Fyzika elektronového obalu a atomového jádra

Modely atomu

Leukippos a Démokritos. staří řečtí filozofové - 450 př. n. l. první kvalitativně správná představa o struktuře hmoty každá látka je složena z velmi malých částic, které mohou mít různý tvar a velikost a které jsou již dále nedělitelné. tyto částice byly nazvány atomy (a tomos - nedělitelný).

John Dalton anglický chemik a fyzik - rok 1803 první fundovanější atomovou teorii, jejíž některé závěry platí dodnes. vycházel přitom z následujících postulátů: - každá látka sestává z nepatrných částeček - atomů, které nelze vytvořit, rozdělit ani zničit - atomy téhož prvku mají stejné chemické vlastnosti, hmotnost, velikost - během chemických reakcí se nemění - atomy různých prvků jsou různé - spojováním atomů různých prvků vznikají složitější částice, které italský fyzik Amedeo Avogardo nazval v roce 1811 molekuly

Joseph John Thomson anglický fyzik , rok 1898 objevil elektron tím došlo ke změně staré představy o atomech jako nedělitelných stavebních kamenech hmoty za skutečně elementární částici se tak na přelomu 19. a 20. století začal považovat elektron velikost náboje elektronu byla přitom přirozeně nazvána elementárním nábojem. záhy bylo také zřejmé, že elektrony nesou jen velmi malou část hmotnosti atomu, neboť např. nejjednodušší (jednoelektronový) atom – atom vodíku – je o tři řády těžší než elektron. to vede k myšlence, že právě kladně nabitá složka dodává atomu téměř veškerou jeho hmotu.

J.J. Thomson hypotéza - neutrální atomy mají zvláštní vnitřní strukturu. atom je tvořen elektricky kladně nabitou látkou, v níž plavou záporně elektricky nabité elektrony. tento model bývá často nazýván „pudinkový“. celkový náboj tohoto systému je pak nulový. m pole)

J.J. Thomson pudinkový model

Ernest Rutherford novozélandský fyzik , rok 1911 Atom se skládá ze dvou částí: a) z jádra, kde je uložena kladně nabitá hmota atomu b) z obalu, tvořeného elektrony bývá často označován jako planetární model atomu, ve kterém se elektrony pohybují na stabilních drahách (orbitách), díky působení přitažlivé síly

Ernest Rutherford

Niels Bohr dánský fyzik, rok 1913. Rutherfordův planetární model atomu není stabilní podle klasických zákonů fyziky. opravil jeho model, vyslovil předpoklady, které jsou v rozporu s klasickou mechanikou tak i s elektrodynamikou. Postuláty: 1) elektrony obíhají atomové jádro jen na některých dovolených drahách, 2) mohou pouze za určitých jednorázovými změnami „přeskočit“ z jedné energetické hladiny do jiné. Při přechodu z jednoho stavu do druhého atom emituje nebo absorbuje záření po kvantech. Pro kvantum záření platí: hυ = Ei – Ef, kde je Ei energie počátečního stavu a Ef energie koncového stavu

Kvantově mechanický model atomu vznikl na základě Luis de Broglieho (francouzský fyzik) teorie částicových vln a následné práce Ervina Schrodingera (rakušan), v níž představil tzv. Schrodingerovu rovnici, podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jako hmotný bod ale jako vlnová funkce definující pravděpodobnost výskytu elektronu v různých místech prostoru.

Kvantově mechanický model atomu vyřešil nedostatky Bohrova modelu Oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu elektronu – orbital. Orbital charakterizují kvantová čísla: n, l, m

Elektronový obal Vlnově mechanický model atomu Teorie: vlnová (kvantová) mechanika 1924-7 L.de Broglie, Heisenberg, Schrödinger Orbital – prostor, ve kterém se s velkou pravděpodobností (99,9..%) nachází elektron Energie orbitalů je kvantována = při přechodu z jedné energetické hladiny na druhou je potřeba přesně stanovené kvantum energie

Kvantová čísla 3 pro orbital, čtvrté pro elektron Hlavní kvantové číslo n nabývá hodnot teoreticky od 1 do nekonečna prakticky od 1 do 7 udává energii orbitalu (vzdálenost od jádra) elektrony ve stavech se stejným n tvoří jednu elektronovou vrstvu (slupku) n 1 2 3 4 5 6 7 značení K L M N O P Q vrstev

Kvantová čísla Vedlejší kvantové číslo l hodnoty: od 0 do n-1 = od 0 do 6 Udává tvar orbitalu hodnota l 0 1 2 3 označení tvaru orbitalu s p d f s tvar koule p tvar mašle d tvar dvojmašle

Orbital typu s Idealizovaný tvar atomového orbitalu 1s (vlevo) a 2s (vpravo) podle rozložení elektronové hustoty.

Orbital typu p Idealizovaný tvar p-orbitalů s různou prostorovou orientací.

Orbital typu d                                                                                                                                                               Idealizované tvary různých typů d-orbitalů

Kvantová čísla Magnetické kvantové číslo značí se m nabývá hodnot -l, 0, +l udává orientaci orbitalu v prostoru, počet magnetických kvantových čísel odpovídá počtu degenerovaných orbitalů

Kvantová čísla Spinové kvantové číslo značí se s nabývá hodnot -1/2, +1/2 udává rotaci elektronu není pro orbital, ale pro elektron

Značení: s (l=0), p (l=1), d (l=2), f (l=3), g (l=4), h (l=5)… ml symbol AO degenerace obsazeníelektrony vrstva el. ve vrstvě 1 1s není 2 K 2s L 8 -1 +1 2p 3x 6 3 3s M 18 3p -2 +2 3d 5x 10 Značení: s (l=0), p (l=1), d (l=2), f (l=3), g (l=4), h (l=5)…

n l ml symbol AO degenerace obsazeníelektrony vrstva el. ve vrstvě 4 4s není 2 N 32 1 -1 +1 4p 3x 6 -2 +2 4d 5x 10 3 -3 +3 4f 7x 14

Elektronová konfigurace = obsazení jednotlivých orbitalů elektrony Pravidla pro vytváření elektronových konfigurací Výstavbový princip Orbitaly se obsazují elektrony podle vzrůstající energie

Výstavbový trojúhelník p d f 8 7 6 5 4 3 2 1

Pauliho vylučovací princip Každý orbital je obsazen nejvýše dvěma elektrony, které se od sebe liší svým spinem

Hundovo pravidlo Orbitaly se stejnou energií (degenerované) se obsazují nejprve všechny elektrony se stejným spinem, pak teprve se spinem opačným

Mechanismus vzniku spekter Základem je kvantová teorie. Energetické stavy atomů jsou kvantovány Výměna zářivé energie s okolím uskutečňována po kvantech

Emisní spektrum Se získá spektroskopickým rozborem elektromagnetického záření emitovaného danou látkou Je zaznamenáváno obvykle ve formě závislosti toku elektromagnetického záření na jeho vlnové délce, frekvenci nebo vlnočtu

Bohrův model atomu

Při odvození emisního spektra atomu vodíku vycházíme ze znalosti jeho energetického spektra a skutečnosti, že k emisi elektromagnetického záření může dojít pouze při přechodu z vyšší energetické hladiny na nižší (emise fotonu, deexcitace atomu). Energie fotonu , tj. kvantum elektromagnetického záření, je podle zákona zachování energie rovna změně energie atomu, tedy při přechodu z j-té hladiny na i-tou .

Příklady emisních spekter prvků emisní spektrum vodíku emisní spektrum uhlíku

Příklady emisních spekter prvků emisní spektrum síry emisní spektrum sodíku

Absorpční spektrum se získá spektroskopickým rozborem polychromatického záření, které cestou od svého zdroje ke spektroskopu prošlo měřenou látkou a ta určité složky pohltila. V absorpčním spektru pak tyto složky chybí. Měření se provádí obvykle dvoupaprskovou metodou (porovnává se tok původního záření a tok záření prošlého látkou)

Atomové jádro

RADIOAKTIVITA Becquerel – 1896 – objevil schopnost uranu vysílat záření. Nuklidy, které vykazují radioaktivitu nazval radionuklidy. Radioaktivita = schopnost atomových jader vysílat určitý druh záření za současného rozpadu jader. Příčina radioaktivity – nukleony jsou poutány přitažlivými silami, které mají krátký dosah působení. S rostoucím počtem protonů rostou odpudivé síly a jádra se stávají nestabilními

Radioaktivní záření  = proud rychle letících heliových jader proniká několikacentimetrovou vrstvou vzduchu a velmi tenkými foliemi 2.  = proud rychle letících elektronů, které vznikají v jádře rozpadem neutronů Je 100x pronikavější než 

Radioaktivní záření 3.  = elektromagnetické záření o vysoké energii Dá se zachytit vrstvou betonu nebo olověnou deskou Poločas rozpadu – doba, za kterou se rozpadne polovina jader

Radioaktivní přeměny  

Radioaktivní rozpadové řady Thoriová Neptuniová Uran – radiová uran - aktiniová

Umělá radioaktivita Rutheford 1919 – průchodem částic  čistým dusíkem vzniká kyslík a uvolňují se protony Princip umělé radioaktivity – bombardováním neradioaktivního prvku některými částicemi (,proton, neutron) dochází k přeměně jader- manželé Curie

Umělá radioaktivita Př. Pozitrony vznikají v okamžiku jaderné přeměny z protonu

Použití radionuklidů Lékařství diagnostika onkologie Technika kontrola celistvosti materiálů Archeologie stáří předmětů Jaderná energetika

Štěpné jaderné reakce 1 jádro těžší se mění na 2 lehčí Řetězová reakce – kontrolovatelný průběh částečným zachycováním vzniklých neutronů

Termonukleární reakce Ze dvou lehčích jader vznikne 1 těžší Př. Vodíková bomba Uvolňuje se větší množství energie než při štěpných reakcích Zatím se nedají řídit