله آن عبارات ارزیابی می‌شوند را تعریف کند و یا حالتی را که ساختارهای کنترلی تحت شرایطی دستورها را اجرا می‌کنند.
کتابخانه هسته
اغلب زبان‌های برنامه نویسی یک کتابخانه هسته مرتبط دارند(گاهی اوقات "کتابخانه استاندارد" نامیده می‌شوند، مخصوصا وقتی که به عنوان قسمتی از یک زبان استاندارد ارائه شده باشد)، که به طور قراردادی توسط تمام پیاده سازی‌های زبان در دسترس قرار گرفته باشند. کتابخانه هسته معمولاً تعریف الگوریتم‌ها، داده ساختارها و مکانیزم‌های ورودی و خروجی پرکاربرد را در خود دارد. کاربران یک زبان، غالباً با کتابخانه هسته به عنوان قسمتی از آن رفتار می‌کنند، اگرچه طراحان ممکن است با آن به صورت یک مفهوم مجزا رفتار کرده باشند. بسیاری از خصوصیات زبان هسته‌ای را مشخص می‌کنند که باید در تمام پیاده سازی‌ها موجود باشند، و در زبان‌های استاندارد شده این کتابخانه هسته ممکن است نیاز باشد. بنابراین خط بین زبان و کتابخانه هسته آن از زبانی به زبان دیگر متفاوت است. درواقع، برخی زبان‌ها به گونه‌ای تعریف شده‌اند که برخی از ساختارهای دستوری بدون اشاره به کتابخانه هسته قابل استفاده نیستند. برای مثالف در جاوا، یک رشته به عنوان نمونه‌ای از کلاس “java.lang.String” تعریف شده است؛ مشابها، در سمال تاک(smalltalk) یک تابع بی نام(یک "بلاک") نمونه‌ای از کلاس BlockContext کتابخانه می‌سازد. بطور معکوس، Scheme دارای چندین زیرمجموعه مرتبط برای ایجاد سایر ماکروهای زبان می‌باشد، و در نتیجه طراحان زبان حتی این زحمت را نیز تحمل نمی‌کنند که بگویند کدام قسمت زبان به عنوان ساختارهای زبان باید پیاده سازی شوند، و کدام یک به عنوان بخشی ازکتابخانه.
عمل
طراحان زبان و کاربران باید مصنوعاتی ایجاد کنند تا برنامه نویسی را در عمل ممکن سازند و کنترل کنند. مهمترین این مصنوعات خصوصیات و پیاده سازی‌های زبان هستند.
خصوصیات
یک زبان برنامه نویسی باید تعریفی فراهم کند که کاربران و پیاده کننده‌های زبان می‌توانند از آن استفاده کنند تا مشخص کنند که رفتار یک برنامه درست است. با داشتن کد منبع: خصوصیات یک زبان برنامه نویسی چندین قالب می‌تواند بگیرد، مانند مثال‌های زیر:
تعریف صریح دستور، معناشناسی ایستا، ومعناشناسی اجرای زبان. درحالیکه دستور معمولاً با یک معناشناسی قراردادی مشخص می‌شود، تعاریف معناشناسی ممکن است در زبان طبیعی نوشته شده باشند (مثل زبان C)، یا معناشناسی قراردادی(مثل StandardML ,Scheme)
توضیح رفتار یک مترجم برای زبان(مثل C,fortran). دستور و معناشناسی یک زبان باید از این توضیح استنتاج شوند، که ممکن است به زبان طبیعی یا قراردادی نوشته شود.
پیاده سازی منبع یا مدل. گاهی اوقات در زبان‌های مشخص شده(مثل: prolog,ANSI REXX).دستور و معناشناسی صریحاً در رفتار پیاده سازی مدل موجودند.
پیاده سازی
پیاده سازی یک زبان برنامه نویسی امکان اجرای آن برنامه را روی پیکربندی مشخصی از سخت‌افزار و نرم‌افزار را فراهم می‌کند. بطور وسیع، دو راه رسیدن به پیاده سازی زبان برنامه نویسی وجود دارد. کامپایل کردن و تفسیر کردن. بطور کلی با هر بک از ابن دو روش می‌توان یک زبان را پیاده سازی کرد.
خروجی یک کامپایلر ممکن است با سخت‌افزار و یا برنامه‌ای به نام مفسر اجرا شود. در برخی پیاده سازی‌ها که از مفسر استفاده می‌شود، مرز مشخصی بین کامپایل و تفسیر وجود ندارد. برای مثال، برخی پیاده سازی‌های زبان برنامه نویسی بیسیک کامپایل می‌کنند و سپس کد را خط به خط اجرا می‌کنند.
برنامه‌هایی که مستقیماً روی سخت‌افزار اجرا می‌شوند چندین برابر سریعتر از برنامه‌هایی که با کمک نرم‌افزار اجرا می‌شوند، انجام می‌شوند.
یک تکنیک برای بهبود عملکرد برنامه‌های تفسیر شده کامپایل در لحظه آن است. در این روش ماشین مجازی، دقیقاً قبل از اجرا، بلوک‌های کدهای بایتی که قرار است استفاده شوند را برای اجرای مستقیم روی سخت‌افزار ترجمه می‌کند.
تاریخچه
پیشرفتهای اولیه
اولین زبان برنامه نویسی به قبل از رایانه‌های مدرن باز می‌گردد. قرن ۱۹ دستگاه‌های نساجی و متون نوازنده پیانو قابل برنامه نویسی داشت که امروزه به عنوان مثال‌هایی از زبان‌های برنامه نویسی با حوزه مشخص شناخته می‌شوند. با شروع قرن بیستم، پانچ کارت‌ها داده را کد گذاری کردند و پردازش مکانیکی را هدایت کردند. در دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰، صورت گرایی حساب لاندای آلونزو چرچ و ماشین تورینگ آلن تورینگ مفاهیم ریاضی بیان الگوریتم‌ها را فراهم کردند؛ حساب لاندا همچنان در طراحی زبان موثر است.
در دهه ۴۰، اولین رایانه‌های دیجیتال که توسط برق تغذیه میشدند ایجاد شدند. اولین زبان برنامه نویسی سطح بالا طراحی شده برای کامپیوتر پلانکالکول بود، که بین سال‌های ۱۹۴۵ و ۱۹۴۳ توسط کنراد زوس برای ز۳ آلمان طراحی شد.
کامپیوترهای اوایل ۱۹۵۰، بطور خاص ÜNIVAC ۱ و IBM ۷۰۱ از برنامه‌های زبان ماشین استفاده می‌کردند. برنامه نویسی زبان ماشین نسل اول توسط نسل دومی که زبان اسمبلی نامیده می‌شوند جایگزین شد. در سال‌های بعد دهه ۵۰، زبان برنامه نویسی اسمبلی، که برای استفاده از دستورات ماکرو تکامل یافته بود، توسط سه زبان برنامه نویسی سطح بالا دیگر: FORTRAN,LISP , COBOL مورد استفاده قرار گرفت. نسخه‌های به روز شده این برنامه‌ها همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرند، و هر کدام قویا توسعه زبان‌های بعد را تحت تاثیر قرار دادند. در پایان دهه ۵۰ زبان algol ۶۰ معرفی شد، و بسیاری از زبان‌های برنامه نویسی بعد، با ملاحظه بسیار، از نسل algol هستند. قالب و استفاده از زبان‌های برنامه نویسی به شدت متاثر از محدودیت‌های رابط بودند.
پالایش
دوره دهه ۶۰ تا اواخر دهه ۷۰ گسترش مثال‌های عمده زبان پرکاربرد امروز را به همراه داشت. با این حال بسیاری از جنبه‌های آن بهینه سازی ایده‌های اولیه نسل سوم زبان برنامه نویسی بود:
APL برنامه نویسی آرایه‌ای را معرفی کرد و برنامه نویسی کاربردی را تحت تاثیر قرار داد.
PL/i(NPL) دراوایل دهه ۶۰ طراحی شده بود تا ایده‌های خوب فورترن و کوبول را بهم پیوند دهد.
در دهه ۶۰، Simula اولین زبانی بود که برنامه نویسی شئ گرا را پشتیبانی میکرد، در اواسط دهه۷۰. Smalltalk به دنبال آن به
عنوان اولین زبان کاملاً شئ گرا معرفی شد.
C بین سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۳ به عنوان زبان برنامه نویسی سیستمی طراحی شد و همچنان محبوب است.
Prolog، طراحی شده در ۱۹۷۲، اولین زبان برنامه نویسی منطقی بود.
در ۱۹۷۸ ML سیستم نوع چند ریخت روی لیسپ ایجاد کرد، و در زبان‌های برنامه نویسی کاربردی ایستا نوع گذاری شده پیشگام شد.
هر یک از این زبان‌ها یک خانواده بزرگ از وارثین از خود به جای گذاشت، و مدرنترین زبان‌ها از تبار حداقل یکی از زبان‌های فوق به شمار می‌آیند.
دهه‌های ۶۰ و ۷۰ مناقشات بسیاری روی برنامه نویسی ساخت یافته به خود دیدند، و اینکه آیا زبان‌های برنامه نویسی باید طوری طراحی شوند که آنها را پشتیبانی کنند.
"ادسگر دیکسترا" در نامه‌ای معروف در ۱۹۶۸ که در ارتباطات ACM منتشر شد، استدلال کرد که دستورgoto باید از تمام زبان‌های سطح بالا حذف شود.
در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ توسعهٔ تکنیک‌هایی صورت گرفت که اثر یک برنامه را کاهش می‌داد و در عین حال بهره وری برنامه نویس و کاربر را بهبود بخشید. دسته کارت برای ۴GL اولیه بسیار کوچکتر از برنامهٔ هم سطح بود که با ۳GL deck نوشته شده بود.
یکپارچگی و رشد
دهه ۸۰ سال‌های یکپارچگی نسبی بود. C++ برنامه نویسی شئ گرا و برنامه نویسی سیستمی را ترکیب کرده بود. ایالات متحده ایدا(زبان برنامه نویسی سیستمی که بیشتر برای استفاده توسط پیمان کاران دفاعی بود) را استاندارد سازی کرد. در ژاپن و جاهای دیگر، هزینه‌های گزافی صرف تحقیق در مورد زبان نسل پنجم می‌شد که دارای ساختارهای برنامه نویسی منطقی بود. انجمن زبان کاربردی به سمت استانداردسازی ML و Lisp حرکت کرد. به جای ایجاد مثال‌های جدید، تمام این تلاش‌ها ایده‌هایی که در دهه‌های قبل حلق شده بودند را بهتر کرد.
یک گرایش مهم در طراحی زبان در دهه ۸۰ تمرکز بیشتر روی برنامه نویسی برای سیستمهای بزرگ از طریق مدول‌ها، و یا واحدهای کدهای سازمانی بزرگ مقیاس بود. مدول-۲، ایدا. و ML همگی سیستمهای مدولی برجسته‌ای را در دهه ۸۰ توسعه دادند. با وجود اینکه زبان‌های دیگر، مثل PL/i، پشتیبانی بسیار خوبی برای برنامه نویسی مدولی داشتند. سیستمهای مدولی غالباً با ساختارهای برنامه نویسی عام همراه شده‌اند.
رشد سریع اینترنت در میانه دهه ۹۰ فرصت‌های ایجاد زبان‌های جدید را فراهم کرد. Perl، در اصل یک ابزار نوشتن یونیکس بود که اولین بار در سال ۱۹۸۷ منتشر شد، در وب‌گاه‌های دینامیک متداول شد. جاوا برای برنامه نویسی جنب سروری مورد استفاده قرار گرفت. این توسعه‌ها اساساً نو نبودند، بلکه بیشتر بهینه سازی شده زبان و مثال‌های موجود بودند، و بیشتر بر اساس خانواده زبان برنامه نویسی C بودند. پیشرفت زبان برنامه نویسی همچنان ادامه پیدا می‌کند، هم در تحقیقات و هم در صنعت. جهت‌های فعلی شامل امنیت و وارسی قابلیت اعتماد است، گونه‌های جدید مدولی(mixin، نماینده‌ها، جنبه‌ها) و تجمع پایگاه داده.
۴GLها نمونه‌ای از زبان‌هایی هستند که محدوده استفاده آنها مشخص است، مثل SQL. که به جای اینکه داده‌های اسکالر را برگردانند، مجموعه‌هایی را تغییر داده و بر می‌گردانند که برای اکثر زبان‌ها متعارفند. Perl برای مثال، با "مدرک اینجا" خود می‌تواند چندین برنامه ۴GL را نگه دارد، مانند چند برنامه جاوا سکریبت، در قسمتی از کد پرل خود و برای پشتیبانی از چندین زبان برنامه نویسی با تناسب متغیر در "مدرک اینجا" استفاده کند.
سنجش استفاده از زبان
مشکل است که مشخص کنیم کدام زبان برنامه نویسی بیشتر مورد استفاده‌است، و اینکه کاربرد چه معنی می‌دهد با توجه به زمینه تغییر می‌کند. یک زبان ممکن است زمان بیشتری از برنامه نویس بگیرد، زبان دیگر ممکن است خطوط بیشتری داشته باشد، و دیگری ممکن است زمان بیشتری از پردازنده را مصرف کند. برخی زبان‌ها برای کاربردهای خاص بسیار محبوبند. برای مثال: کوبول همچنان در مراکزداده متحد، غالباً روی کامپیوترهای بزرگ توانا است؛ fortran در مهندسی برنامه‌های کاربردی، C در برنامه‌های تعبیه شده و سیستمهای عامل؛ و بقیه برنامه‌ها معمولاً برای نوشتن انواع دیگر برنامه‌ها کاربرد دارند. روش‌های مختلفی برای سنجش محبوبیت زبان‌ها، هر یک متناسب یا یک ویژگی محوری متفاوت پیشنهاد شده‌است:
شمارش تعداد تبلیغات شغلی که از آن زبان نام می‌برند.
تعداد کتاب‌های آموزشی و شرح دهندهٔ آن زبان که فروش رفته‌است.
تخمین تعداد خطوطی که در آن زبان نوشته شده اند- که ممکن است زبان‌هایی را که در جستجوها کمتر پیدا می‌شوند دست کم گرفته شوند.
شمارش ارجاع‌های زبان(برای مثال، به اسم زبان) در موتورهای جستجوهای اینترنت.
طبقه بندی‌ها هیچ برنامه غالبی برای دسته بندی زبان‌های برنامه نویسی وجود ندارد. یک زبان مشخص معمولاً یک زبان اجدادی ندارد. زبان‌ها معمولاً با ترکیب المان‌های چند زبان پیشینه بوجود می‌آیند که هربار ایده‌های جدید درگردشند. ایده‌هایی که در یک زبان ایجاد می‌شوند در یک خانواده از زبان‌های مرتبط پخش می‌شوند، و سپس از بین خلاهای بین خانواده‌ها منتقل شده و در خانواده‌های دیگر ظاهر می‌شوند.
این حقیقت که این دسته بندی ممکن است در راستای محورهای مختلف انجام شوند، این وظیفه را پیچیده تر می‌کند؛ برای مثال، جاوا هم یک زبان شیءگرا(چون به برنامه نویسی شیءگرا تشویق می‌کند) و زبان همزمان(چون ساختارهای داخلی برای اجرای چندین جریان موازی دارد) است. پایتون یک زبان اسکریپتی شیءگراست.
در نگاه کلی، زبان‌های برنامه نویسی به مثال‌های برنامه نویسی و یک دسته بندی بر اساس محدوده استفاده تقسیم می‌شوند. مثال‌ها شامل برنامه نویسی رویه‌ای، برنامه نویسی شیءگرا، برنامه نویسی کاربردی، وبرنامه نویسی منطقی؛ برخی زبان‌ها ترکیب چند مثالند. یک زبان اسمبلی مثالی از یک مدل مستقیم متضمن معماری ماشین نیست. با توجه به هدف، زبان‌های برنامه نویسی ممکن است همه منظوره باشند، زبان‌های برنامه نویسی سیستمی، زبان‌های اسکریپتی، زبان‌های محدوده مشخص، زبان‌های همزمان/ گسترده(و یا ترکیب اینها). برخی زبان‌های همه منظوره تا حد زیادی برای اهداف آموزشی طراحی شده‌اند.
یک زبان برنامه نویسی ممکن است با فاکتورهای غیر مرتبط به مثال‌های برنامه نویسی دسته بندی شود. برای مثال، غالب زبان‌های برنامه نویسی کلمات کلیدی زبان انگلیسی را استفاده می‌کنند، در حالیکه تعداد کمی این کار را نمی‌کنند. سایر زبان‌ها ممکن است براساس داخلی بودن یا نبودن دسته بندی شوند.
زبان برنامه نویسی یک مکانیزم ساخت یافته برای تعریف داده‌ها، و عملیات یا تبدیل‌هایی که ممکن است بطور اتوماتیک روی آن داده انجام شوند، فراهم می‌کند. یک برنامه نویس از انتزاعات آماده در زبان استفاده می‌کند تا مفاهیم به کار رفته در محاسبات را بیان کند. این مفاهیم به عنوان یک مجموعه از ساده‌ترین عناصر موجود بیان می‌شوند(مفاهیم ابتدایی نامیده می‌شوند).
زبان‌های برنامه نویسی با غالب زبان‌های انسانی تفاوتی دارد و آن این است که نیاز به بیان دقیق تر و کامل تری دارد. هنگام استفاده از زبان‌های طبیعی برای ارتباط با دیگر انسان‌ها، نویسندگان و گویندگان می‌توانند مبهم باشند و اشتباهات کوچک داشته باشند، و همچنان انتظار داشته باشند که مخاطب آنها متوجه شده باشد. اگرچه، مجازا، رایانه‌ها "دقیقاً آنچه که به آنها گفته شده را انجام می‌دهند." و نمی‌توانند "بفهمند" که نویسنده دقیقاً چه کدی مد نظر نویسنده بوده‌است] البته امروزه برنامه‌هایی برای انجام این کار تولید شده‌اند و تلاش‌های بسیاری در این زمینه انجام شده ولی هنوز به نتیجهٔ رضایت بخشی نرسیده است[. ترکیب تعریف زبان، یک برنامه، و ورودی برنامه بطور کامل رفتار خروجی را به هنگام اجرای برنامه (در محدوده کنترل آن برنامه) مشخص می‌کند. برنامه‌های یک رایانه ممکن است در یک فرایند ناپیوسته بدون دخالت انسان اجرا شوند، یا یک کاربر ممکن است دستورات را در یک مرحله فعل و انفعال مفسر تایپ کند.در این حالت "دستور"ها همان برنامه‌ها هستند، که اجرای آنها زنجیروار به هم مرتبطند.به زبانی که برای دستور دادن به برنامه‌ای استفاده می‌شود، زبان اسکریپت می‌گویند. بسیاری از زبان‌ها کنار گذاشته شده‌اند، برای رفع نیازهای جدید جایگزین شده‌اند، با برنامه‌های دیگر ترکیب شده‌اند و در نهایت استعمال آنها متوقف شده‌است. با وجود اینکه تلاش‌هایی برای طراحی یک زبان رایانه" کامل" شده‌است که تمام اهداف را تحت پوشش قرار دهد، هیچ یک نتوانستند بطور کلی این جایگاه را پر کنند. نیاز به زبان‌های رایانه‌ای گسترده از گستردگی زمینه‌هایی که زبان‌ها استفاده می‌شوند، ناشی می‌شود:
محدوده برنامه‌ها از متون بسیار کوچک نوشته شده توسط افراد عادی تا سیستمهای بسیار بزرگ نوشته شده توسط صدها برنامه نویس است
توانایی برنامه نویس‌ها: از تازه کارهایی که بیش از هر چیز به سادگی نیاز دارند تا حرفه‌ای‌هایی که با پیچیدگی قابل توجهی کنار می‌آیند.
برنامه‌ها باید سرعت، اندازه و سادگی را بسته به سیستم‌ها از ریزپردازندها تا ابر رایانه‌ها متناسب نگه دارند.
برنامه‌ها ممکن است یک بار نوشته شوند و تا نسل‌ها تغییر نکنند، و یا ممکن است پیوسته اصلاح شوند.
در نهایت، برنامه نویس‌ها ممکن است در علایق متفاوت باشند: آنها ممکن است به بیان مسائل با زبانی خاص خو گرفته باشند.
یک سیر رایج در گسترش زبان‌های برنامه نویسی این است که قابلیت حل مسائلی با درجات انتزاعی بالاتری را اضافه کنند. زبان‌های برنامه نویسی اولیه به سخت‌افزار رایانه گره خورده بودند. همانطور که زبان‌های برنامه نویسی جدید گسترش پیدا کرده‌اند، ویژگی‌هایی به برنامه‌ها افزوده شده که به برنامه نویس اجازه دهد که ایده‌هایی که از ترجمه ساده به دستورات سخت‌افزار دورتر هستند نیز استفاده کند. چون برنامه نویس‌ها کمتر به پیچیدگی رایانه محدود شده‌اند، برنامه‌های آنها می‌تواند محاسبات بیشتری با تلاش کمتر از سوی برنامه نویس انجام دهند. این به آنها این امکان را می‌دهد که کارایی بیشتردر واحد زمان داشته باشند. "پردازنده‌های زبان طبیعی" به عنوان راهی برای ازبین بردن نیاز به زبان‌های اختصاصی برنامه نویسی پیشنهاد شده‌اند. هرچند، این هدف دور است و فواید آن قابل بحث است. "ادسگر دیجسترا" موافق بود که استفاده از یک زبان رسمی برای جلوگیری از مقدمه سازی ساختارهای بی معنی واجب است، و زبان برنامه نویسی طبیعی را با عنوان "احمقانه" رد کرد، "آلن پرلیس" نیز مشابها این ایده را رد کرد. مطابق با متدولوژی نامتجانس استفاده شده توسط langpop.com در سال ۲۰۰۸، ۱۲ زبان پرکاربرد عبارتند از: C, C++, C#, Java, JavaScript, Perl, PHP, Python, Ruby, Shell, SQL, and Visual Basic.
المان‌ها
تمام زبان‌های بزنامه نویسی تعدادی بلوک‌های ابتدایی برای توضیح داده و پردازش یا تبدیل آنها(مانند جمع کردن دو عدد با انتخاب یک عضو از یک مجموعه)دارند. این " عناصرابتدایی" بوسیله قوانین معناشناسی و دستوری تعریف می‌شوند که ساختار و معنای مربوطه را توضیح می‌دهند.
دستور(
syntax)
فرم سطحی یک زبان برنامه نویسی دستور آن نامیده می‌شود. غالب زبان‌های برنامه نویسی کاملاً متنی اند؛ و از دنبالهٔ متون شامل کلمات، اعداد، نشانگذاری، بسیار شبیه زبان نوشتاری طبیعی استفاده می‌کنند. از طرف دیگر، برنامه‌هایی نیز وجود دارند که بیشتر گرافیکی اند، و از روابط بصری بین سمبل‌ها برای مشخص کردن برنامه استفاده می‌کنند. دستور یک زبان ترکیبات ممکن سمبل‌ها برای ایجاد یک برنامهٔ درست را از نظر دستوری مشخص می‌کند. معنایی که به یک ترکیب سمبل‌ها داده می‌شود با معناشناسی اداره می‌شود(قراردادی یا نوشته شده در پیاده سازی منبع). از آنجا که اغلب زبان‌ها متنی هستند، این مقاله دستور متنی را مورد بحث قرار می‌دهد.
دستور زبان برنامه نویسی معمولاً بوسیله ترکیب عبارات معین(برای ساختار لغوی) و فرم توضیح اعمال(برای ساختار گرامری) تعریف می‌شوند. متن زیر یک گرامر ساده، به زبان lisp است: expression ::= atom | list atom ::= number | symbol number ::= [+-]?['۰'-'۹']+ symbol ::= ['A'-'Za'-'z'].* list ::= '(' expression* ')' این گرامر موارد ذیل را مشخص می‌کند:
یک عبارت یا atom است و یا یک لیست
یک atom یا یک عدد است و یا یک سمبل
یک عدد دنباله ناشکسته‌ای از یک یا تعداد بیشتری اعداد دهدهی است، که یک علامت مثبت و یا منفی می‌تواند پیش از آن بیاید.
یک سمبل حرفی است که بعد از هیچ یا تعدادی کاراکتر (جز فاصله) می‌آید.
یک لیست تعدادی پرانتز است که می‌تواند صفر یا چند عبارت در خود داشته باشد.
"۱۲۳۴۵"، "()"، "(a b c۲۳۲ (۱))" مثال‌هایی هستند از دنباله‌های خوش فرم در این گرامر.
همه برنامه‌هایی که از لحاظ دستوری درست هستند، از نظر معنا درست نیستند. بسیاری از برنامه‌های درست دستوری، بد فرم اند، با توجه به قوانین زبان؛ و ممکن است (بسته به خصوصیات زبان و درست بودن پیاده سازی) به خطای ترجمه و یا استثنا(exception) منتج شود. در برخی موارد، چنین برنامه‌هایی ممکن است رفتار نامشخصی از خود نشان دهند. حتی اگر یک برنامه در یک زبان به خوبی بیان شده باشد، ممکن است دقیقاً مطلوب نویسنده آن نبوده باشد.
به عنوان مثال در زبان طبیعی، ممکن نیست به برخی از جملات درست از لحاظ گرامری، معنای خاصی اطلاق کرد و یا ممکن است جمله نادرست باشد:
"ایده‌های بی رنگ سبز با خشم می‌خوابند."از نظر دستوری خوش فرم است ولی معنای مورد قبولی ندارد.
"جان یک مجرد متاهل است." از نظر دستوری درست است، ولی معنایی را بیان می‌کند که نمی‌تواند درست باشد.
این قسمت از زبان C از نظر دستوری درست است، اما دستوری را انجام می‌دهد که از نظرمعنایی تعریف نشده است(چون p یک اشاره گر خالی است، عمل p->real,p->im معنای خاصی ندارد.) complex *p = NULL; complex abs_p = sqrt (p->real * p->real + p->im * p->im);
گرامر مورد نیاز برای مشخص کردن یک زبان برنامه نویسی می‌تواند با جایگاهش در "سلسله مراتب چامسکی" طبقه بندی شود. دستور اغلب زبان‌های برنامه نویسی می‌تواند بوسیله یک گرامر نوع ۲ مشخص گردد، برای مثال، گرامرهای مستقل از متن.
معناشناسی ایستا
معناشناسی ایستا محدودیت‌هایی بر روی ساختار مجاز متن‌ها تعیین می‌کند که بیان آنها در فرمول دستوری استاندارد مشکل و یا غیر ممکن است. مهمترین این محدودیت‌ها به وسیله سیستم نوع گذاری انجام می‌شود.
سیستم نوع گذاری
یک سیستم نوع گذاری مشخص می‌کند که یک زبان برنامه نویسی چگونه مقادیر و عبارات را در نوع(type) دسته بندی می‌کند، چگونه می‌تواند آن نوع‌ها را تغییر دهد و رفتار متقابل آنها چگونه‌است. این کارعموما توضیح داده ساختارهایی که می‌توانند در آن زبان ایجاد شوند را شامل می‌شود. طراحی و مطالعه سیستمهای نوع گذاری بوسیله ریاضیات قراردادی را تئوری نوع گذاری گویند.
زبان‌های نوع گذاری شده و بدون نوع گذاری
یک زبان نوع گذاری شده‌است اگر مشخصات هر عملیات، نوع داده‌های قابل اجرا توسط آن را با نشان دادن نوع‌هایی که برای آنها قابل اجرا نیست، تعیین کند. برای مثال، "این متن درون گیومه قرار دارد" یک رشته‌است. در غالب زبان‌های برنامه نویسی، تقسیم یک رشته با یک عدد معنایی ندارد. در نتیجه غالب زبان‌های برنامه نویسی مدرن ممکن است اجرای این عملیات را توسط برنامه‌ها رد کنند. در برخی زبان‌ها، عبارات بی معنی ممکن است هنگام ترجمه(compile) پیدا شود(چک کننده نوع ایستا)، و توسط کامپایلر رد شود، در حالی که در سایر برنامه‌ها، هنگام اجرا پیدا شود.(چک کننده نوع دینامیک) که به استثنای در حال اجرا منتج شود(runtime exception). حالت خاص زبان‌های نوع دار زبان‌های تک نوعند. این زبان‌ها غالباً اسکریپتی و یا مارک آپ هستند، مانند rexx وSGML و فقط یک داده گونه دارند—غالباً رشته‌های کاراکتری که هم برای داده‌های عددی و هم برای داده‌های سمبلی کاربرد دارند. در مقابل، یک زبان بدون نوع گذاری، مثل اکثر زبان‌های اسمبلی، این امکان را می‌دهد که هر عملیاتی روی هر داده‌ای انجام شود، که معمولاً دنباله‌ای از بیت‌ها با طول‌های متفاوت در نظر گرفته می‌شوند. زبان‌های سطح بالا که بی نوع هستند شامل زبان‌های ساده رایانه‌ای و برخی از انواع زبان‌های نسل چهارم.
در عمل، در حالیکه تعداد بسیار کمی از دیدگاه نظریه نوع، نوع گذاری شده تلقی می‌شوند(چک کردن یا رد کردن تمام عملیات‌ها)، غالب زبان‌های امروزی درجه‌ای از نوع گذاری را فراهم می‌کنند. بسیاری از زبان‌های تولیدکننده راهی را برای گذشتن یا موقوف کردن سیستم نوع فراهم می‌کنند.
نوع گذاری ایستا و متحرک
در نوع گذاری ایستا تمام عبارات نوع‌های خود را قبل از اجرای برنامه تعیین می‌کنند(معمولاً در زمان کامپایل). برای مثال، ۱ و (۲+۲) عبارات عددی هستند؛ آنها نمی‌توانند به تابعی که نیاز به یک رشته دارد داده شوند، یا در متغیری که تعریف شده تا تاریخ را نگه دارد، ذخیره شوند.
زبان‌های نوع گذاری شده ایستا می‌توانند با مانیفست نوع گذاری شوند یا با استفاده از نوع استنباط شوند. در حالت اول، برنامه نویس بیشتر صریحاً نوع‌ها را در جایگاه‌های منتنی مشخص می‌نویسد(برای مثال، در تعریف متغیرها). در حالت دوم، کامپایلر نوع عبارات و تعریف‌ها را بر اساس متن استنباط می‌کند. غالب زبان‌های مسیر اصلی(mainstream) ایستا نوع گذاری شده، مانند C#,C++ و Java، با مانیفست نوع گذاری می‌شوند
نوع گذاری قوی و ضعیف
نوع گذاری ضعیف این امکان را ایجاد می‌کند که با متغیری به جای متغیری دیگر برخورد شود، برای مثال رفتار با یک رشته به عنوان یک عدد. این ویژگی بعضی اوقات ممکن است مفید باشد، اما ممکن است باعث ایجاد برخی مشکلات برنامه شود که موقع کامپایل و حتی اجرا پنهان بمانند.
نوع گذاری قوی مانع رخ دادن مشکل فوق می‌شود. تلاش برای انجام عملیات روی نوع نادرست متغیر منجر به رخ دادن خطا می‌شود. زبان‌هایی که نوع گذاری قوی دارند غالباً با نام "نوع-امن" و یا امن شناخته می‌شوند. تمام تعاریف جایگزین برای "ضعیف نوع گذاری شده" به زبان‌ها اشاره می‌کند، مثل perl, JavaScript, C++، که اجازه تعداد زیادی تبدیل نوع داخلی را می‌دهند. در جاوااسکریپت، برای مثال، عبارت ۲*x به صورت ضمنی x را به عدد تبدیل می‌کند، و این تبدیل موفقیت آمیز خواهد بود حتی اگر x خالی، تعریف نشده، یک آرایه، و یا رشته‌ای از حروف باشد. چنین تبدیلات ضمنی غالباً مفیدند، اما خطاهای برنامه نویسی را پنهان می‌کنند.
قوی و ایستا در حال حاضر عموماً دو مفهوم متعامد فرض می‌شوند، اما استفاده در ادبیات تفاوت دارد، برخی عبارت "قوی نوع گذاری شده" را به کار می‌برند و منظورشان قوی، ایستایی نوع گذاری شده‌است، و یا، حتی گیچ کننده تر، منظورشان همان ایستایی نوع گذاری شده‌است. بنابراین C هم قوی نوع گذاری شده و هم ضعیف و ایستایی نوع گذاری شده نامیده می‌شود.
معناشناسی اجرا
وقتی که داده مشخص شد، ماشین باید هدایت شود تا عملیات‌ها را روی داده انجام دهد. معناشناسی اجرا ی یک زبان تعیین می‌کند که چگونه و چه زمانی ساختارهای گوناگون یک زبان باید رفتار برنامه را ایجاد کنند.
برای مثال، معناشناسی ممکن است استراتژی را که بویسله آن عبارات ارزیابی می‌شوند را تعریف کند و یا حالتی را که ساختارهای کنترلی تحت شرایطی دستورها را اجرا می‌کنند.
کتابخانه هسته
اغلب زبان‌های برنامه نویسی یک کتابخانه هسته مرتبط دارند(گاهی اوقات "کتابخانه استاندارد" نامیده می‌شوند، مخصوصا وقتی که به عنوان قسمتی از یک زبان استاندارد ارائه شده باشد)، که به طور قراردادی توسط تمام پیاده سازی‌های زبان در دسترس قرار گرفته باشند. کتابخانه هسته معمولاً تعریف الگوریتم‌ها، داده ساختارها و مکانیزم‌های ورودی و خروجی پرکاربرد را در خود دارد. کاربران یک زبان، غالباً با کتابخانه هسته به عنوان قسمتی از آن رفتار می‌کنند، اگرچه طراحان ممکن است با آن به صورت یک مفهوم مجزا رفتار کرده باشند. بسیاری از خصوصیات زبان هسته‌ای را مشخص می‌کنند که باید در تمام پیاده سازی‌ها موجود باشند، و در زبان‌های استاندارد شده این کتابخانه هسته ممکن است نیاز باشد. بنابراین خط بین زبان و کتابخانه هسته آن از زبانی به زبان دیگر متفاوت است. درواقع، برخی زبان‌ها به گونه‌ای تعریف شده‌اند که برخی از ساختارهای دستوری بدون اشاره به کتابخانه هسته قابل استفاده نیستند. برای مثالف در جاوا، یک رشته به عنوان نمونه‌ای از کلاس “java.lang.String” تعریف شده است؛ مشابها، در سمال تاک(smalltalk) یک تابع بی نام(یک "بلاک") نمونه‌ای از کلاس BlockContext کتابخانه می‌سازد. بطور معکوس، Scheme دارای چندین زیرمجموعه مرتبط برای ایجاد سایر ماکروهای زبان می‌باشد، و در نتیجه طراحان زبان حتی این زحمت را نیز تحمل نمی‌کنند که بگویند کدام قسمت زبان به عنوان ساختارهای زبان باید پیاده سازی شوند، و کدام یک به عنوان بخشی ازکتابخانه.
عمل
طراحان زبان و کاربران باید مصنوعاتی ایجاد کنند تا برنامه نویسی را در عمل ممکن سازند و کنترل کنند. مهمترین این مصنوعات خصوصیات و پیاده سازی‌های زبان هستند.
خصوصیات
یک زبان برنامه نویسی باید تعریفی فراهم کند که کاربران و پیاده کننده‌های زبان می‌توانند از آن استفاده کنند تا مشخص کنند که رفتار یک برنامه درست است. با داشتن کد منبع: خصوصیات یک زبان برنامه نویسی چندین قالب می‌تواند بگیرد، مانند مثال‌های زیر:
تعریف صریح دستور، معناشناسی ایستا، ومعناشناسی اجرای زبان. درحالیکه دستور معمولاً با یک معناشناسی قراردادی مشخص می‌شود، تعاریف معناشناسی ممکن است در زبان طبیعی نوشته شده باشند (مثل زبان C)، یا معناشناسی قراردادی(مثل StandardML ,Scheme)
توضیح رفتار یک مترجم برای زبان(مثل C,fortran). دستور و معناشناسی یک زبان باید از این توضیح استنتاج شوند، که ممکن است به زبان طبیعی یا قراردادی نوشته شود.
پیاده سازی منبع یا مدل. گاهی اوقات در زبان‌های مشخص شده(مثل: prolog,ANSI REXX).دستور و معناشناسی صریحاً در رفتار پیاده سازی مدل موجودند.
پیاده سازی
پیاده سازی یک زبان برنامه نویسی امکان اجرای آن برنامه را روی پیکربندی مشخصی از سخت‌افزار و نرم‌افزار را فراهم می‌کند. بطور وسیع، دو راه رسیدن به پیاده سازی زبان برنامه نویسی وجود دارد. کامپایل کردن و تفسیر کردن. بطور کلی با هر بک از ابن دو روش می‌توان یک زبان را پیاده سازی کرد.
خروجی یک کامپایلر ممکن است با سخت‌افزار و یا برنامه‌ای به نام مفسر اجرا شود. در برخی پیاده سازی‌ها که از مفسر استفاده می‌شود، مرز مشخصی بین کامپایل و تفسیر وجود ندارد. برای مثال، برخی پیاده سازی‌های زبان برنامه نویسی بیسیک کامپایل می‌کنند و سپس کد را خط به خط اجرا می‌کنند.
برنامه‌هایی که مستقیماً روی سخت‌افزار اجرا می‌شوند چندین برابر سریعتر از برنامه‌هایی که با کمک نرم‌افزار اجرا می‌شوند، انجام می‌شوند.
یک تکنیک برای بهبود عملکرد برنامه‌های تفسیر شده کامپایل در لحظه آن است. در این روش ماشین مجازی، دقیقاً قبل از اجرا، بلوک‌های کدهای بایتی که قرار است استفاده شوند را برای اجرای مستقیم روی سخت‌افزار ترجمه می‌کند.
تاریخچه
پیشرفتهای اولیه
اولین زبان برنامه نویسی به قبل از رایانه‌های مدرن باز می‌گردد. قرن ۱۹ دستگاه‌های نساجی و متون نوازنده پیانو قابل برنامه نویسی داشت که امروزه به عنوان مثال‌هایی از زبان‌های برنامه نویسی با حوزه مشخص شناخته می‌شوند. با شروع قرن بیستم، پانچ کارت‌ها داده را کد گذاری کردند و پردازش مکانیکی را هدایت کردند. در دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰، صورت گرایی حساب لاندای آلونزو چرچ و ماشین تورینگ آلن تورینگ مفاهیم ریاضی بیان الگوریتم‌ها را فراهم کردند؛ حساب لاندا همچنان در طراحی زبان موثر است.
در دهه ۴۰، اولین رایانه‌های دیجیتال که توسط برق تغذیه میشدند ایجاد شدند. اولین زبان برنامه نویسی سطح بالا طراحی شده برای کامپیوتر پلانکالکول بود، که بین سال‌های ۱۹۴۵ و ۱۹۴۳ توسط کنراد زوس برای ز۳ آلمان طراحی شد.
کامپیوترهای اوایل ۱۹۵۰، بطور خاص ÜNIVAC ۱ و IBM ۷۰۱ از برنامه‌های زبان ماشین استفاده می‌کردند. برنامه نویسی زبان ماشین نسل اول توسط نسل دومی که زبان اسمبلی نامیده می‌شوند جایگزین شد. در سال‌های بعد دهه ۵۰، زبان برنامه نویسی اسمبلی، که برای استفاده از دستورات ماکرو تکامل یافته بود، توسط سه زبان برنامه نویسی سطح بالا دیگر: FORTRAN,LISP , COBOL مورد استفاده قرار گرفت. نسخه‌های به روز شده این برنامه‌ها همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرند، و هر کدام قویا توسعه زبان‌های بعد را تحت تاثیر قرار دادند. در پایان دهه ۵۰ زبان algol ۶۰ معرفی شد، و بسیاری از زبان‌های برنامه نویسی بعد، با ملاحظه بسیار، از نسل algol هستند. قالب و استفاده از زبان‌های برنامه نویسی به شدت متاثر از محدودیت‌های رابط بودند.
پالایش
دوره دهه ۶۰ تا اواخر دهه ۷۰ گسترش مثال‌های عمده زبان پرکاربرد امروز را به همراه داشت. با این حال بسیاری از جنبه‌های آن بهینه سازی ایده‌های اولیه نسل سوم زبان برنامه نویسی بود:
APL برنامه نویسی آرایه‌ای را معرفی کرد و برنامه نویسی کاربردی را تحت تاثیر قرار داد.
PL/i(NPL) دراوایل دهه ۶۰ طراحی شده بود تا ایده‌های خوب فورترن و کوبول را بهم پیوند دهد.
در دهه ۶۰، Simula اولین زبانی بود که برنامه نویسی شئ گرا را پشتیبانی میکرد، در اواسط دهه۷۰. Smalltalk به دنبال آن به
عنوان اولین زبان کاملاً شئ گرا معرفی شد.
C بین سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۳ به عنوان زبان برنامه نویسی سیستمی طراحی شد و همچنان محبوب است.
Prolog، طراحی شده در ۱۹۷۲، اولین زبان برنامه نویسی منطقی بود.
در ۱۹۷۸ ML سیستم نوع چند ریخت روی لیسپ ایجاد کرد، و در زبان‌های برنامه نویسی کاربردی ایستا نوع گذاری شده پیشگام شد.
هر یک از این زبان‌ها یک خانواده بزرگ از وارثین از خود به جای گذاشت، و مدرنترین زبان‌ها از تبار حداقل یکی از زبان‌های فوق به شمار می‌آیند.
دهه‌های ۶۰ و ۷۰ مناقشات بسیاری روی برنامه نویسی ساخت یافته به خود دیدند، و اینکه آیا زبان‌های برنامه نویسی باید طوری طراحی شوند که آنها را پشتیبانی کنند.
"ادسگر دیکسترا" در نامه‌ای معروف در ۱۹۶۸ که در ارتباطات ACM منتشر شد، استدلال کرد که دستورgoto باید از تمام زبان‌های سطح بالا حذف شود.
در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ توسعهٔ تکنیک‌هایی صورت گرفت که اثر یک برنامه را کاهش می‌داد و در عین حال بهره وری برنامه نویس و کاربر را بهبود بخشید. دسته کارت برای ۴GL اولیه بسیار کوچکتر از برنامهٔ هم سطح بود که با ۳GL deck نوشته شده بود.
یکپارچگی و رشد
دهه ۸۰ سال‌های یکپارچگی نسبی بود. C++ برنامه نویسی شئ گرا و برنامه نویسی سیستمی را ترکیب کرده بود. ایالات متحده ایدا(زبان برنامه نویسی سیستمی که بیشتر برای استفاده توسط پیمان کاران دفاعی بود) را استاندارد سازی کرد. در ژاپن و جاهای دیگر، هزینه‌های گزافی صرف تحقیق در مورد زبان نسل پنجم می‌شد که دارای ساختارهای برنامه نویسی منطقی بود. انجمن زبان کاربردی به سمت استانداردسازی ML و Lisp حرکت کرد. به جای ایجاد مثال‌های جدید، تمام این تلاش‌ها ایده‌هایی که در دهه‌های قبل حلق شده بودند را بهتر کرد.
یک گرایش مهم در طراحی زبان در دهه ۸۰ تمرکز بیشتر روی برنامه نویسی برای سیستمهای بزرگ از طریق مدول‌ها، و یا واحدهای کدهای سازمانی بزرگ مقیاس بود. مدول-۲، ایدا. و ML همگی سیستمهای مدولی برجسته‌ای را در دهه ۸۰ توسعه دادند. با وجود اینکه زبان‌های دیگر، مثل PL/i، پشتیبانی بسیار خوبی برای برنامه نویسی مدولی داشتند. سیستمهای مدولی غالباً با ساختارهای برنامه نویسی عام همراه شده‌اند.
رشد سریع اینترنت در میانه دهه ۹۰ فرصت‌های ایجاد زبان‌های جدید را فراهم کرد. Perl، در اصل یک ابزار نوشتن یونیکس بود که اولین بار در سال ۱۹۸۷ منتشر شد، در وب‌گاه‌های دینامیک متداول شد. جاوا برای برنامه نویسی جنب سروری مورد استفاده قرار گرفت. این توسعه‌ها اساساً نو نبودند، بلکه بیشتر بهینه سازی شده زبان و مثال‌های موجود بودند، و بیشتر بر اساس خانواده زبان برنامه نویسی C بودند. پیشرفت زبان برنامه نویسی همچنان ادامه پیدا می‌کند، هم در تحقیقات و هم در صنعت. جهت‌های فعلی شامل امنیت و وارسی قابلیت اعتماد است، گونه‌های جدید مدولی(mixin، نماینده‌ها، جنبه‌ها) و تجمع پایگاه داده.
۴GLها نمونه‌ای از زبان‌هایی هستند که محدوده استفاده آنها مشخص است، مثل SQL. که به جای اینکه داده‌های اسکالر را برگردانند، مجموعه‌هایی را تغییر داده و بر می‌گردانند که برای اکثر زبان‌ها متعارفند. Perl برای مثال، با "مدرک اینجا" خود می‌تواند چندین برنامه ۴GL را نگه دارد، مانند چند برنامه جاوا سکریبت، در قسمتی از کد پرل خود و برای پشتیبانی از چندین زبان برنامه نویسی با تناسب متغیر در "مدرک اینجا" استفاده کند.
سنجش استفاده از زبان
مشکل است که مشخص کنیم کدام زبان برنامه نویسی بیشتر مورد استفاده‌است، و اینکه کاربرد چه معنی می‌دهد با توجه به زمینه تغییر می‌کند. یک زبان ممکن است زمان بیشتری از برنامه نویس بگیرد، زبان دیگر ممکن است خطوط بیشتری داشته باشد، و دیگری ممکن است زمان بیشتری از پردازنده را مصرف کند. برخی زبان‌ها برای کاربردهای خاص بسیار محبوبند. برای مثال: کوبول همچنان در مراکزداده متحد، غالباً روی کامپیوترهای بزرگ توانا است؛ fortran در مهندسی برنامه‌های کاربردی، C در برنامه‌های تعبیه شده و سیستمهای عامل؛ و بقیه برنامه‌ها معمولاً برای نوشتن انواع دیگر برنامه‌ها کاربرد دارند. روش‌های مختلفی برای سنجش محبوبیت زبان‌ها، هر یک متناسب یا یک ویژگی محوری متفاوت پیشنهاد شده‌است:
شمارش تعداد تبلیغات شغلی که از آن زبان نام می‌برند.
تعداد کتاب‌های آموزشی و شرح دهندهٔ آن زبان که فروش رفته‌است.
تخمین تعداد خطوطی که در آن زبان نوشته شده اند- که ممکن است زبان‌هایی را که در جستجوها کمتر پیدا می‌شوند دست کم گرفته شوند.
شمارش ارجاع‌های زبان(برای مثال، به اسم زبان) در موتورهای جستجوهای اینترنت.
طبقه بندی‌ها هیچ برنامه غالبی برای دسته بندی زبان‌های برنامه نویسی وجود ندارد. یک زبان مشخص معمولاً یک زبان اجدادی ندارد. زبان‌ها معمولاً با ترکیب المان‌های چند زبان پیشینه بوجود می‌آیند که هربار ایده‌های جدید درگردشند. ایده‌هایی که در یک زبان ایجاد می‌شوند در یک خانواده از زبان‌های مرتبط پخش می‌شوند، و سپس از بین خلاهای بین خانواده‌ها منتقل شده و در خانواده‌های دیگر ظاهر می‌شوند.
این حقیقت که این دسته بندی ممکن است در راستای محورهای مختلف انجام شوند، این وظیفه را پیچیده تر می‌کند؛ برای مثال، جاوا هم یک زبان شیءگرا(چون به برنامه نویسی شیءگرا تشویق می‌کند) و زبان همزمان(چون ساختارهای داخلی برای اجرای چندین جریان موازی دارد) است. پایتون یک زبان اسکریپتی شیءگراست.
در نگاه کلی، زبان‌های برنامه نویسی به مثال‌های برنامه نویسی و یک دسته بندی بر اساس محدوده استفاده تقسیم می‌شوند. مثال‌ها شامل برنامه نویسی رویه‌ای، برنامه نویسی شیءگرا، برنامه نویسی کاربردی، وبرنامه نویسی منطقی؛ برخی زبان‌ها ترکیب چند مثالند. یک زبان اسمبلی مثالی از یک مدل مستقیم متضمن معماری ماشین نیست. با توجه به هدف، زبان‌های برنامه نویسی ممکن است همه منظوره باشند، زبان‌های برنامه نویسی سیستمی، زبان‌های اسکریپتی، زبان‌های محدوده مشخص، زبان‌های همزمان/ گسترده(و یا ترکیب اینها). برخی زبان‌های همه منظوره تا حد زیادی برای اهداف آموزشی طراحی شده‌اند.
یک زبان برنامه نویسی ممکن است با فاکتورهای غیر مرتبط به مثال‌های برنامه نویسی دسته بندی شود. برای مثال، غالب زبان‌های برنامه نویسی کلمات کلیدی زبان انگلیسی را استفاده می‌کنند، در حالیکه تعداد کمی این کار را نمی‌کنند. سایر زبان‌ها ممکن است براساس داخلی بودن یا نبودن دسته بندی شوند.
ساعت : 8:34 am | نویسنده : admin
|
گرافیکسولوژی |
مطلب قبلی