Atomová a jaderná fyzika

Prezentace na téma: "Atomová a jaderná fyzika"— Transkript prezentace:

1 Atomová a jaderná fyzika
Otázky k tématu 2

2 Téma 2 - obsah ATOMOVÁ FYZIKA
2.část – kvantová teorie atomu vodíku, víceelektronové atomy a molekuly Řešení SR pro atom vodíku Víceelektronové atomy Interakce atomů

3 Otázky a úkoly Téma II. A – kvantový popis atomu vodíku
Napište tvar SR rovnice pro atom vodíku a uveďte základní výsledky jejího řešení. Vysvětlete pojem atomový orbital (AO). Jakými způsoby je možno znázornit AO, uveďte tvar orbitalů s, p a d. Uveďte jednotlivá kvantová čísla používaná pro popis stavu elektronu v atomu, uveďte jejich dovolené hodnoty a kvantovací vztahy pro příslušné fyzikální veličiny. Uveďte experimenty, které vedly k zavedení spinu. Stručně tyto experimenty popište a shrňte jejich výsledky.

4 Otázky a úkoly Téma II. B – vliv vnějších polích a vnitroatomových interakcí na spektrum atomu Vysvětlete, co to je Zeemanův jev, za jakých podmínek a proč k tomuto jevu dochází. Vysvětlete, co to je Starkův jev, za jakých podmínek a proč k tomuto jevu dochází. Uveďte přehled interakcí, které je nutno vzít v úvahu pro zpřesnění popisu spekter atomů.

5 Otázky a úkoly Téma II. C – kvantový popis atomů s více elektrony a systém prvků Objasněte v čem spočívá hlavní problém při popisu víceelektronového atomu, jak se tento problém řeší. Uveďte jednotlivé principy výstavby elektronového obalu atomu. Vysvětlete jak se tyto principy v atomu uplatňují. Vysvětlete symboliku zápisu elektronové konfigurace atomu a popište postup při určování této konfigurace. Objasněte podstatu periodického systému prvků a vysvětlete uspořádání atomů prvků v tomto systému.

6 Otázky a úkoly Téma II. D – interakce mezi atomy – kvantový popis molekul Uveďte podmínky vzniku chemické vazby. Objasněte podstatu iontové a kovalentní vazby. Uveďte hlavní myšlenky a výsledky metody valenční vazby. Uveďte třídění vazeb podle polarity a podle lokalizace vazebných elektronů. Srovnejte spektrum molekuly se spektrem atomu. Objasněte vznik elektronového, vibračního a rotačního spektra.

7 Otázky a úkoly 1. Napište tvar SR rovnice pro atom vodíku a uveďte základnívýsledky jejího řešení. Vysvětlete pojem atomový orbital (AO). Napište SR rovnici v kartézských souřadnicích (viz např. kap.1.3, str. 62, 1.díl) – vysvětlete význam symbolů Napište SR ve sférických souřadnicích (tamtéž) – popište vztah ke kartézským souřadnicím, jak se změní tvar operátorů v rovnici, proč řešíme SR ve sférických souřadnicích? Tvar řešení SR – vysvětlete pojmy angulární a radiální část vlnové funkce, atomový orbital (viz např. kap.1.3, str. 63, 1.díl). Čím je určen konkrétní atomový orbital?

8 Otázky a úkoly 2. Jakými způsoby je možno znázornit AO, uveďte tvar orbitalů s, p a d. Způsob znázornění radiální částí (viz např. kap.1.3.2, str.66, 1.díl) Způsob znázornění angulární části (viz např. kap.1.3.2, str.67, 1.díl) Způsoby znázornění celých atomových orbitalů (viz např. kap.1.3.2, str.67, 1.díl) Proč a jak se zavádí reálné atomové orbitaly? Tvary orbitalů s, p, d – viz prostorové modely v prezentaci k tématu II. nebo také

9 Otázky a úkoly 3. Uveďte jednotlivá kvantová čísla používaná pro popis stavu elektronu v atomu, uveďte jejich dovolené hodnoty a kvantovací vztahy pro příslušné fyzikální veličiny. Kvantová čísla popisující stav elektronu v atomu (určení AO a spinu), viz . např. kap , str Jak se jednotlivá kvantová čísla nazývají a značí? Jakých číselných hodnot mohou tato čísla nabývat (vztah k hodnotám ostatních kvantových čísel), alternativní značení (písmeny, symboly) těchto hodnot ? S kterou konkrétní fyzikální veličinou jsou jednotlivá čísla vázána (číslování dovolených hodnot této veličiny), uvedení kvantovacího vztahu pro výpočet dovolené hodnoty fyz. veličiny z hodnoty kvantového čísla? Vysvětlete pojmy slupka, podslupka, hodnotami kterých čísel jsou určeny slupka, podslupka, atomový orbital, spinový stav elektronu a (celkový) stav elektronu v atomovém obalu.

10 Otázky a úkoly 4. (viz. např. kap.1.3.3, str. 69, 1.díl)
Uveďte experimenty, které vedly k zavedení spinu. Stručně tyto experimenty popište a shrňte jejich výsledky. (viz. např. kap.1.3.3, str. 69, 1.díl) Sternův - Gerlachův experiment, viz např. kap.1.3.4, str. 69, 1.díl, cíl experimentu, princip experimentu (uspořádání), výsledky experimentu Einsteinův – de Haasův experiment, viz např. kap.1.3.5, str. 73, 1.díl, cíl experimentu, princip experimentu (uspořádání), výsledky experimentu Formulujte Uhlenbeckovu-Goudsmitovu hypotézu, viz. např. str. 72, 1.díl., jak vysvětluje výsledky předchozích experimentů? Jakých hodnot může nabývat velikost a z-ová komponenta orbitálního a vlastního momentu hybnosti (rozmysli např. dle str. 64 – 65, 1.díl) či magnetického momentu elektronu (např. na základě str.73-75, 1.díl)? Definujte pojmy gyromagnetický poměr (str.73., 1. díl) a Landého faktor (str.74 , 1.díl), kdy nabývájí normální a kdy anomální hodnoty, jakých hodnot nabývá v případě celkových momentů atomu (str.90, 1.díl).

11 Otázky a úkoly 5. Vysvětlete co to je Zeemanův jev, za jakých podmínek a proč k tomuto jevu dochází. (viz kap.1.4.2, str. 86, 1.díl a 1.4.4, str. 87, 1.díl) Připomeňte si vztah energetického a elektromagnetického spektra. Proč dochází po vložení atomu do magnetického pole ke změnám ve spektru, na kolik hladin se rozštěpí původní energetická hladina (celkový moment hybnosti atomu určen kvantovým číslem J)? Napište vztah pro dodatečnou energii atomu – energii magnetického dipólu atomu v mag. poli. Jak určíme magnetický moment atomu na základě znalosti kvantových čísel J, L a S, jejichž hodnoty určují velikosti celkového momentu hybnosti atomu, celkového orbitálního momentu hybnosti atomu a celkového vlastního momentu hybnosti atomu (celkový spin)? (např. na základě kap.1.4.5, str.88, 1.díl)

12 Otázky a úkoly 6. Vysvětlete co to je Starkův jev, za jakých podmínek a proč k tomuto jevu dochází. (viz kap.1.4.2, str. 86, 1.díl a 1.4.3, str. 86, 1.díl) Připomeňte si vztah energetického a elektromagnetického spektra. Proč dochází po vložení atomu do elektrického pole ke změnám ve spektru, proč se atom polarizuje? Napište vztah pro dodatečnou energii atomu – energii elektrického dipólu atomu v el. poli. Jak určíme hodnotu indukovaného elektrického momentu atomu, co je to polarizovatelnost?

13 Otázky a úkoly 7. Uveďte přehled interakcí, které je nutno vzít v úvahu pro zpřesnění popisu spekter atomů (viz kap.1.4.6, str. 91, 1. díl). Zbytková interakce, též korelační interakce, podstatná pro víceelektronové atomy (str.92, 1.díl). Relativistické korekce, jednočásticové kvantově-relativistické korekce na bázi Diracovy teorie (str.92, 1.díl). Relativistické korelační korekce, další kvantově-relativistické korekce ve víceelektronových atomech (str.93, 1.díl). Korekce ovlivněné vlastnostmi atomového jádra, v atomech je nutné uvážit kromě dominantní elektrostatické interakce elektronů s jádrem atomu též další korekce spojené s přítomností jádra (str.94, 1.díl). Korekce kvantové teorie pole, přesný kvantově-relativistický popis založen na kvantové teorii polí (str.95, 1.díl).

14 Otázky a úkoly 8. Objasněte v čem spočívá hlavní problém při popisu víceelektronového atomu, jak se tento problém řeší (viz např. kap.1.4. str a prezentace k tématu II.). Sestrojte SR pro atom s n (nebo alespoň se 2) elektrony, hamiltonián obsahuje jednotlivé členy, které odpovídají kinetickým energiím jednotlivých částic (jen elektrony, těžké jádro je téměř v klidu – jeho kin. energii zanedbáme) a elektrostatické interakce (coulombické potenciály) mezi částicemi (jádro a elektrony), vlnová funkce v SR je funkcí všech n polohových vektorů. Jaký tvar musí mít člen popisující interakci částic, aby bylo možné SR pro n částic převést na n rovnic pro jednu částici (separace SR). Který interakční člen brání separaci SR pro atom s více elektrony? Co to je to efektivní potenciál, vysvětlete pojem zbytková interakce.

15 Otázky a úkoly 9. (viz např. kap.1.4.1, str.81, 1.díl)
Uveďte jednotlivé principy výstavby elektronového obalu atomu. Vysvětlete jak se tyto principy v atomu uplatňují. (viz např. kap.1.4.1, str.81, 1.díl) Princip minima energie, Pauliho vylučovací princip, Hundovo pravidlo maximální multiplicity, Madelungovo pravidlo n + l Uveďte obecné znění každého principu či pravidla Jak se jednotlivá pravidlo uplatní při výstavbě elektronového obalu atomu, popište, uveďte příklady zápisu elektronové konfigurace. Uveďte pořadí podslupek podle pravidla n+l (viz též výstavbový trojúhelník), kolik orbitalů a elektronů může být v dané podslupce (s, p, d, f) – zdůvodněte.

16 Otázky a úkoly 10. Vysvětlete symboliku zápisu elektronové konfigurace atomu a popište postup při určování této konfigurace. (viz např. str.82-84, 1.díl) Objasněte Paschenovu symboliku (str.83., 1.díl). Co to je základní a co excitovaný stav atomu, jak se liší konfigurace atomu v těchto stavech, uveďte příklady zápisů konfigurací zákl. a excit. stavů pro vybrané atomy. Jaké varianty zápisu konfigurace se používají (vyznačení obasezení orbitalů a spinových stavů, zkrácený zápis pomocí konfigurace vzácného plynu)? Je konfigurace zapsaná podle pravidle n+l vždy správně?

17 Otázky a úkoly 11. Objasněte podstatu periodického systému prvků a vysvětlete uspořádání atomů prvků v tomto systému. (např. na základě kap , str. 81, 1. díl a s pomocí podrobné periodické tabulky) Vysvětlete čím je dáno pořadí atomů jednotlivých prvků v periodickém systému (protonové číslo –počet protonů - počet elektronů). Vysvětlete čím je dáno uspořádání atomů do period (popř. i cyklů). Proč mívají atomy ve skupinách pod sebou podobné chemické vlastnosti (analogické obsazení posledních tzv. valenčních slupek.) Načrtněte schéma periodické tabulky a popište periody, rozdělení prvků do skupin (jak to souvisí s elektronovou konfigurací), co to jsou s prvky, p prvky, d prvky a f prvky, jak souvisí s pojmy prvky hlavní skupiny, přechodné prvky a vnitřně přechodné prvky, uveďte názvy významných skupin prvků. Tabulky na webu: zde

18 Otázky a úkoly 12. Uveďte podmínky vzniku chemické vazby. Objasněte podstatu iontové a kovalentní vazby. (viz např. kap.1.5 a 1.5.1, str. 99 – 103, 1. díl) Co to je chemická vazba – čím se liší od vazby prostřednictvím slabých mezimolekulových interakcí, co s nimi má společné (str. 99, 1.díl.) Podmínka rovnováhy a stability - obecná slovní a matematická formulace. Příklad formulace pro případ dvouatomové molekuly, vysvětlete také na náčrtku grafu potenciální energie, vyznačte vazebnou energii a délku vazby. (str , 1.díl) Vysvětlete původ odpudivých sil mezi atomy (viz např. str.101, 1.díl ). Vysvětlete podstatu iontové vazby a původ přitažlivých sil v jejím případě (např. str. 104, 1.díl). Vysvětlete podstatu (nepolární) kovalentní vazby a původ přitažlivých sil v ní (viz. např. str. 104, 1.díl – nepolární vazba ). Lze ji popsat jen pomocí kvantové teorie např. pomocí metody valenční vazby se započtením principu nerozlišitelnosti (viz např. str. 110) - formulujte tento princip a vysvětlete jeho význam zejména v souvislosti s pojmem výměnná interakce (viz např. str. 112, 1. díl).

19 Otázky a úkoly 13. Uveďte hlavní myšlenky a výsledky metody valenční vazby. (kap , str , 1.díl) Co je to molekulový orbital (MO), v jakém tvaru jej (a proč) hledá metoda valenční vazby pro molekulu vodíku? Formulujte princip nerozlišitelnosti, jak se uplatní při konstrukci tvaru MO, co musí MO splňovat. Z kterých dvou členů se skládá interakční (resp. potenciální ) energie atomů. Který člen je podstatný pro vznik vazby? Kde hledat původ Coulombického a kde výměnného členu? Načrtněte graf potenciální energie molekuly vodíku řešené metodou valenční vazby (bez aplikace principu nerozlišitelnosti a také pro vazebný a antivazebný orbital v případě započtení výměnné interakce).

20 Otázky a úkoly 14. Uveďte třídění vazeb podle polarity a podle lokalizace vazebných elektronů. Třídění vazeb dle polarity (čistě kovalentní, semipolární, iontová), viz. např. kap.1.5.2, str. 103, 1.díl Jak poznáme, v blízkosti kterého atomu (přesněji jeho atomového jádra) v molekule se budou elektrony vyskytovat (přesun záporný náboje). Proč není polarizovaná homonukleární molekula? Třídění vazeb dle lokalizace vazebných elektronů (viz. např. kap.1.5.3, str. 105, 1.díl Jsou skutečně v některých případech konkrétní elektrony lokalizovány pouze v blízkosti spojnice dvou atomů ?

21 Otázky a úkoly 15. (viz např. kap. 1.5.5, str. 112, 1.díl)
Srovnejte spektrum molekuly se spektrem atomu. Objasněte vznik elektronového, vibračního a rotačního spektra. (viz např. kap , str. 112, 1.díl) Čím se liší elektronové energetické spektrum atomu a molekuly Jaké pohyby mohou vykonávat jádra v molekule? Kterými částmi je tvořeno energetické spektrum molekuly – doplňte náčrtkem postupného štěpení elektronových hladin při vibraci a rotaci molekuly. Srovnejte vzdálenosti blízkých hladin v jednotlivých spektrech. Jaký charakter mají odpovídající elektromagnetická spektra - v kterých částech celkového elmg. spektra je pozorujeme (UV, viditelné, IČ) Uveďte vztahy pro rotační a vibrační spektrum dvouatomové molekuly (včetně objasnění symbolů), stručně tyto vztahy zdůvodněte (viz např. kap.1.5.6, str. 114 a 1.5.7, str. 115, 1.díl).

22 Test z T2 Hodně úspěchů v dalším testu.