Soubor prezentací: CHEMIE PRO I. ROČNÍK GYMNÁZIA

Prezentace na téma: "Soubor prezentací: CHEMIE PRO I. ROČNÍK GYMNÁZIA"— Transkript prezentace:

1 Soubor prezentací: CHEMIE PRO I. ROČNÍK GYMNÁZIA
CH03. Stavba atomu – ATOMOVÉ JÁDRO Mgr. Aleš Chupáč, RNDr. Yvona Pufferová Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o. Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/ s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 Vývoj názorů na stavbu atomu
Demokritos a Leukipos (atomisté, Staré Řecko, 5. st. př.n.l.) hmota se skládá z  dále nedělitelných částeček = atomů (řec. atomos = nedělitelný) všichni vzdělaní Řekové však nepřijali tuto teorii Aristoteles, tehdy uznávaný největší filozof ji zavrhl, a tak upadla v zapomenutí až do zač. 19. století obr. č. 1 Demokritos

3 John Dalton Atomová teorie = každý z prvků se skládá z nesmírně malých, dále nedělitelných, stejných atomů (je tolik prvků kolik je různých atomů) obr. č. 2 John Dalton ( ) - anglický chemik

4 Joseph John Thomson (1856 – 1940) – anglický fyzik
na základě katodové emise, vyvrátil atomovou teorii objev elektronu protože atom je elektroneutrální, musí v něm mimo záporně nabitých elektronů být částice se stejně velkým nábojem kladným obr. č. 3 J.J. Thomson

5 Thomsonův „pudinkový model“
Thomsonův pudingový (statický) model atomu = atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony. - + - + kladně nabitá hmota elektron s záporným nábojem - - - obr. č. 4 Thomsonův model atomu

6 Ernest Rutherford (1871 – 1937) - anglický fyzik
Thomsonovu teorii vyvrátil na základě rozptylu radioaktivního záření α při průchodu tenkou zlatou fólií obr. č. 5 E. Rutherford obr. č. 6 Rutherfordův model

7 Rutherfordův planetární model
atom přirovnává ke sluneční soustavě atom skládá z kladně nabitého jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony v kruhových drahách obdobně jako planety obíhají Slunce nedostatek = kroužící elektron by ztrácel energii a zanikl by dopadem na jádro obr. č. 7 Ruthefordův model atomu

8 James Chadwick (1891 - 1974) - anglický fyzik
potvrdil Rutherfordův předpoklad, že v jádře existují i elektricky neutrální částice s hmotností přibližně rovnou hmotnosti protonu za objev neutronu dostal Nobelovu cenu obr. č. 8 J. Chadwick

9 ÚKOL ÚKOL 1. S využitím webové stránky připravte základní informace o historii poznání elementárních částic atomu. ÚKOL 2. Připravte krátkou charakteristiku o kvarcích.

10 Niels Bohr (1885 –1962) - dánský fyzik 1913) Bohrův model atomu
vysvětlil nedostatek Rutherfordova modelu pomocí kvantové teorie (zakladatel Max Planc, z r. 1900) emise či absorpce záření je nespojitá = skoková k emisi elektromagnetického záření dochází ve formě malých dále nedělitelných částí – kvant obr. č. 9 N. Bohr obr. č. 10 Bohrův model

11 Bohrův model atomu (I. kvantově mechanický model atomu):
elektrony obíhají atomové jádro jen na některých dovolených drahách elektrony při pohybu nevyzařují energii (vyzařování energie není spojité) energie může být vyzářena, resp. přijata, pouze při přechodu elektronu z jedné dráhy na druhou obr. č. 11 Bohrův model

12 Niels Bohr definoval 3 principy (postuláty):
elektrony se pohybují po stacionárních drahách (kružnicích) = orbitech pohyb elektronů na těchto drahách není spojen s vyzařováním elmag. záření, tzn. elektron v atomu může existovat jen ve stavech s určitou energií přemístění elektronu z jedné dráhy na druhou je spojeno s vyzářením n. pohlcením této energie ve formě kvant (fotonů)

13 Arnold Sommerfeld (1868 -1951) německý fyzik průkopník rozvoje
atomové a kvantové fyziky obr. č. 12 A. Sommerfeld

14 Arnold Sommerfeld II. kvantově mechanický model = zpřesňuje první model – elektrony se pohybují po drahách kruhových i eliptických, které jsou různě orientovány v prostoru obr. č II. Kvantově mechanický model atomu

15 Kvantově mechanický model atomu
2 principy: dualismus částic -elektron má mechanické i vlnové vlastnosti  korpuskulárně vlnový dualismus(fr. fyzik Louis-Victor de Broglie, 1924) . princip neurčitosti (německý fyzik Werner Heisenberg, 1927).Není možné určit přesný popis dráhy elektronu v atomu, jen pravděpodobný výskyt. Stav částice je vyjádřena pomocí veličiny vlnové funkce  a je možné je vypočítat pro zvláštní stavy podle Schrödingerovy rovnice. Oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu elektronu – orbital. Orbital a vlastnosti vlnové funkce charakterizují kvantová čísla.

16 Pozitron pozitron = kladný elektron
v r objeven v kosmickém záření byla tím potvrzena Diracova myšlenka, že ke každé částici existuje antičástice s opačným znaménkem náboje a s zrcadlově symetrickými vlastnostmi

17 Atom částice chemické látky, která se skládá z jádra a obalu
obr. č. 14 Atom

18 Model atomu - + + + - - Atom Obal Jádro obal jádro Proton - kladný
Model atomu helia Atom jádro obal Elektron Obal - + Neutron Proton + Náboje jednotlivých částic + Proton - kladný - Neutron – bez náboje Jádro - Elektron - záporný obr. č. 15 Stavba atom

19 Jádro tvořeno protony s kladným nábojem (p+)
a neutrony bez náboje (n°) = nukleony je zde soustředěna většina hmotnosti atomu (99,9 % ) velikost: 10–15 m (velikost atomu 10–10 m) v jádře působí jaderné síly, které jsou pouze přitažlivé a působí mezi nukleony bez ohledu na jejich elektrický náboj obr. č. 16 Jádro atomu

20 Složení jádra protony klidová hmotnost m = 1,67310-27 kg
obr. č. 17 Proton protony klidová hmotnost m = 1,67310-27 kg náboj Q = +1,60210-19 C neutrony klidová hmotnost m = 1,67510-27 kg náboj Q = 0 C proton: dva kvarky u a jeden kvark d. obr. č. 18 Neutron neutron: dva kvarky d a jeden kvark u.

21 Protonové (atomové) číslo
Popis atomu Atom libovolného prvku je možno popsat pomocí nukleonového a protonového čísla: Protonové (atomové) číslo udává počet protonů v jádře atomu prvku X. Nukleonové číslo udává počet nukleonů v jádře atomu prvku X. X A Z Obecné označení prvku Počet neutronů v jádře atomu stejného prvku může být různý; (izotopy daného prvku). Počet protonů v jádře atomu stejného prvku je vždy stejný; u elektroneutrálního atomu udává Z i počet elektronů.

22 Popis složení jádra Protonové číslo Z – udává počet protonů, jednoznačně určuje druh atomu; zápis: 11Na (dolní index) Nukleonové (hmotnostní) číslo A (A = Z+N) – udává počet protonů a neutronů; zápis: 23Na (horní index) Neutronové číslo N (N=A-Z) – udává počet neutronů (u značky se neuvádí)

23 Dělení atomů podle Z a A Prvek – látka složená s atomů se stejným
protonovým číslem atomy stejných prvků (mají stejná protonová čísla): nuklidy = mají stejné i nukleonové číslo ( ) izotopy = mají různé nukleonové číslo ( nebo 1735Cl, 1737Cl) mají stejné chemické, ale různé fyzikální vlastnosti (např. hmotnost, teplota varu..)

24 Izotopy jsou atomy se stejným protonovým číslem, ale odlišným nukleonovým číslem - liší se počtem neutronů izotopy vodíku 12H0 11H0 13H0 + - - + + - lehký vodík deuterium tritium obr. č. 19 Izotopy vodíku

25 Dělení atomů podle Z a A Prvek – látka složená s atomů se stejným protonovým číslem atomy různých prvků (mají různá protonová čísla): izobary = mají stejné nukleonové číslo ( ) izotony = mají stejné neutronové číslo ( )

26 Počet protonů v jádře je shodný s počtem elektronů v obalu
PAMATUJTE SI Počet protonů v jádře je shodný s počtem elektronů v obalu  atom je elektroneutrální ! obr. č. 20 Atom

27 24He+I 24He-I Kladný a záporný ion + -
Kation = více kladně nabitých částic (protonů) než záporně nabitých částic (elektronů) Anion = méně kladně nabitých částic (protonů) než záporně nabitých částic (elektronů) - - + + + + - 24He+I 24He-I - + - obr. č. 21 Ionty

28 Stabilita jádra vazebná energie jádra = energie uvolněná při vzniku jádra (= hodnota energie, kterou je nutno dodat k jeho rozštěpení) čím více se energie uvolní při vzniku jádra, tím je stabilnější nejvíce energie uvolní jádro Fe (za extrémních podmínek ve středu Země)…je nejstabilnější

29 Stabilita jádra důležitým faktorem, který rozhoduje, zda bude nuklid stabilní či ne je poměr N/Z stabilní jsou prvky s poměrem N:Z = 1 (pro Z ≤ 20) a N:Z = 1 – 1,5 (pro Z  20) málo stabilní prvky: lehké prvky (He, C, O) …termonukleární reakce; těžké prvky…rozpadají se na lehčí…jaderné reakce, …radioaktivita

30 ÚKOL Vyhledejte informace o vědci: Marie Curie – Sklodowská * základní životopisné údaje, * které objevy proslavily tuto vědkyni, * znáte knihu „Tvrdohlavá Marie“ … popisuje její život, určitě stojí za to …

31 Přirozená radioaktivita
Radius = paprsek, activus = činný radioaktivita je schopnost nestabilního atomového jádra přeměnit se na jiné stabilnější atomové jádro za současného uvolnění radioaktivního záření obr. č. 22 Radioaktivita

32 Antoine Henri Becquerel
objevil v r. 1896 přirozenou radioaktivitu (fr. fyzik) pozoroval záření uranu v jáchymovském smolinci (tento jev nazvali radioaktivitou až manželé Curieovi v r. 1898) obr. č. 23 A.H.Becquerel

33 Marie Curie-Sklodowská (1867-1934)
Profesorka na Sorbonně Nobelovy ceny: 1903 za fyziku zkoumání radiačních jevů 1911 za chemii za objev radia a polonia obr. č Marie Curie-Sklodowská

34 Emitované záření je trojího druhu
proud letících atomových jader helia ( ) záření  proud rychle letících elektronů (e-) nebo pozitronů (e+ - antihmota k elektronu) záření  elektromagnetické vlnění obr. č Typy záření

35 Typy záření obr. č Záření v magnetickém poli

36 Záření  záření  proud letících atomových jader helia ( )
velká kinetická energie silné ionizační účinky malá pronikavost, vychylují se v elektrickém i magnetickém poli obr. č Záření 

37 Záření  záření  proud rychle letících elektronů (e-) nebo pozitronů (e+ - antihmota k elektronu) stokrát pronikavější než  záření vychyluje se v elektrickém i magnetickém poli obr. č Záření 

38 Záření  záření  elektromagnetické vlnění (nevychyluje se)
nejpronikavější má silné ionizační účinky důsledku fotoefektu uvolňuje z látek nabité částice neexistuje samostatně, ale doprovází vždy záření  a  obr. č Záření 

39 Pronikavost záření obr. č Pronikavost záření

40 Radioaktivní přeměny Nestabilní jádro se přemění na jiné a na jádro helia. Zářiče alfa jsou např. 235U, 238U, 234U, 241Am, 222Rn, 226Ra V jádře atomu se přemění neutron na proton za současného vyzáření elektronu a antineutrina. Zářičem beta minus je např. tritium, 40K, 234Th, 210Pb. Zářičem beta plus (vyzáření pozitronu -antielektronu) je např. 52Mn, 11C. Nestabilní, excitované jádro přechází do stavu s nižší energií vyzářením fotonu - kvanta elektromagnetické energie. Částice gama je elektromagnetické vlnění s velmi krátkou vlnovou délkou. obr. č Radioaktivní přeměny

41 4 druhy radioaktivních přeměn
Jaderné rovnice přeměna  - nastává u velmi těžkých jader přeměna + - nastává u jader, kde je více protonů než neutronů přeměna - - nastává u jader, kde je více neutronů než protonů animace

42 4 druhy radioaktivních přeměn
záchyt elektronů – nastává u jader, které mají více protonů než neutronů – na prázdné místo po elektronu přejde elektron z vyšší slupky (o vyšší energii) a přebytek energie se vyzáří ve formě Roentgenova záření (silně pronikavé, vzniká tedy v elektronovém obalu)

43 4 druhy radioaktivních přeměn
přeměna  - radioaktivní rozpad je doprovázen zářením γ tehdy, když produkt rozpadu není ve svém základním stavu a přebytek energie vyzáří zářením (záření γ vzniká v jádře)

44 Umělá radioaktivita existuje u radionuklidů připravených uměle jadernými reakcemi objevili ji r manželé Frédéric a Iréne Joliot-Curieovi při ostřelování hliníku částicemi  vznikající nuklid fosforu v přírodě neexistuje, je zářičem + s poločasem rozpadu T=130s radioaktivní fosfor se dále rozpadá za vzniku křemíku

45 Irène Curie a Frédéric Joliot
objevili v r. 1934 umělou radioaktivitu obr. č Irène Curie a Frédéric Joliot

46 Zákon radioaktivního rozpadu
pro všechny druhy radioaktivního rozpadu platí zákon radioaktivního rozpadu: N0…počáteční počet atomů radionuklidu N…počet atomů radionuklidu v čase t λ…přeměnová (rozpadová) konstanta

47 Měření radioaktivity nejčastěji tzv. poločas rozpadu:
doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění právě polovina (čas potřebný k rozpadu poloviny původního počtu radioaktivních jader) Po…3·10-7s, 222Rn…4 dny; Ra…1590 let, 235U…7.1·108 let, 14C…5730 let

48 Poločas rozpadu obr. č Poločas rozpadu

49 Rozpadové řady rozpadem atomového jádra nemusí vzniknout stabilní prvek, ale zase radioaktivní, jenž se dále rozpadá – tak se vytváří tzv. rozpadové řady uranová U → 206Pb (přírodní) aktinouranová U → 207Pb (přírodní) thoriová Th → 208Pb (přírodní) neptuniová Np → 209Bi (umělá)

50 obr. č Rozpadové řady

51 Jaderná reakce je přeměna atomových jader, která může probíhat samovolně nebo být vyvolaná působením jiného jádra nebo částice (včetně fotonu) dochází při ní jak ke změně struktury zúčastněných jader, tak ke změně jejich pohybového stavu

52 1.Štěpné jaderné reakce je jaderná reakce, při níž dochází k rozbití těžkého jádra nestabilního atomu na dvě menší neutronem za uvolnění velkého množství energie objev v roce 1938 (Hahn a Strassman) uvolněné neutrony mohou štěpit další jádra a proběhne řetězová reakce až výbuch  23592U + 10n   14456Ba + 8936Kr + 3 10n obr. č Štěpná reakce

53 Řetězové reakce Neřízená reakce – zreagují všechny vzniklé neutrony, reakce končí výbuchem tzv. atomové bomby. výroba nukleárních zbraní k tomu se používají izotopy 235U, 233U, 239Pu. Řízená reakce - zreaguje pouze 1 neutron v jaderných elektrárnách

54 Štěpná jaderná reakce +energie 3692Kr Schéma štěpné jaderné reakce
56141Ba 92235U 92235U +energie 92235U 38Sr 56141Ba 54Xe obr. č Štěpná reakce

55 Štěpná jaderná reakce 1. První štěpení, vzniknou dva rychlé neutrony 2. Rychlé neutrony se zpomalí srážkami v moderátoru 3. Štěpení uranu, další generace rychlých neutronů 4. Zpomalení neutronů, jeden je moderátorem pohlcen 5. Další štěpení a pokračování řetězové reakce obr. č Štěpná reakce

56 ÚKOL Havárie v Černobylu Na internetu vyhledej webovou stránku
* zhlédni uvedené video, * vyhledej základní informace o této havárii (datum, příčina, dnešní stav) a připrav si krátký referát.

57 2. Termonukleární reakce (jaderná syntéza)
ze dvou lehčích jader vzniká jádro lehčí za uvolnění energie probíhá při vysokých teplotách 11H + 21D 32He tyto reakce jsou zdroje zářivé energie Slunce a hvězd obr. č Termonukleární reakce

58 3. Transmutace jader bombardováním určitých jader částicemi o velké energii vzniká nové jádro protonové a nukleonové číslo nového prvku se od původního liší minimálně 1. reakce E. Rutherford v roce 1919 147N + 42He   178O + 11p obr. č Transmutace jader

59 Využití radioaktivity v praxi
radiokarbonové datování = v paleontologii nebo archeologii, podle obsahu radionuklidu 14C lze určit stáří organismů (za života se jeho obsah nemění, ale po smrti dochází k jeho rozpadu) , poločas přeměny je 5700 let radioterapie - léčení některých nemocí zářením radionuklidů. Nádorové buňky jsou citlivější než ostatní živé buňky těla, ionizující záření a vhodná přesně směrovaná dávka ozáření může zhoubné nádory zničit.

60 Využití radioaktivity v praxi
radiodiagnostika -metoda značených atomů (tzv. markerů) = radionuklid se chemicky chová stejně jako jeho stabilní izotop a lze sledovat jeho cestu v rostlinách a živých organismech, radionuklidy v orgánech mohou indikovat přítomnost zhoubných (rakovinných) buněk; i pro zjišťování skrytých vad materiálů ozařování - potraviny, např. ovoce, zelenina nebo maso, mohou být ošetřovány gama zářením. Ozáření zpomaluje dozrávání ovoce a zeleniny, ničí bakterie v mase, a udržuje tak potraviny déle čerstvé.

61 Výstražné symboly Mezinárodní výstražný symbol,
označující radioaktivní materiál Nový doplňkový výstražný symbol ionizujícího záření schválený dne 15. února 2007 obr. č Výstražné symboly

62 1. řízená řetězová reakce - řešení
První řízenou řetězovou reakci s použitím moderátoru provedl italský fyzik Enrico Fermi 2. prosince 1942 pod stadionem Chicagské univerzity.

63 1. jaderná bomba -řešení byla poprvé vyvinuta ve Spojených státech v rámci vojenského projektu Manhattan, který probíhal v laboratořích v Los Alamos za vedení Roberta Jacoba Oppenheimera. Výsledkem projektu byl první pokusný jaderný výbuch, který proběhl 16. července 1945 v poušti White Sands poblíž města Alamogordo.

64 Nagasaki - Hirošima Další vyrobené bomby Little Boy a Fat Man byly o několik týdnů později svrženy z bombardérů B-29 na japonská města Hirošimu a Nagasaki. Letoun B-29 Enola Gay svrhl 6. srpna 1945 v 8.16 na Hirošimu uranovou jadernou pumu s ekvivalentem mezi 13 a 18 kilotunami TNT. Letoun B-29 Bock's Car svrhl 9. srpna 1945 v plutoniovou bombu na Nagasaki. Obě pumy zabily okamžitě zhruba lidí a dalších umíralo na následky výbuchu v dalších letech.

65 Nagasaki obr. č Nagasaki

66 Černobyl versus…? Srovnatelná je pouze havárie elektrárny Fukušima I v Japonsku v březnu 2011.

67 Použité informační zdroje
Obrázky obrázky [4, 15, 19, 21, 36 ] autorka [1] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [2] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [3] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [5] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [6] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [7] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [8] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [9] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [10] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [11] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [12] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [13] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [14] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [16] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [17] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [18] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [20] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [22] [online]. [cit ]. Dostupné z www: 67

68 Použité informační zdroje
Obrázky [23 ] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [24] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [25] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [26] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [27] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [28] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [29] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [30] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [31] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [32] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [33] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [34] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [35] [online]. [cit ]. Dostupné z www:

69 Použité informační zdroje
Obrázky [37] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [38] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [39] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [ 40] [online]. [cit ]. Dostupné z www: [41] [online]. [cit ]. Dostupné z www: Literatura MAREČEK, A., HONZA , J. Chemie pro čtyřletá gymnázia. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 1998. ISBN VACÍK, Jiří. Přehled středoškolské chemie. Praha: Státní pedagogické nakladatelství Praha, ISBN KOVALČÍKOVÁ, Tatiana. Obecná a anorganická chemie: studijní text pro SPŠCH. 3., upr. vyd. Ostrava: nakladatelství Pavel Klouda, 2004, 118 s. ISBN

70 Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/ s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.