Fyzika mikrosvěta

Mikrosvět a makrosvět MIKROSVĚT rozměry 10-18 až 10-9 m časové intervaly v až řádu 10-24 s jiný, nezvyklý, nemůžeme vnímat našimi smysly není to náš zmenšený svět není možné ho popsat názornými modely našeho makrosvěta kvantová fyzika

Procesy mikrosvěta vznikají v něm biologické struktury a chemické sloučeniny nutné pro život záření, (pomocí něhož je možné dokonce pochopit vznik a vývoj vesmíru) na základě kvantové fyziky, jaderné fyziky a částicové fyziky můžeme vytvářet nové druhy látek (léky, oleje, …), konstruovat tranzistory, lasery, jaderné reaktory, …

Zkoumání mikrosvěta

Elektronový mikroskop je obdobou optického mikroskopu fotony jsou nahrazeny elektrony vlnová povaha částic optické čočky elmag. čočkami (magnetické pole) stínítko, fotografická deska… zvětšení až 1 000 000x

Obrázky z optického mikroskopu Atomy wolframu s rozlišením 77 pm, patrná vnitřní struktura Atomy wolframu

Atomismus nejprve spekulace atomismus chemický (18/19 st.) nepřímý důkaz Joseph Louis Proust, John Dalton, Joseph Louis Gay-Lussac, Amadeo Avogadro) chemické prvky se neslučují v libovolných množstvích, ale jen v určitých stálých hmotnostních poměrech atomy jednotlivých prvků se spojují v molekuly jakožto nejmenší částice chemických sloučenin

Představa o rozměrech molekul. Molekuly Bude-li se z kapky vody o objemu 1 mm3 odpařovat každou sekundu milion molekul, bude se celá kapka odpařovat déle než milion let. Vlijeme-li jeden litr označených molekul vody do oceánu a důkladně zamícháme, nalezneme v každém litru oceánské vody 30 miliard původních molekul (objem vody v oceánech se odhaduje na 1015 l).

Fyzikální veličiny a konstanty atomová hmotnostní konstanta mu = 1,661.10-27 (atomová hmotnostní konstanta) je jedna dvanáctina klidové hmotnosti nuklidu uhlíku 12 6 C relativní atomová hmotnost prvků Ar je podíl klidové hmotnosti atomu a hmotnostní konstanty

Fyzikální veličiny a konstanty relativní molekulová hmotnost sloučenin Mr je součet relativních atomových hmotností látkové množství n vyjadřuje počet částic v nějakém vzorku látky o určité hmotnosti základní veličina SI její jednotka mol – základní jednotka SI

Fyzikální veličiny a konstanty Avogadrova konstanta je počet atomů ve vzorku nuklidu uhlíku 12 6 C s hmotností 0,012 kg (v 1 molu) NA = 6,022.1023 mol-1 jeden mol plynu za normálního tlaku a teploty zaujímá objem 22,4 l

Atomy a jejich rozměry Mějme 0,1 kg čistého železa ve tvaru krychle. Předpokládejme, že atomy jsou v něm stěsnány v pravoúhlém krychlovém uspořádání. Kdybychom tyto atomy uspořádali v rovině do tvaru čtverce, jaká by byla délka jeho strany? (V tabulkách najděte hustotu železa a relativní atomovou hmotnost.)

Atomy, náboj, energie, rozměry typické rozměry 10-10 m Typické energie (energie chemické vazby) 10-19 J nejmenší náboj iontu 1,602.10-19 C (elementární náboj)

Stavba atomu malé kladně nabité jádro záporně nabitý obal soustředěna téměř veškerá hmotnost protony mp = 1,673 . 10-27 kg, neutrony, mu = 1,675 . 10-27 kg typické rozměry 10-14 až 10-15 m záporně nabitý obal elektrony qe = -1,602 . 10-19 C, me = 9,110 . 10-31 kg

Obal elektrony objev katodových paprsků (vychylujících se v el. a mag. poli a budících RTG záření) vedl k objevu elektronů (J. J. Thomson) qe = -1,602 . 10-19 C, me = 9,110 . 10-31 kg uvolňují se při dopadu světla z rozžhavených látek při radioaktivním rozpadu beta nemají vnitřní strukturu

Jádro X proton nebo neutron = nukleon AZ X proton nebo neutron = nukleon počet protonů v jádře Z určuje pořadí prvku v periodické soustavě atomy téhož prvku se mohou lišit svou hmotností (počtem neutronů) nukleonové číslo A A = Z + N nuklid = soubor atomů jednoho druhu dva různé nuklidy = izotopy

Jádro Thomsonův „pudinkový model“ Rutherfordův experiment proton a neutron jsou „složené částice“ kvarky považovány za fundamentální částice jejich náboj není celočíselným nábojem e celkem 6, rozměry 10-18 m nepodařilo se je z jádra uvolnit a zřejmě to ani nelze

Atom, jádro obal Jestliže by atom měl rozměry sportovní haly (100 m), jak velké (řádově) by bylo jeho jádro? Kolikrát je hmotnost protonu (neutronu) větší než hmotnost elektronu? Jakou část atomu tvoří „prázdný prostor“?

Úlohy 1 Jaký je rozdíl mezi chemickým prvkem a nuklidem? Z kolika částic se skládá Jaký elektrický náboj má jádro atomu dusíku Jak lze oddělovat izotopy?

Úlohy 2 Určete relativní atomovou hmotnost Ar přirozeného chloru, víte-li, že je tvořen ze 75 % nuklidem (Ar=34,969) a z 25 % nuklidem (Ar=36,966).

Vazebná energie jádro a obal – elektrické síly (foton) nukleony v jádře – jaderné síly (gluon) vazebná energie Ev (1 eV = 1,602.10-19J) práce, kterou je nutno vykonat abychom soustavu rozložili na jednotlivé části E=m.c2, změně energie odpovídá změna hmotnosti dodáme-li soustavě energii, zvýší se její hmotnost a naopak

Kladná vazebná energie stabilní soustava k rozložení na části je nutno vykonat kladnou práci, dodat energii po rozložení bude součet klidových hmotností jednotlivých částí větší, než původní klidová hmotnost opětovné složení z částí – poklesne hmotnost a uvolní se energie

Záporná vazebná energie nestabilní soustava při rozpadu na části se uvolňuje energie součet klidových hmotností částí je menší než klidová hmotnost původní soustavy pro opětovné složení je třeba vykonat práci, dodat energii

Hmotnostní úbytek odpovídá vazebné energii odpovídá mu uvolněná energie kinetická energie rozlétajících se částí energie elmag. záření chemické reakce  eV  10-36 kg jaderná vazebná energie MeV kvarky GeV

Energie reakce Er chemické a jaderné reakce kladná – energie se uvolňuje záporná – energie se váže

Příklad Jaký hmotnostní úbytek vznikne při spálení jedné tuny černého uhlí o výhřevnosti 25 MJ.kg-1?

Příklad 2 Odhadněte energii, která by se uvolnila, kdybychom složili 1 kg U 238 z jednotlivých nukleonů.