Transcript 3.stavba_atomu.

stavba atomu
atom se skládá z jádra a elektronového obalu
Milan Haminger - BiGy
stavba atomu
 planetární model atomu
ve středu každého atomu je kladně nabité jádro, jež je nositelem
prakticky celé hmotnosti atomu. Elektrony, které kompenzují
kladný náboj jádra, se pohybují po kruhových drahách
v prostoru kolem jádra a vytvářejí tak elektronový obal atomu.
 navenek je atom elektroneutrální
 průměr celého atomu je asi 10-10 m, zatímco průměr atomového
jádra, v němž je soustředěno 99,99% hmotnosti každého
atomu, odpovídá pouze 10-15 až 10-14 m.
stavba atomu - atomové jádro I
základní charakteristiky jádra
 nukleony = protony a neutrony
 protonové - atomové - číslo Z
 vlastnosti protonového čísla
 udává počet protonů v jádře
 jeho hodnota odpovídá počtu elektronů v obalu
 protonové číslo jednoznačně charakterizuje každý prvek
 rozhoduje o jeho postavení v periodické soustavě prvků
 odtud také pochází definice prvku jako chemického individua
tvořeného z atomů o stejném protonovém čísle
 nukleonové -hmotnostní číslo- A
udává celkový počet nukleonů v jádře, tj. součet počtu protonů Z a
počtu neutronů N :
A=Z+N
rozdíl A - Z tedy udává počet neutronů v jádře atomu prvku
stavba atomu - atomové jádro II
 složení atomového jádra prvku se zkráceně vyjadřuje symbolem
určitého prvku X, k němuž se vlevo dole umisťuje index, udávající
hodnotu protonového čísla Z a vlevo nahoře index, odpovídající
hodnotě nukleonového čísla :
A
Z
X
stavba atomu - neutrony
sir James Chadwick 1891 - 1974
 studiem částic α - jádra atomů helia - bylo zjištěno, že mají
va kladné náboje a relativní hmotnost blízkou čtyřem
 existence vodíku, jehož jádro je podstatně lehčí - relativní hmotnost
se rovná jedné a obsahuje jeden kladný náboj -, vedla k logickému
závěru, že na výstavbě atomového jádra se podílejí částice totožné
s jádry atomů vodíku, tj. protony
 z existence tzv. těžkého vodíku, deuteria, o dvojnásobné hmotnosti
než atom vodíku - náboj jádra je roven jedné -, vyplynulo, že v jádře
atomů jsou obsaženy ještě elektroneutrální částice s hmotností,
odpovídající přibližně protonu. J.Chadwick (1932 ) je nazval neutrony.
Jsou součástí jader atomů všech prvků s výjimkou jádra atomu lehkého
vodíku.
 volný neutron se poměrně rychle rozpadá na proton a elektron
stavba atomu - další částice
dnes je známo více než 250 druhů dalších elementárních částic
 fotony
 leptony- neutrino, elektron, pozitron, miony
 mezony- piony, kaony
 baryony - protony, neutrony
předpokládá se, že protony, neutrony a další částice nejsou ve
skutečnosti elementární částice, ale že jsou složeny z jednodušších částic
 kvarky
 v současné době známe 6 druhů kvarků
 kvarky mají náboj + 2/3e nebo -1/3e
např. proton je složený ze tří kvarků o nábojích +2/3e, +2/3e a -1/3e
 neutron je složen ze tří kvarků o nábojích -1/3e, -1/3e a +2/3e
 předpokládá se, že elementárními částicemi, z nichž se skládá svět
kolem nás, jsou leptony a kvarky
stavba atomu – vlastnosti částic
Částice
Symbol
Hmotnost
(kg)
Relativní Náboj
hmotnost
Elektrický
náboj (C)
Proton
p+
1,673.10-27
1,0073
+1
1,602.10-19
Neutron
n
1,674.10-27
1,0086
0
0
Elektron e-
9,108.10-31
1/1836
-1
-1,602.10-19
stavba atomu - izotopy, nuklidy
 protonové číslo Z jednoznačně určuje prvek a jeho chemické
vlastnosti
 na základě přesného měření hmotnosti atomů bylo zjištěno, že velká
většina prvků je tvořena několika druhy atomů, které sice mají stejný
počet protonů v jádře a stejný počet elektronů v obalu - mají stejné
protonové číslo-, ale liší se hmotností, tedy hodnotou nukleonového
čísla, liší se počtem neutronů.
 izotopy
se nazývají takové atomy, které mají stejné protonové číslo, ale liší se
v hodnotě čísla nukleonového
stavba atomu – izotopy
příklad :
vedle tzv. lehkého vodíku existuje vodík o dvojnásobné hmotnosti
-deuterium D- a vodík o hmotnosti trojnásobné - tritium T
tyto atomy mají v jádře
jeden proton
deuterium navíc jeden neutron
tritium má navíc dva neutrony v jádře
po stránce chemické se chovají stejně, vzhledem k různé hmotnosti
mají odlišné fyzikální vlastnosti. Těchto rozdílů se využívá
k dělení izotopů.

stavba atomu – nuklidy
 nuklid
soubor atomů, které mají stejný počet protonů a stejný počet
neutronů
nuklid je tedy látka složená z atomů o stejném protonovém
čísle a stejném čísle nukleonovém
stavba atomu - izotony, izobary,
izomery
 izotony jsou atomy různých prvků o stejném počtu
neutronů
 izobary jsou atomy různých prvků o stejné hmotnosti
 izomery jsou stejné atomy s různým obsahem energie
jádro - přirozená radioaktivita
Antonie Henri Becquerel 1852 - 1908
 francouzský fyzik Becquerel r. 1896 při studiu minerálů
obsahujících uran zjistil, že tyto látky vysílají záření, které
proniká hmotou, působí na fotografickou desku, způsobuje
ionizaci a tím i vodivost vzduchu
 Marie Sklodowská - Curieová ( 1867 - 1934 ) objevila se
svým manželem P. Curiem v roce 1896 nové radioaktivní
prvky radium a polonium, které jsou obsaženy v nepatrném
množství v jáchymovském smolinci.
 při studiu vlivu elektrického pole na radioaktivní záření se
zjistilo, že se skládá ze tří rozdílných druhů záření, které se
označují jako α, β, γ
přirozená radioaktivita - záření
Marie Curie Sklodowská 1867 - 1934
α záření
proud částic identických s ionty helia He2+
 β záření
proud elektronů pohybujících se téměř rychlostí světla

 γ záření se neodchyluje v elektrickém poli
představuje elektromagnetické vlnění - proud fotonů
vlnová délka je velmi krátká, má proto velkou schopnost
pronikat hmotou
stabilita atomového jádra I
rozhoduje poměr počtu protonů ku počtu neutronů v jádře
u lehkých jader do Z = 20 je počet neutronů přibližně rovný počtu
protonů
 u těžších jader je poměr N : Z větší než 1 a roste se zvětšujícím se
protonovým číslem prvku až k poměru 3 : 2
 jádra nejtěžších prvků mají počet neutronů ještě větší, proto nejsou
stabilní
 obecně platí, že jádra, která mají příliš málo nebo příliš mnoho
neutronů vzhledem k počtu protonů, mají snahu samovolně se přeměnit
v jádro s příznivějším poměrem počtu protonů a neutronů, tj. v jádro
stabilnější
stabilita atomového jádra II
 rozpad
-
jádra s nadbytkem neutronů, neutron přechází na proton za
1
odštěpení elektronu : 1 n
+
e
p
1
0
proton zůstává v jádře a elektron se z jádra uvolní
vznikne jádro, které má stejné nukleonové číslo jako jádro
původní
jeho protonové číslo je o jednotku vyšší
 prvek se posune v PSP o jedno místo doprava
stabilita atomového jádra III
 rozpad +
 jádra s nadbytkem protonů, proton přechází na neutron za
odštěpení elektronu s kladným nábojem - pozitron:
 hmotnost jako elektron, avšak opačný náboj. Říkáme ji
pozitron - e+
 počet protonů v jádře se snižuje o jedno a prvek se posune o
jedno místo doleva
22
11
Na
22
10
Ne  e+
stabilita atomového jádra III
rozpad  - u těžkých atomů A > 210
z jádra jsou vysílány částice , jádra helia, složená ze dvou protonů a
dvou neutronů
protonové číslo o 2 jednotky nižší a nukleonové číslo o 4 jednotky
nižší
prvek se posune o dvě místa nalevo
stabilita atomového jádra IV
 rozpad 
každý rozpad je doprovázen stabilizací energie, při které se uvolní
elektromagnetické záření – proud fotonů
stabilita atomového jádra V
Druh
záření
Složení
Náboj Rychlost
α
2p + 2n
+2
β
e-
γ
elektromagnetické
vlnění
Dolet
Pronikavost
107m.s-1
2–8
cm
malá, zadrží jej i list
papíru. Vysoké
ionizační účinky.
-1
30 – 99%
rychlosti
světla
1 – 100
cm
větší, zadrží jej vrstva
Pb tloušťky 1,5 mm.
Ionizační úč.menší.
0
rychlost
světla
desítky
metrů
lze jen zeslabit
olověnými deskami,
betonovými kryty
radioaktivní rozpadové řady

v přírodě existují tři rozpadové řady přirozené, čtvrtá rozpadová řada
byla připravena uměle

uranová rozpadová řada U(238)----Pb(206)
začíná radioizotopem uranu a končí stabilním izotopem olova
aktinouranová - uran – aktiniová rozpadová řada U(235)—Pb(207)
začíná radioizotopem uranu a končí stabilním izotopem olova
thoriová rozpadová řada Th(232)----Pb(208)
začíná radioizotopem thoria a končí stabilním izotopem olova
neptuniová rozpadová řada - umělá Np(237)---Bi(239)
začíná radioizotopem neptunia a končí stabilním izotopem bizmutu



poločas rozpadu
časový interval, za který se rozpadne původní počet
radioaktivních atomů N0 na polovinu původního množství NT
se nazývá poločas rozpadu
umělá radioaktivita
sir Ernest Rutherford 1871 - 1937





změnou počtu protonů v jádře vzniká atom jiného prvku
toho lze dosáhnout umělými jadernými reakcemi
poprvé se podařilo uměle vyvolat jadernou reakci v roce
1919 E. Rutherfordovi
N(17) + alfa částice-----proton + O(17)
1932 Chadwick – objevil neutron:
Be(9) + alfa částice----C(12) + neutron
využití radioaktivních izotopů
 značkované sloučeniny- Na(23) – rychlost oběhu krve.
místa hromadění tělních tekutin
 radiodiagnostika- lokalizace a zjištění rozsahu
nádorového onemocnění P(32), I(131)- radioizotop se
rychleji hromadí ve tkáni zhoubného nádoru než v
tkáni zdravé
 radioterapie I(131)- hromadí se v štítné žláze, nádorové
buňky jsou citlivější na záření než zdravé buňky
 sterilizace léčiv, která nesnášejí vysoké teploty-injekční
stříkačky, jehly, obvazový materiál
 určení stáří materiálu C(14) 5730 let poločas rozpadu–
JADERNÉ RCE-přeměna jádra
po srážce jádra s jinou částicí
A - štěpné reakce
těžké jádro, ostřelované neutrony se po pohlcení neutronu
okamžitě rozštěpí na dvě jádra lehčích prvků za
současného vyzáření několika neutronů
uvolněné neutrony mohou za vhodných podmínek
způsobit rozštěpení dalších jader těžkého prvku a vyvolat
tak lavinovitou reakci, která má řetězový charakter
ve velmi krátkém čase se tak rozštěpí velké množství jader
těžkého prvku a uvolní se obrovské množství energie
toto je podstata atomových explozí a atomové bomby
jako jaderné palivo se se využívají nuklidy U(235),
Pu(239)
schéma štěpné reakce
U(235) + n ----- Ba(140) + Kr(93) + 3 n
é
atomový reaktor
 v atomových reaktorech probíhá řízená jaderné štěpné reakce
 štěpná reakce se stává zdrojem energie např. v atomových
elektrárnách. Štěpení jader nuklidu 235U probíhá působením
pomalých neutronů-tzv. termické neutrony, které nejsou na
rozdíl od rychlých neutronů pohlcený jádrem bez jeho dalšího
rozpadu
-- řídící tyče- pro řízenou reakcí se používají různé materiály,
které pohlcují neutrony – karbid boru, slitiny Cd
-- zpomalování neutronu- moderátory-grafit
 štěpný materiál - v atomových reaktorech se používá
přírodní uran obohacený nuklidem 235U - přírodní uran je 99,3
% 238U a jen 0,7 % 235U
Schéma stavby jaderného reaktoru
atomová bomba I
neřízená štěpná jaderná rce
 podobně jako 235U lze termickými neutrony ještě výhodněji
štěpit nuklid plutonia 239Pu, který se dá získat v atomovém
reaktoru z izotopu uranu 238U jako vedlejší produkt štěpné
reakce
atomová bomba II
1 - podkritická množství štěpného
materiálu
2 - kormidlo
3 - časový mechanismus
4 - roznětka
JADERNÉ RCE
B. fúzní reakce –termonukleární
syntézy
opakem štěpných jaderných reakcí jsou reakce, při kterých dochází ke
spojení několika lehčích jader na jádro těžší, přitom jsou zpravidla
vyzářeny další částice. Tyto jaderné syntézy se též nazývají fúzní
reakce. Fúzní reakcí je tvorba heliových jader z protonů a neutronů:
1
1
1
0
2p + 2 n
4
2
He
+ energie
fúzní reakce
 termonukleární reakce
 při fúzních reakcích se uvolňuje mnohonásobně větší množství energie
než při štěpných reakcích. K jejich navození jsou potřebné teplot
107 - 109 K
 přirozené podmínky pro průběh termonukleární reakce jsou na Slunci
a v nitru hvězd, kde probíhají jaderné reakce, např. “spalování vodíku”
na helium a další fúzní reakce
vodíková bomba
1 - malá atomová
bomba
2 - deuterium
3 - tritium
4 - kormidlo
5 - kobaltový obal
vysokých teplot, při kterých je
látka zcela ionizována na jádra a
elektrony za vzniku tzv.
plazmatu, je možné dosáhnout
jen při atomových explozích.
Toho bylo využito při konstrukci
vodíkové bomby
modely atomového jádra I
 kapkový model
 přirovnání atomového jádra ke kapce kapaliny objem jádra je
přímo úměrný nukleonovému číslu, podobně jako objem
kapky je úměrný hmotnosti kapaliny
 hodnota vazebné energie je analogická s kapkou kapaliny
 mezi molekulami existují přitažlivé síly
 protony a neutrony jsou v neustálé vazebné kapka interakci
modely atomového jádra II
 hladinový model
 představa o pravidelném uspořádání nukleonů v atomovém
jádře
 analogie uspořádání elektronů v obalu atomu
 nukleony, tj. protony a neutrony, se pohybují po určitých
kvantově-energetických hladinách, které se zaplňují podobně
jako energetické hladiny v obalu atomu
kvantová teorie I
Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858 - 1947
 kvantová teorie - Max Planck 1901
 jakékoli vyzařování nebo pohlcování energie se neděje
spojitě, ale ve formě celých násobků tzv. elementárních kvant energie
 velikost tohoto kvanta je přímo úměrná kmitočtu záření a je dána
vztahem
E = h.ν
h = Planckova konstanta = 6,6256 . 10-34 J.s
ν = kmitočet záření
kvantová teorie II
fotony - elementární kvanta energie jakéhokoli záření
jestliže fotonu přísluší energie E = h.ν , lze mu podle Einsteinova vztahu E = m . c2
přisoudit i určitou hmotnost
tato představa je základem tzv. kvantové teorie
vlastnosti záření
vlnového charakteru
korpuskulární, částicový charakter
světelné i jiné záření lze tedy považovat jak za vlnění, tak za proud částic, fotonů,
říkáme, že má dualistický charakter
kvantová teorie se stala základem dnešního pojetí stavby atomu
Bohrův model atomu
 Bohrovy postuláty
 elektron se v atomu pohybuje kolem jádra po kruhových drahách
 při pohybu elektronu na některé z takových drah se atom nachází
v tzv. stacionárním – klidovém - stavu, nevyzařuje energii
 vyzařování nebo pohlcování energie však nastává při přechodu
elektronu z jedné možné kvantové dráhy na jinou
 rozdíl energie E odpovídající přechodu elektronu z dráhy o vyšší
energii E´ na dráhu o nižší energii E , tj. na dráhu bližší atomovému
jádru, se vyzáří ve formě světelnéhokvanta - fotonu
vlnově mechanický model atomu I
nová teorie stavby atomu vychází ze tří základních poznatků
moderní
fyziky
 Bohrovy teorie
 dualistickém charakter hmoty
 Heisenbergův princip neurčitosti
Werner Karl Heisenberg 1901 - 1976
vlnově mechanický model atomu II
Erwin Schrödinger byl rakouský fyzik, žijící v letech 1887 - 1961. Je
zakladatelem vlnové mechaniky, základní práce publikoval roku 1926. Jako
všestranný fyzik a všestranný vědec se z pozice své teorie zabýval například
teorií barev, fyzikálními problémy genetiky, molekulární biologií a fylozofickými
otázkami Nobelovu cenu za fyziku obdržel spolu s P.Diracem roku 1933.
V roce 1926 sestavil pro atom vodíku tzv. “vlnové rovnice“
Erwin Schrödinger 1887 - 1961
Paul Adrien Maurice Dirac1902 - 1984
vlnově mechanický model atomu III
 kvantově mechanický model atomu
 neudává přesnou polohu elektronu, ale pravděpodobnost, s jakou se
elektron v určitém místě v atomu vyskytuje
 představa elektronu jako částice, pohybující se po určité dráze, je ve
vlnově mechanickém modelu nahrazena představou elektronového
oblaku, přičemž hustota jeho náboje má různou velikost, tvar a umístění
v prostoru kolem jádra
 orbital
oblast, ve které se elektron vyskytuje s největší pravděpodobností,
vymezuje část prostoru, v němž se elektronový oblak vyskytuje z 99 %
kvantová čísla I
 hlavní kvantové číslo n
 udává velikost a energii orbitalu
 nabývá hodnot n = 1, 2, 3, 4, ...... až nekonečno
 energie vrstev roste se zvyšující se hodnotou n
 elektron s nejvyšší hodnotou n je poután v atomu menší silou,
než elektron s nižší hodnotou n
 elektrony blíže jádru jsou poutány větší silou než elektrony od
jádra vzdálenější
kvantová čísla II
 vedlejší kvantové číslo l
 určuje tvar elektronového oblaku, orbitalu
 může nabývat hodnot l = 0, 1, 2, 3, ........( n - 1)
 celkový počet hodnot je roven hodnotě příslušného hlavního
kvantového čísla
 k označení orbitalů s různou hodnotou l se téměř výhradně používají
malá písmena:
l = 0 …… orbital s
l = 1 …… orbital p
l = 2 …… orbital d
l = 3 …… orbital f
kvantová čísla III
 magnetické kvantové číslo m
vystihuje rozdíly mezi orbitaly, které se projeví při působení
magnetického pole, kdy se orbitaly se rozštěpí na jednu či více
energetických podhladin o různé prostorové orientaci
nabývá hodnot od -l ...... 0 .......+l
kvantová čísla IV
spinové kvantové číslo s
 vyplývá z původní představy elektronu jako částice rotující kolem své
osy, z představy elektronového spinu
elektronový spin
jen dvě hodnoty spinového kvantového čísla s, které se liší
znaménkem hodnoty s = +1/2 a s = -1/2
spiny elektronů se vyjadřují také graficky opačně směrovanými
šipkami
je - li nějaký atomový orbital obsazen dvěma elektrony s opačnými,
antiparalelními spiny, říkáme že tyto elektrony mají spárovaný spin
kvantová čísla – orbital s
 orbitaly s
všechny orbitaly s jsou kulově symetrické
kvantová čísla – orbital p
 orbitaly p
 hodnota vedlejšího kvantového čísla l = 1
 existují tři energeticky rovnocenné - degenerované orbitaly p
 mají tvar prostorové osmičky
 liší se orientací v prostoru
 jsou na sebe kolmé, symetricky rozložené podle os x, y, z
kvantová čísla – orbital d
 orbitaly d
 hodnota vedlejšího kvantového čísla l = 2
 pět hodnot magnetického kvantového čísla m
m = -2, -1, 0, 1,2
 orbitaly d ve stejné vrstvě mají stejný obsah energie, jsou
degenerované
 v prostoru jsou umístěny pěti způsoby
kvantová čísla – orbital f
 orbitaly f
z hodnot vedlejšího kvantového čísla l = 3 a z hodnot
magnetického kvantového čísla m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 ) vyplývá,
že v elektronovém obalu se může vyskytovat celkem 7
degenerovaných orbitalů f. Jejich prostorové uspořádání je již
velmi složité, jsou uspořádány celkem sedmi způsoby
výstavba elektronového obalu
 Výstavbový princip
 orbitaly se postupně zaplňují elektrony podle vzrůstající energie
orbitalů
 Pauliho princip
 v atomu nemohou být dva elektrony, které by měly všechna čtyři
kvantová čísla stejná, musí se odlišovat alespoň v jednom z nich
 Hundovo pravidlo
 orbitaly o stejné energii - degenerované orbitaly, např. px, py, pz se
nejprve obsadí jedním elektronem se stejným spinem, potom se
doplňují druhým elektronem o opačném spinu
Wolfgang Pauli byl teoretický fyzik rakouského původu,
žijící v letech 1900 - 1958. V roce 1945 obdržel Nobelovu
ceu za fyziku za objev vylučovacího principu z roku 1925.
Vylučovací princip (později označený jeho jménem)
zformuloval v souvislosti s řešením rozporu mezi
rentgenovými spektry atomů a Bohrovým modelem atomu
krátce poté, co byl do fyziky zaveden pojem spin (1924).
Tento princip sehrál významnou roli při moderním výkladu
periodické soustavy prvků. Pauli předvídal existenci
neutrina (bylo registrováno až v roce 1955), studoval
strukturu kovů a zabýval se i mezonovou teorií jaderných
sil. Svými výzkumy patří k nejvýznamnějším fyzikům