NITRO ATOMU

Podstata elektrického proudu 1859 objevil J. Plücker katodové paprsky 1895 objevil W. C. Röntgen rentgenové záření 1897 J. J. Thompson hypotéza o elektronu Německý fyzik Julius Plücker (1801 – 1868) objevil katodové paprsky vznikající ve výbojové trubici za silně sníženého tlaku. Pokusy zjistil, že tyto paprsky vyletující z katody, ionizují plyny, vyvolávají světélkování a zahřívání látky, roztáčejí malý lehký mlýnek, pronikají tenkým hliníkovým plíškem a odchylují se v elektrickém a magnetickém poli jako záporně nabité částice. Rovněž německý fyzik Wilhelm Conrad Rentgen (1845 – 1923, nositel první Nobelovy ceny za fyziku z roku 1901) objevil rentgenové záření vznikající při dopadu katodových paprsků na anodu. Anglický fyzik Joseph John Thomson (1856 – 1940, nositel Nobelovy ceny za rok 1906) vyslovil hypotézu o elektronu. Prokázal, že katodové paprsky jsou proudem rychle letících záporně nabitých částic – elektronů („atomů elektřiny“). Tyto elektrony se musí uvolňovat z atomů tvořících katodu. Obrázky a fotografie: katodová trubice z přelomu 19. a 20. století – podobný princip se používá i u CRT monitorů a televizních obrazovek Julius Plücker rentgen ruky Alfreda von Kollikera z roku 1896 Wilhelm Conrad Rentgen Joseph John Thomson 1/15

Hypotéza o elektronu katodové paprsky jsou proudem rychle letících záporně nabitých částic zjištěny další zdroje elektronů záporně nabitá zinková destička při dopadu světla (tzv. fotoefekt) rozžhavený kovový drát radioaktivní rozpad Hypotéza o elektronu byla J. J. Thomsonem přednesen na přednášce v londýnském Royal Institut v roce 1897, název „elektron“ zavedl G. J. Stoney v časopise Philosophical Magazine už v říjnu 1894. Na obrázku obrazovka osciloskopu, dále schéma fotoefektu. 2/15

Na základě odchylování elektronů v elektrickém a magnetickém poli určil J. J. Thomson měrný náboj elektronu, tj. poměr elektrického náboje elektronu a jeho hmotnosti. První elementární částice, kterou Thomson objevil, má tedy náboj  a hmotnost: Definice dle [1]. 3/15

Millikanův pokus v roce 1910 R. A. Millikan pokusy s kapičkami oleje kapky se vznáší mezi dvěma nabitými deskami kondenzátoru náboj kapek celočíselným násobkem elementárního náboje → náboj kvantován měříme náboj elektronu + znalost měrného náboje → hmotnost elektronu Robert Andrews Millikan (1868 – 1953) byl americký fyzik, který získal v roce 1923 Nobelovu cena za fyziku právě za výzkum elementárního elektrického náboje a fotoelektrického jevu. V praxi se můžeme setkat s podobným kvantováním také. Máme-li v peněžence pouze samé pětikoruny, nemůžete si koupit v automatu, který nevrací mince, nápoj za 12,- Kč. Obsah peněženky je kvantován – je vyjádřen celočíselným násobkem 5,- Kč. Na obrázku původní aparát, na kterém prováděl R. A. Millikan své pokusy. 4/15

applet 5/15 Obrázek znázorňující schéma Millikanova pokusu. Applet viz [8]. applet 5/15

Pudinkový model elektrony vyletují z atomů atom obsahuje Z elektronů ale jeví se elektricky neutrální → J. J. Thompson předpokládal rovnoměrné rozložení kladného náboje v celém objemu, elektrony rozmístěny jako rozinky v pudinku pudinkový model atomu Poznatek o tom, že elektrony vyletují z atomů, vyvrátil odvěkou představu o nedělitelnosti atomů a nastolil otázku jejich struktury. Předpokládejme, že atom obsahuje Z elektronů. Zároveň je atom jako celek elektricky neutrální, proto se v něm musí vzájemně vyrovnávat záporný náboj elektronů -Ze a kladný náboj Ze. Jaké je ale uspořádání těchto kladných a záporných nábojů v atomu? J. J. Thomson předpokládal, že kladný náboj je rozložen rovnoměrně v celém objemu atomu a záporně nabité elektrony jsou v něm rozmístěny náhodně, jako rozinky v anglickém pudinku. Tak vznikl Thomsonův model atomu (pudinkový model atomu). Náhodné rozmístění záporně nabitých elektronů v kladné hmotě atomu a přitom takové, aby atom držel pohromadě a byl stabilní, čemuž nasvědčovalo i pozorování. Totiž tomu, že atom je útvar stabilní. Podle Thomsona byl jeho model atomu v souladu s pozorováním: atom by byl stabilní a elektricky neutrální. Ilustrativní obrázek pudinkového modelu atomu. 6/15

Rutherfordův experiment spolupráce E. Rutherforda, M. Geigera a E. Mardsena v roce 1911 částicemi α odstřelovali velmi tenkou zlatou fólii a snímali je dopadající na stínítko na stínítku očekával úzkou stopu (rozptyl 2°) odchylky podstatně větší, některé částice dokonce odraženy nazpět → struktura atomu Lord Ernest Rutherford (1871 – 1937) byl novozélandský fyzik. Bývá považován za zakladatele jaderné fyziky. Kromě radioaktivního rozpadu chemických prvků, kdy navrhl koncept poločasu rozpadu, zjistil, že atom není homogenní koule, ale že jeho struktura odpovídá právě tzv. planetárnímu modelu. Za svůj objev a studium radioaktivity obdržel v roce 1908 Nobelovu cenu za chemii. Záření alfa tvoří rychle letící, kladně nabité, částice. Jedná se o atomy helia zbavené elektronů, mají elektrický náboj 2e  a hmotnost 7293krát větší než elektron (zdrojem alfa záření je Radium-C). Tyto částice počítali pomocí záblesků, které vyvolávají při dopadu na stínítko pokryté sulfidem zinečnatým. Částice alfa využili jako střely, nechali tyto částice pronikat zlatou fólií, kterou je možné vytepat na velmi tenkou (téměř jednoatomovou) tloušťku. Poté registrovali částice na pohyblivém stínítku a studovali jejich rozptyl. Otáčením desky stínítka mohly být alfa částice, rozptylované do různých směrů pozorovány. Na fotografii Ernest Ruterford, dále schéma průchodu alfa částic skrz pudinkový a Rutherfordův model atomu. 7/15

Rutherfordův experiment z [9]. applet 8/15

Vysvětlení kladný náboj soustředěn v malé centrální oblasti sto tisíckrát menší než rozměr celého atomu → prázdný prostor s několika obíhajícími elektrony a nepatrným, ale těžkým jádrem Představíme-li si atomové jádro jako kuličku o poloměru 1 centimetr (např. kulička hroznového vína), pak celý atom bude mít poloměr 105 krát větší, tj. 105 cm = 1 km. A v tomhle prostoru se bude kolem atomového jádra pohybovat nejvýše 100 elektronů, jejichž poloměr bude asi 1000krát menší než poloměr atomového jádra. Ve zvoleném měřítku to budou sotva viditelná zrnka prachu! Narazí-li těžká alfa částice do elektronu, který má výrazně menší hmotnost, pak částice alfa elektron „odhodí“, ale její trajektorie se příliš nezmění. Analogickou situaci známe z praxe, když rychle jedoucí automobil narazí do dopravního kuželu (kterým je např. zakázán vjezd na část vozovky): rychlost a trajektorie automobilu se viditelně nezmění, zatímco kužel je odhozen několik metrů daleko. Kladně nabité jádro naopak pohyb kladně nabité alfa částice ovlivní výrazně. Animace atomu. 9/15

Atom se skládá z malého kladně nabitého jádra, v němž je soustředěna téměř celá hmotnost atomu, a z elektronového obalu. Kladný náboj jádra Ze a záporný náboj obalu - Ze se vzájemně vyrovnávají. Na základě svého objevu dospěl Rutherford k modelu atomu, který si představoval podobně jako Sluneční soustavu. Roli Slunce zde hrálo jádro, kolem něhož obíhaly elektrony podobně tak, jako obíhají planety kolem Slunce. Tomuto modelu se říká Rutherfordův model atomu (též planetární model atomu). Elektron se v něm pohybuje po kruhových trajektoriích pod vlivem dostředivé síly, která je zde realizována elektrostatickou silou působící mezi záporně nabitým elektronem a kladně nabitým jádrem atomu. Definice dle [1]. 10/15

Bohrův model atomu matematický popis, který provedl N. H. D. Bohr nestabilnost Rutherfordova modelu Bohrův model založen na kvantové teorii Niels Henrik David Bohr (1885 – 1962) byl dánský fyzik působící v oblasti atomové a jaderné fyziky, Nobelova cena za výzkum atomové struktury mu byla udělena roku 1922. Rozdíl od Rutherforfova modelu je pouze v tom, že v případě Bohrova modelu atomu se elektrony nacházejí pouze na určitých trajektoriích, zatímco v případě Rutherfordova modelu se mohou nacházet na kružnici s libovolným poloměrem (v libovolné vzdálenosti od jádra). Elektrony se ovšem pohybují po zakřivených trajektoriích, a proto se pohybují se zrychlením. I kdyby velikost rychlosti jejich pohybu byla konstantní, mění se směr rychlosti - elektron má tedy nenulové dostředivé zrychlení (obecně normálové zrychlení). Při takovém typu pohybu nabitá částice vyzařuje elektromagnetické záření, které vzniká na úkor energie dané částice. Kvůli zmenšování energie by se elektron musel přibližovat k jádru atomu (vlivem elektrostatické síly). Během řádově 10-16 s tak elektron spadne na jádro a zanikne. To ale znamená, že takový atom by byl značně nestabilní. Rutherfordův model tedy nedopovídá skutečnosti, protože atomy (a objekty z nich složené) jsou útvary stabilní. Lepším modelem je právě Bohrův model atomu založený na kvantové teorii. Na fotografii N. H. D. Bohr, na obrázku Bohrův model atomů s naznačeným Balmerovým přechodem z n=3 na n=2. 11/15

Příklad Uvažte, jaký rozměr by měla konstrukce modelu atomu vodíku, v němž by jádro tvořila kulička o průměru řádově 1 mm. Použijte poznatek, že průměr atomu je řádově 10–10 m a průměr jádra atomu je řádově 10–15 m. Příklad podle [2]. 12/15

Řešení 13/15

Opakování „pudinkový“, „planetární“ a Bohrův model atomu atom – velmi malé kladně nabité jádro elektronový obal elektron – záporně nabitá elementární částice náboj elektronu qe = -e hmotnost me = 9,110.10-31 kg e = 1,602.10-19 C 14/15

POUŽITÉ ZDROJE Štoll I.: Fyzika pro gymnázia/ Fyzika mikrosvěta, Prometheus, Praha 2008. Bartuška K.: Sbírka řešených úloh z fyziky IV pro SŠ, Prometheus, Praha 2000. http://fyzika.jreichl.com http://cs.wikipedia.org http://public.web.cern.ch http://www.freedigitalphotos.net http://www.regentsprep.org/regents/physics/ http://www.learnerstv.com/animation/chemistry/OilDrop.swf http://phet.colorado.edu/sims/rutherford-scattering/rutherford-scattering_en.jnlp http://regentsprep.org/Regents/physics/phys05/catomodel/ruther.htm Grafická úprava a ilustrace: Marie Cíchová 15/15