Stavba atomu Atomové jádro Elektronový obal

Historie představ o atomech a jejich stavbě 1802 - John Dalton - definoval atom jako základní částici prvků, která je dále nedělitelná. 1869 - J.W.Hittorf - objev elektronu při studiu průchodu elektrického proudu zředěnými plyny v uzavřené trubici (katodové paprsky). 1911 - E.Rutherford - na základě pokusů s průchodem částic a kovovými fóliemi navrhl tzv. „planetární model“ atomu - okolo kladně nabitého jádra obíhají po kruhových drahách elektrony.

1918 - E. Rutherford - objev protonu při zkoumání 1918 - E.Rutherford - objev protonu při zkoumání elektrického výboje v plynném dusíku. 1932 - W.Bothe, H.Becker - objev záření, bez pozorovatelné výchylky v elektrickém ani v magnetickém poli - elektricky neutrální částice - neutrony. ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE hmotnost náboj Elektron 9,1091.10-31 kg -1,602.10-19 C Proton 1,6725 .10-27 kg +1,602.10-19 C Neutron 1,6748 .10-27 kg 0

Atomové jádro Základní pojmy: Protonové číslo Z: Udává počet protonů v jádře. Nukleonové číslo A: Udává počet nukleonů (protony +neutrony) v jádře. Nuklid: Soubor atomů stejného druhu - se stejným protonovým a stejným nukleonovým číslem. např.: Izotopy: Nuklidy se stejným protonovým, avšak rozdílnými nukleonovými čísly. např.:

Jaderné reakce mononukleární - radioaktivita (přirozená i umělá) Dochází k přeměně jádra, samovolné nebo účinkem jiného jádra, částice, či fotonu. V rovnicích popisujících tyto reakce se formou indexů uvádějí i protonová a nukleonová čísla. Podle počtu reagujících částic a jader dělíme jaderné reakce na: mononukleární - radioaktivita (přirozená i umělá) - transmutace - štěpné reakce binukleární - syntetické reakce (fúze)

Reakce mononukleární: Radioaktivita Při této reakci se rozpadá atomové jádro prvku X za vzniku nového jádra prvku Y a uvolnění částice (y). Rozeznáváme čtyři typy radioaktivních přeměn: 1) přeměna alfa - emise heliových jader: např. Je-li prvek a zářičem, produkt přeměny se vůči němu posune o dvě místa v PSP vlevo.

2) přeměna beta mínus - emise negatronu např. 3) přeměna beta plus - emise pozitronu (antielektronu) např. Je-li prvek b zářičem, produkt přeměny se vůči němu posune o jedno místo v PSP vpravo (b-), popř. o jedno místo v PSP vlevo (b+) . Emitované částice jsou jaderné elektrony, mající původ v jaderných přeměnách:

Rozpad neutronu a protonu

4) přeměna gama - emise fotonu (energie) např. Při záření g se prvek chemicky nemění. VLASTNOSTI RADIOAKTIVNÍHO ZÁŘENÍ Podstata Rychlost Pohlcení  jádra helia 5 – 7% c 1 mm plech Al 2,6 – 11,5 cm vzduchu  elektrony (e-, e+) – b-,b+ 30 – 98 % c několik mm Pb, Ba  elektromagnetické vlnění  = 10-11 – 10-13 m c 0,5 m Al, 10 cm Pb

k – rozpadová konstanta Nezáleží na tom, zda je prvek v elementárním stavu, nebo je vázán ve sloučenině (radioaktivita je vlastnost atomových jader) POLOČAS ROZPADU (T) - doba, za kterou se rozpadne polovina radioaktivních jader (10-7s až 1010 roků) T = (ln2)/k k – rozpadová konstanta Konec rozpadu - 10 T Černobyl IV.1986 131I (8 dní) 10 T - VII.1986 90Sr (28 let) 2266 127Cs (30 let) 2286

Transmutace Reakce, při níž ostřelováním elementárními částicemi dojde k přeměně původního jádra v jádro jiného (blízkého) prvku. např. Zkrácený zápis: E. Rutherford 1919 Vzniká - li při reakci nuklid, který se dále rozpadá a lze jej tak identifikovat na základě emitovaného záření, reakce se pak označuje jako aktivace. F.Joliot (1933):

Lavinový průběh jaderné reakce (exploze atomové nálože) Štěpení Reakce, při které z výchozího jádra vzniká dvojice lehkých nuklidů. O.Hahn, F.Strassman: Při štěpení 1kg 235U se uvolňuje energie 8,21.1010 kJ (odpovídá spálení 3000 tun uhlí). Při neřízené reakci jsou vznikající „rychle letící neutrony“ schopny štěpit další jádra uranu. Reakce probíhá řetězově. Lavinový průběh jaderné reakce (exploze atomové nálože)

Reakce binukleární: Fúze – reakce, při které dochází k slučování lehkých jader za vzniku jádra těžšího. Tyto procesy mohou probíhat při teplotách 107-109K, proto se pro ně používá termín termonukleární reakce. Uvolněná energie je 4 – 5x větší, než energie získaná štěpením jader.

ELEKTRONOVÝ OBAL Vývoj představ o elektronovém obalu: Systém elektronů obklopujících atomové jádro. Vývoj představ o elektronovém obalu: 1911- Ernest Rutherford - planetární model atomu. Thomsonův model proud částic a Rutherfordův experiment

1913 - Niels Bohr - do planetárního modelu zavedeny představy kvantové teorie. elektron může obíhat kolem jádra jen po kružnicích (kvantových drahách), pro které platí: 2  r . m . v = n . h elektron při pohybu na kvantové dráze nevyměňuje energii, při přechodu na jinou dráhu elektron pohltí nebo vyzáří energii, jejíž kmitočet lze vypočítat z rozdílu energií obou drah: Spektrum je soubor vyzařovaných vlnových délek a je pro každý atom charakteristické. E2 - E1 = h . 

Kvantově mechanický model atomu 1924 –1926 – W.Heissenberg, L.de Broglie, E. Schrödinger Vychází z představ vlnové mechaniky, dle níž se elektrony vyznačují tzv. korpuskulárně-vlnovým dualismem a z principu neurčitosti (nelze současně přesně naměřit ani vypočítat přesné dráhy a rychlosti elektronů). Chování elektronu pak popisuje tzv. vlnová funkce Ψ, která je řešením Schrödingerovy rovnice. Druhá mocnina absolutní hodnoty vlnové funkce |Ψ|2 udává hustotu pravděpodobnosti výskytu elektronu. Orbital – prostor v němž se předpokládá výskyt elektronu s pravděpodobností 90-95%. Má tvar rotačních těles. Je popsán třemi kvantovými čísly (n,l,m).

Kvantová čísla Hlavní kvantové číslo (n) – určuje základní energii orbitalu a nabývá hodnot celých kladných čísel. Elektrony se stejným hlavním kvantovým číslem tvoří elektronovou sféru atomového obalu. n = 1 2 3 4 5 6 7 … sféra: K L M N O P Q … Vedlejší kvantové číslo (l) – určuje tvar orbitalu. Nabývá hodnot celých kladných čísel , nejvýše však o jednotku menší proti hlavnímu kvantovému číslu. 0 ≦ l ≦ n –1 l = 0 1 2 3 … typ orbitalu: s p d f …

Magnetické kvantové číslo (m) – určuje prostorovou orientaci Magnetické kvantové číslo (m) – určuje prostorovou orientaci orbitalu vzhledem k osám souřadnic. - l ≦ m ≦ + l (včetně nuly) Z uvedeného vyplývá, že počet orbitalů daného vedlejšího kvantového čísla (l) je 2l+1. (např. pro l = 2 - orbital d – má m pět hodnot: - 2, - 1, 0, 1, 2) Spinové kvantové číslo (s) – charakterizuje magnetický moment, snáze představitelný jako „směr rotace elektronu“. s = + ½, - „pravotočivý“ ; - ½ - „levotočivý“ Dva elektrony s opačným spinem vytvářejí v témže orbitalu elektronový pár.

Tvary atomových orbitalů Orbitaly s - tvar koule 3 prostorové tvary orbitalu typu p – tvar dvojitého vřetene

5 prostorových tvarů orbitalu typu d 7 prostorových tvarů orbitalu typu f

Pravidla pro obsazování elektronových obalů Výstavbový princip: Elektrony obsazují orbitaly v pořadí rostoucí energie - je vystihován pravidlem n+l, tzn. orbitaly jsou zaplňovány v pořadí rostoucího součtu hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Pořadí orbitalů podle energie vyjadřuje řada: 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - 6s - 4f - 5d - 6p - 7s - 5f - 6d - 7p Stojí za povšimnutí, že např. orbital 3d (n+l = 3+2 =5) se zaplňuje až po obsazení orbitalu 4s (n+l = 4+0 = 4). Stejně tak orbital 4f (n+l =7) se zaplňuje až po obsazení orbitalu 6s (n+l = 6). Je-li u dvou orbitalů součet n + l shodný, zaplňuje se nejprve ten s nižším hlavním kvantovým číslem, např. …-3p – 4s -…

Hundovo pravidlo: Každý prostorový tvar orbitalu se obsadí nejprve jedním elektronem, teprve pak se tvoří elektronové páry. dovolené nedovolené Pauliho princip výlučnosti: V atomu se nemohou vyskytnout dva elektrony, které by se shodovaly ve všech čtyřech kvantových číslech. Tudíž každý prostorový tvar orbitalu musí být obsazen nejvýše dvěma elektrony, lišícími se od sebe spinovým číslem. Pauliho principem a magnetickými kvantovými čísly jsou určeny maximální počty elektronů na orbitalech daného typu,a taktéž i počet elektronů na sférách.

Přehled orbitalů a počty elektronů na sférách Kvantová čísla Počet hlavní (n) vedlejší (l) magnetické (m) orbitalů elektronů na orbitalech na sférách 1 (K) 0 (s) 1 2 2 (L) 8 1 (p) -1, 0, +1 3 6 3 (M) 18 2 (d) -2, -1, 0, +1, +2 5 10 4 (N) 32 3 (f) -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7 14

Určování elektronové konfigurace atomů Na orbitaly postupně umístíme tolik elektronů, kolik jich má elektroneutrální atom – tj.(Z). Při zapisování elektronové konfigurace atomů se počet elektronů píše jako exponent. Příklad: 17Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 nebo [Ne] 3s2 3p5 Elektrony, které má daný atom navíc oproti konfiguraci předchozího vzácného plynu, tzn. nacházející se v orbitalech nejdále od jádra označujeme jako valenční elektrony. jejich počet lze určit z čísla skupiny PSP, podílejí se na vzniku chemických vazeb, rozhodují o chemických a fyzikálních vlastnostech atomu.