Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Základy atomové fyziky Mgr. Antonín Procházka. Co nás dneska čeká?  Elektronový obal atomu, fyzika atomového jádra.  Kvantové stavy, Pauliho princip,

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Základy atomové fyziky Mgr. Antonín Procházka. Co nás dneska čeká?  Elektronový obal atomu, fyzika atomového jádra.  Kvantové stavy, Pauliho princip,"— Transkript prezentace:

1 Základy atomové fyziky Mgr. Antonín Procházka

2 Co nás dneska čeká?  Elektronový obal atomu, fyzika atomového jádra.  Kvantové stavy, Pauliho princip, částicové složení jader, štěpení jader, aktivita zářiče

3 Objevování atomu  Na začátku 19. John Dalton rozšiřuje starou antickou myšlenku o nedělitelných atomech  Říká, že prvky se skládají ze stejných atomů  1897 objevuje Thomson elektron a vytváří  tzv. Pudinkový model atomu  Atom je tvořen kladnými a zápornými částicemi  V základním stavu se součet kladného a záporného náboje rovná nule

4 Rutherfordův model atomu  Na základě experimentů, při kterých bylo sledováno jak prochází alfa záření tenkou zlatou fólií  Některé alfa částice se hodně ohýbaly nebo se odrážely zpět  To neodpovídá homogennímu pudinku  Závěr:  Veškerý kladný náboj a veškerá hmotnost jsou soustředěny na velmi malém prostoru – V jádře  Představa atomu jako Sluneční soustavy

5 Rutherfordův model atomu II  Atom se skládá z jádra a elektronového obalu  Kladné těžké malé jádro  Elektrony rozptýleny v relativně (vzhledem k rozměrům jádra) velkém el. obalu  Velikost atomu je m  Velikost jádra m

6 Rutherfordův model II  Problém s představou, že elektrony obíhají kolem atomu, jako planety kolem slunce  Elektrony jsou nabité a pohybují se po kružnici – mají úhlové zrychlení  Nabitá částice s nenulovým zrychlením emituje elektromagnetické záření  Elektrony by musely „svítit“ a ztrácet energii – což by vedlo ke spirálovitému pohybu a srážce s jádrem

7 Bohrův model atomu 1913  Nobelova cena 1922  Definoval atom na základě tří postulátů:  1) Atom je stabilní soustava složená z kladného jádra a elektronového obalu  2) Atom se může nacházet pouze v určitých stavech s danou energií. Tyto stavy jsou způsobeny pozicí elektronů v určitých vrstvách obalu – kvantové hladiny  3) Elektron může poskočit na jinou energetickou hladinu – atom musí přijmout nebo vyzářit energii

8 Slupky elektronového obalu  Na každé slupce je maximální počet elektronů  Slupky blíž jádru mají menší energii  Zaplňují se tedy od nejbližší jádru  1. slupka (slupka K) maximálně dva elektrony  2. slupka (slupka L) maximálně 8 elektronů  3. slupka (slupka M) maximálně 18 elektromů …  Obecně platí, že v dané slupce může být maximálně 2.n 2 elektronů, kde n je pořadí slupky, tzv. hlavní kvantové číslo

9 Bohrův model atomu - odvození  1) Odvození pro vodík Elektrická síla = dostředivá síla  2) Omezení na kvantovací hladiny – kvantovací podmínka n… kvantovací číslo

10 Bohrův model - výsledky  Soustavou dvou předchozích rovnic lze spočítat energii každé dráhy  Pro vodík: E 1 = -13, 53 eV  Ionizační energie pro vodík  Poloměr první hladiny r 1 = 5,

11 Další úprava modelu atomu  Bohrův model stále počítal s trajektorií a jakýmsi oběhem  Louis de Broglie  Myšlenka, že i elektrony mají vlnové vlastnosti  Na tomto základě bylo formulováno, že stabilní může být jen taková dráha, na kterou se vejde právě celistvý počet hmotných vln tohoto elektronu

12 Další úpravy modelu atomu II  Heisenbergův princip neurčitosti  Jeden z největších paradoxů kvantové fyziky  Nemůžeme určit zároveň polohu a hybnost částice (elektronu).  Čím přesněji známe polohu částice, tím méně můžeme vědět o její hybnosti (rychlosti)  V kvantové fyzice nemůžeme předpovídat přesný pohyb konkrétní částice, ale pouze pravděpodobnosti  Důsledek pro model atomu:  Elektrony v obalu se pohybují po orbitalech/kvantových stavech, což je prostor s největší pravděpodobností výskytu elektronu. Elektron se nemusí nacházet v orbitalu!

13 Stav elektronu  Stav elektronu je popsán čtyřmi kvantovými čísly  1) Hlavní kvantové číslo n  Přirozené číslo  Rozhoduje o energii elektronu  Určuje, jak je elektron blízko jádru  2) Vedlejší kvantové číslo l  {0,1,2,3, …, n-1}, často se používá písmeno místo čísla s,p,d, f  Rozhoduje o tvaru orbitalu, u prvků s více elektrony na energ. hladině ovlivňuje velikost energie elektronu

14 Stav elektronu II  3)Magnetické kvantové číslo m  Celé číslo z intervalu { -l ; l }  Rozhoduje o orientaci orbitalu v prostoru  Ovlivňuje hodnotu energie elektronu, pokud se nachází ve vnějším magnetickém poli  Vliv menší než u předchozích kvantových čísel  4) Spinové magnetické kvantové číslo s  Pouze dvě hodnoty {-1/2; +1/2}  Elektron je částice, která má magnetický moment – točí se kolem své osy  V každém stavu určeném n, l, m mohou být dva elektrony s opačným spinem

15 Co určuje elektronový obal  1) Pauliho vylučovací princip  Žádné dva elektrony nemohou existovat ve stejném kvantovém stavu.  Stavy dvou elektronů se musí lišit minimálně v jednom kvantovém čísle  Na stejné hladině n,l,m mohou být pouze dva elektrony, které mají opačný spin  2) Minimalizace energie  Elektrony zaplňují stavy tak, aby měl min. energii – energetické stavy se zaplňují od jádra – od slupky K  3) Vzrůst přitažlivé síly jádra s rostoucím protonovým číslem  4) Odstínění jádra vnitřními elektrony  Elektrony ve vnitřních slupkách odpuzují elektrony ve vzdálených vrstvách, tím odstiňují přitažlivou sílu jádra

16 Ionizační energie  Obecně platí  V každé další slupce/hladině je potřeba o druhou mocninu méně energie k vyražení elektronu

17 Zápis obsazování elektronů  A) Vodík - 1s 1  B) Lithium - 1s 2 2s 1  C) Uhlík – 1s 2 2s 2 2p 2  D) Argon – 18 elektronů  1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6  Příklad číslo1223

18 Příklady I

19 Příklady II

20 VodíkUhlík Deuterium TritiumRadiouhlík Atomové jádro  Je tvořeno protony a neutrony  Každý prvek je v periodické tabulce prvků popsán dvěma čísly  Nukleonovým číslem A  Protonovým číslem Z  Izotopy - Prvky s různým počtem neutronů

21 Radioaktivita  Jádra prvků se mohou přeměňovat na jádra jiných prvků nebo na jiné izotopy  Přirozená radioaktivita – některá jádra v přírodě jsou nestabilní a samovolně se přeměňují (Radium, Radon, Uran…) – Rozpadové řady  Umělá radioaktivita – příprava nestabilních izotopů, které se pak přeměňují na jiné  Jaderné reakce – dopad částic na jádro  Přeměna jader je doprovázena emitací radioaktivního záření

22 U-Ra Rozpadová řada Izotop Poločas přeměny Přeměna 238 U4,468·10 9 r α 234 Th24,10 d β−β− 234m Pa1,17 min β−β− 234 U2,455·10 5 r α 230 Th7,538·10 4 r α 226 Ra1600 r α 222 Rn3,8235 d α 218 Po3,10 min α 214 Pb26,8 min β−β− 214 Bi19,9 min β−β− α (0,02 %) 214 Po164,3·10 − 6 s α 210 Tl1,30 min β−β− 210 Pb22,20 r β−β− 210 Bi5,012 d β−β− 210 Po138,376 d α 206 Pbstabilní

23 Radioaktivní záření  Alfa – proud jader helia  Lze odstínit papírem  Beta – proud elektronů nebo pozitronů  Lze odstínit několika mm hliníku  Gama – proud fotonů o vysoké energii  Lze odstínit těžkými prvky, jako je například olovo

24 Přeměnový zákon  Statistický / náhodný děj  Nemůžeme určit kdy se které jádro rozpadne  Můžeme určit kolik jader se rozpadlo za určitý čas  Kde λ je přeměnová konstanta  Aktivita – počet rozpadů za jednotku času

25 Poločas rozpadu

26 Detekce ionizujícího záření Na principu ionizace plynu  1) Ionizační komora  2) Geiger Müllerův počítač  3) Kapalinové - bublinková komora  4) Emulzní – zčernání filmu citlivého na dané záření  5) Scintilační detektory  6) Polovodičové

27 Příklady II

28 Jaderné reakce  První jadernou reakci pozoroval Rutherford roku 1919  První reaktor spuštěn v roce 1942 v Chicagu  Založen na principu štěpení 235 U  Ostřelování uranu pomalými neutrony – uran se štěpí na dvě středně těžké části. Mohou vznikat různé kombinace, např.:  Jiné kombinace: 139 Xe a 95 Sr, 140 Cs a 94 Rb…  Platí, že se vždy uvolní neutrony a značná energie - teplo

29 Jaderná reakce II  Vzniklé neutrony se pohltí v dalších jádrech uranu  Řetězová jaderná reakce  Štěpnou reakci lze regulovat materiálem, který dobře pohlcuje volné neutrony  Tyče s obsahem Boru nebo Kadmia, které se zasouvaní, či vysouvají do reaktoru podle potřeby  Moderátor – náplň reaktoru, která má za úkol zpomalit nově vzniklé neutrony – nejlépe reagují pomalé (tepelné) neutrony  Nejčastěji voda nebo grafit(hořlavý)

30 Jaderná reakce III  Schéma výroby elektrické energie v reaktoru

31 Jaderná fúze  Skládání lehkých jader (Lithium, Deuterium, Tritium)  Energeticky mnohem výhodnější než štěpení uranu  Mnohem obtížněji realizovatelné  Atomy, které chceme srazit se silně elektrostaticky odpuzují  Potřeba je urychlit na vysokou rychlost – to lze až při vysoké teplotě (miliony stupňů) a vysokém tlaku  Imitace podmínek v nitru hvězd  Tokamaky – reaktory pro jadernou fúzi  Zatím spotřebovávají více energie, než se v nich jadernou fúzí vyrobí

32 Příklady III

33 Reference  1. KRYNICKÝ, Martin. Elektronické učebnice matematiky a fyziky. [online] [cit ]. Dostupné z:  2. REICHL, Jaroslav, VŠETIČKA Martin. Encyklopedie fyziky [online]. [cit ]. Dostupné z:  3. Wikipedia [online]. [cit ]. Dostupné z:  4. Hyperphysics – Georgia State University [online]. [cit ]. Dostupné z: astr.gsu.edu/hbase/hframe.htmlhttp://hyperphysics.phy- astr.gsu.edu/hbase/hframe.html


Stáhnout ppt "Základy atomové fyziky Mgr. Antonín Procházka. Co nás dneska čeká?  Elektronový obal atomu, fyzika atomového jádra.  Kvantové stavy, Pauliho princip,"

Podobné prezentace


Reklamy Google