Atomová fyzika Podmínky používání prezentace Stažení, instalace na jednom počítači a použití pro soukromou potřebu jednoho uživatele je zdarma. Použití pro výuku jako podpůrný nástroj pro učitele či materiál pro samostudium žáka, rovněž tak použití jakýchkoli výstupů (obrázků, grafů atd.) pro výuku je podmíněno zakoupením licence pro užívání software E-učitel příslušnou školou. Cena licence je 250,- Kč ročně a opravňuje příslušnou školu k používání všech aplikací pro výuku zveřejněných na stránkách www.eucitel.cz. Na těchto stránkách je rovněž podrobné znění licenčních podmínek a formulář pro objednání licence. Pro jiný typ použití, zejména pro výdělečnou činnost, publikaci výstupů z programu atd., je třeba sjednat jiný typ licence. V tom případě kontaktujte autora (info@eucitel.cz) pro dojednání podmínek a smluvní ceny. OK © RNDr. Jiří Kocourek 2013

Atomová fyzika © RNDr. Jiří Kocourek 2013

Výchozí předpoklady: 1. Atom se skládá z kladně nabitého jádra nepatrných rozměrů, které obsahuje téměř veškerou jeho hmotnost, a z obalu složeného ze záporně nabitých elektronů. 2. Elektrony jsou objekty mikrosvěta a projevují se v některých situacích jako klasické částice, ale v jiných jako kvanta jistého vlnění. Vlnová funkce popisující toto vlnění souvisí s pravděpodobností výskytu elektronu v jistém místě a čase.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model:

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Jelikož je elektron kvantem jistého vlnění, bude docházet k obdobnému jevu, jako při šíření a odrazu mechanického vlnění (např. na struně).

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Jelikož je elektron kvantem jistého vlnění, bude docházet k obdobnému jevu, jako při šíření a odrazu mechanického vlnění (např. na struně). Pokud bude vlnová délka elektronu srovnatelná s rozměry „krabice“, vytvoří se situace obdobná stojatému vlnění (chvění struny).

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Struna nemůže kmitat s libovolnou frekvencí – musí být splněna podmínka, že délce struny odpovídá celý počet půlvln.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Struna nemůže kmitat s libovolnou frekvencí – musí být splněna podmínka, že délce struny odpovídá celý počet půlvln.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Struna nemůže kmitat s libovolnou frekvencí – musí být splněna podmínka, že délce struny odpovídá celý počet půlvln.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Elektron tedy nemůže mít frekvenci (ani energii ... E = h·f ) libovolnou. Energie elektronu je kvantována – nabývá jen jistých diskrétních hodnot; elektron se může nacházet v různých kvantových stavech.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Pravděpodobnost výskytu elektronu je dána druhou mocninou vlnové funkce.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Pravděpodobnost výskytu elektronu je dána druhou mocninou vlnové funkce. Elektron se nachází v různých místech „krabice“ s různou pravděpodobností.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Pravděpodobnost výskytu elektronu je dána druhou mocninou vlnové funkce. Elektron se nachází v různých místech „krabice“ s různou pravděpodobností. Rozložení pravděpodobnosti výskytu je odlišné v různých kvantových stavech.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Pravděpodobnost výskytu elektronu je dána druhou mocninou vlnové funkce. Elektron se nachází v různých místech „krabice“ s různou pravděpodobností. Rozložení pravděpodobnosti výskytu je odlišné v různých kvantových stavech.

Chování elektronů v oblasti působení silových polí: Příklad: Částice volně pohyblivá mezi dvěma nepropustnými bariérami (jednorozměrná krabice): Klasický model: Elektron („kulička“) se pohybuje rovnoměrně přímočaře; po nárazu na stěnu se dokonale pružně odrazí. V každém okamžiku je na jediném přesně určeném místě a pohybuje se jistou rychlostí. Kvantově mechanický model: Pravděpodobnost výskytu elektronu je dána druhou mocninou vlnové funkce. Elektron se nachází v různých místech „krabice“ s různou pravděpodobností. Rozložení pravděpodobnosti výskytu je odlišné v různých kvantových stavech. Pro jistý kvantový stav je však toto rozložení stabilní. Pojmy jako poloha nebo rychlost elektronu nemají v kvantově mechanickém modelu žádný význam.

Elektronový obal atomu: Elektron drží v atomu přitažlivá elektrostatická síla a jeho výskyt je vázán na určitou oblast prostoru. Situace je tedy do jisté míry podobná modelu „elektronu v krabici“. V mnoha ohledech je však jiná (elektron není vázán na jeden rozměr, ale vyskytuje se v určitém prostoru; síla, která ho v tomto prostoru drží, ubývá s druhou mocninou vzdálenosti atd.). Teorie popisující elektrony v atomovém obalu je tak daleko složitější a nedá se ani přibližně nahradit modelem struny, jako v případě jednorozměrné krabice. Některé základní vlastnosti však zůstávají zachovány – zejména kvantování energie.

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů:

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Přijmou-li atomy jisté látky energii (např. od elektromagnetického záření) ...

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Přijmou-li atomy jisté látky energii (např. od elektromagnetického záření), dostanou se do stavu s vyšší energií (excitovaného).

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Přijmou-li atomy jisté látky energii (např. od elektromagnetického záření), dostanou se do stavu s vyšší energií (excitovaného). Tuto přebytečnou energii může atom opět vyzářit ve formě elektromagnetického záření, čímž přejde zpět do základního stavu.

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Bylo pozorováno: 1. Atomy jisté látky mohou přijmout (absorbovat) záření vždy jen jistých frekvencí. Při pozorování záření (s původně spojitým spektrem), které prochází přes danou látku, pozorujeme v jistých místech tmavé čáry. Tyto čáry odpovídají frekvencím, které látka dokáže absorbovat – absorpční spektrum.

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Bylo pozorováno: 1. Atomy jisté látky mohou přijmout (absorbovat) záření vždy jen jistých frekvencí. Při pozorování záření (s původně spojitým spektrem), které prochází přes danou látku, pozorujeme v jistých místech tmavé čáry. Tyto čáry odpovídají frekvencím, které látka dokáže absorbovat – absorpční spektrum. 2. Atomy jisté látky mohou při přechodu z excitovaného do základního stavu vyzařovat (emitovat) záření rovněž pouze jistých frekvencí. Při pozorování např. zahřátých plynů nepozorujeme spojité spektrum, ale pouze čáry odpovídající určitým vlnovým délkám – emisní spektrum.

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Bylo pozorováno: 1. Atomy jisté látky mohou přijmout (absorbovat) záření vždy jen jistých frekvencí. Při pozorování záření (s původně spojitým spektrem), které prochází přes danou látku, pozorujeme v jistých místech tmavé čáry. Tyto čáry odpovídají frekvencím, které látka dokáže absorbovat – absorpční spektrum. 2. Atomy jisté látky mohou při přechodu z excitovaného do základního stavu vyzařovat (emitovat) záření rovněž pouze jistých frekvencí. Při pozorování např. zahřátých plynů nepozorujeme spojité spektrum, ale pouze čáry odpovídající určitým vlnovým délkám – emisní spektrum. Rozložení čar v absorpčním i emisním spektru je pro danou látku vždy stejné a je možné ho využívat pro určení chemického složení (např. v astronomii – spektrální analýza hvězd a mezihvězdného plynu).

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Příklady: Spojité spektrum Absorpční spektrum (vodík) Emisní spektrum (vodík)

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Příklady: Emisní spektra některých dalších prvků: helium kyslík neon rtuť sodík

Elektronový obal atomu: Již před vznikem kvantové teorie byly pozorovány některé jevy, které byly později díky poznatkům kvantové fyziky vysvětleny: Čárové spektrum atomů: Vysvětlení z hlediska kvantové teorie: Elektrony se v atomu mohou vyskytovat pouze v jistých kvantových stavech. Tyto stavy jsou stabilní; elektron v daném kvantovém stavu nevyzařuje ani nepohlcuje energii, nemění se ani prostorové rozložení hustoty pravděpodobnosti jeho výskytu. Elektron může vyzářit nebo pohltit energii pouze přechodem z jednoho kvantového stavu do jiného, a to tak, že vyzáří (pohltí) foton, jehož energie přesně odpovídá rozdílu energií příslušných kvantových stavů. V důsledku toho mohou elektrony v atomu absorbovat nebo vyzařovat fotony jen o jistých frekvencích.

E Elektronový obal atomu: Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E

E Elektronový obal atomu: Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E Nulová hladina energie odpovídá volnému elektronu v klidu, kladné hodnoty mají volné elektrony s jistou kinetickou energií, záporné hodnoty energie odpovídají elektronům vázaným v atomu

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 E2 E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 E3 E2 Elektrony vázané v atomu se mohou vyskytovat v jistých kvantových stavech; každému stavu odpovídá jistá hodnota energie. Energie elektronu se může změnit pouze přeskokem z jedné energetické hladiny na jinou. E1

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 E2 E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 excitované stavy E3 E2 základní stav E1

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 E2 foton .... E = h · f E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 excitované stavy E3 E2 foton .... E = h · f základní stav E1

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 E2 h · f = E3 – E1 E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 excitované stavy E3 E2 h · f = E3 – E1 základní stav E1

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 E2 E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 excitované stavy E3 E2 základní stav E1

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 E2 E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 excitované stavy E3 E2 základní stav E1

E Elektronový obal atomu: . . . E4 E3 h · f = E3 – E2 E2 E1 Schematické znázornění kvantových stavů pomocí energetických hladin: E . . . E4 excitované stavy E3 h · f = E3 – E2 E2 základní stav E1

E Atom vodíku: . . . – 0,8 eV – 1,5 eV – 3,4 eV – 13,6 eV . . . – 0,8 eV – 1,5 eV – 3,4 eV Energetické hladiny atomu vodíku lze vyjádřit vztahem: Frekvence pohlceného (vyzářeného) fotonu odpovídající přeskoku mezi n – tou a m – tou hladinou: – 13,6 eV

Atom vodíku: E . . . – 0,8 eV – 1,5 eV – 3,4 eV – 13,6 eV

E Atom vodíku: . . . – 0,8 eV – 1,5 eV – 3,4 eV – 13,6 eV . . . – 0,8 eV – 1,5 eV Paschenova série – 3,4 eV Balmerova série Lymanova série – 13,6 eV

E Atom vodíku: . . . – 0,8 eV – 1,5 eV – 3,4 eV – 13,6 eV . . . – 0,8 eV – 1,5 eV Paschenova série – 3,4 eV Balmerova série Lymanova série – 13,6 eV

Stavba elektronového obalu: Stav elektronu je kromě energie popsán ještě jinými veličinami (moment hybnosti, magnetický moment), které jsou rovněž kvantovány. K popisu stavu se používají kvantová čísla.

Stavba elektronového obalu: Stav elektronu je kromě energie popsán ještě jinými veličinami (moment hybnosti, magnetický moment), které jsou rovněž kvantovány. K popisu stavu se používají kvantová čísla. n .... hlavní kvantové číslo (kvantuje energii, označuje se buď čísly 1,2,3, ... nebo písmeny K, L, M, ...)

Stavba elektronového obalu: Stav elektronu je kromě energie popsán ještě jinými veličinami (moment hybnosti, magnetický moment), které jsou rovněž kvantovány. K popisu stavu se používají kvantová čísla. n .... hlavní kvantové číslo (kvantuje energii, označuje se buď čísly 1,2,3, ... nebo písmeny K, L, M, ...) l .... vedlejší kvantové číslo (kvantuje moment hybnosti, označuje se buď čísly 0,1,2,3, ..., n-1 nebo písmeny s, p, d, f, ...)

Stavba elektronového obalu: Stav elektronu je kromě energie popsán ještě jinými veličinami (moment hybnosti, magnetický moment), které jsou rovněž kvantovány. K popisu stavu se používají kvantová čísla. n .... hlavní kvantové číslo (kvantuje energii, označuje se buď čísly 1,2,3, ... nebo písmeny K, L, M, ...) l .... vedlejší kvantové číslo (kvantuje moment hybnosti, označuje se buď čísly 0,1,2,3, ..., n-1 nebo písmeny s, p, d, f, ...) m .... magnetické kvantové číslo (kvantuje magnetický moment, označuje se čísly 0, ±1, ± 2, ± 3, ..., ± l )

s .... spinové kvantové číslo (označuje se čísly ±1/2; souvisí rovněž Stavba elektronového obalu: Stav elektronu je kromě energie popsán ještě jinými veličinami (moment hybnosti, magnetický moment), které jsou rovněž kvantovány. K popisu stavu se používají kvantová čísla. n .... hlavní kvantové číslo (kvantuje energii, označuje se buď čísly 1,2,3, ... nebo písmeny K, L, M, ...) l .... vedlejší kvantové číslo (kvantuje moment hybnosti, označuje se buď čísly 0,1,2,3, ..., n-1 nebo písmeny s, p, d, f, ...) m .... magnetické kvantové číslo (kvantuje magnetický moment, označuje se čísly 0, ±1, ± 2, ± 3, ..., ± l ) s .... spinové kvantové číslo (označuje se čísly ±1/2; souvisí rovněž s magnetickým momentem, avšak u makroskopických těles nemá vlastnost spinu žádnou obdobu)

s .... spinové kvantové číslo (označuje se čísly ±1/2; souvisí rovněž Stavba elektronového obalu: Stav elektronu je kromě energie popsán ještě jinými veličinami (moment hybnosti, magnetický moment), které jsou rovněž kvantovány. K popisu stavu se používají kvantová čísla. n .... hlavní kvantové číslo (kvantuje energii, označuje se buď čísly 1,2,3, ... nebo písmeny K, L, M, ...) l .... vedlejší kvantové číslo (kvantuje moment hybnosti, označuje se buď čísly 0,1,2,3, ..., n-1 nebo písmeny s, p, d, f, ...) m .... magnetické kvantové číslo (kvantuje magnetický moment, označuje se čísly 0, ±1, ± 2, ± 3, ..., ± l ) s .... spinové kvantové číslo (označuje se čísly ±1/2; souvisí rovněž s magnetickým momentem, avšak u makroskopických těles nemá vlastnost spinu žádnou obdobu) Pauliho princip: V atomu se nemohou vyskytovat dva nebo více elektronů ve stejném kvantovém stavu (se stejnou hodnotou všech kvantových čísel).

Stavba elektronového obalu: Prostorové rozložení elektronů v atomu Jelikož nelze určit polohu ani rychlost elektronu, zavádíme pojem atomový orbital: oblast prostoru, v níž je souhrnná pravděpodobnost výskytu elektronu větší než 99%. Tvar i konkrétní rozložení hustoty pravděpodobnosti v orbitalu je různé a liší se podle kvantového stavu, v němž se elektron vyskytuje.

Stavba elektronového obalu: Prostorové rozložení elektronů v atomu Jelikož nelze určit polohu ani rychlost elektronu, zavádíme pojem atomový orbital: oblast prostoru, v níž je souhrnná pravděpodobnost výskytu elektronu větší než 99%. Tvar i konkrétní rozložení hustoty pravděpodobnosti v orbitalu je různé a liší se podle kvantového stavu, v němž se elektron vyskytuje.

Stavba elektronového obalu: Prostorové rozložení elektronů v atomu Jelikož nelze určit polohu ani rychlost elektronu, zavádíme pojem atomový orbital: oblast prostoru, v níž je souhrnná pravděpodobnost výskytu elektronu větší než 99%. Tvar i konkrétní rozložení hustoty pravděpodobnosti v orbitalu je různé a liší se podle kvantového stavu, v němž se elektron vyskytuje.

Obrázky, animace a videa použité v prezentacích E-učitel jsou buď originálním dílem autora, nebo byly převzaty z volně dostupných internetových stránek.