Transcript Atomové jádro (Učebnice strana 124 – 125) První představy o atomu pocházejí z antického Řecka, ve kterém v 5.

Atomové jádro
(Učebnice strana 124 – 125)
První představy o atomu pocházejí z antického Řecka,
ve kterém v 5. století př. n. l. Démokritos představil
filosofickou teorii, podle které nelze hmotu dělit
donekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále
nedělitelné částice, které označil slovem atomos
(ἄτομος). Podle této teorie je veškerá hmota složena z
různě uspořádaných atomů různého druhu, které jsou
nedělitelné, přičemž je nelze vytvářet ani ničit.
Vědeckou formu atomové teorii poskytl na začátku 19.
století John Dalton, podle kterého se každý chemický
prvek skládá ze stejných atomů zvláštního typu, které
nelze měnit ani ničit, ale lze je skládat do složitějších
struktur (sloučenin). Na základě této teorie byl schopen
vysvětlit některé otevřené otázky tehdejší chemie, např.
proč při chemických reakcích reagují vždy jednoduché
poměry množství příslušných látek.
Jakmile se ukázalo, že atomy nejsou nejmenšími částicemi látek,
dostali fyzikové nový impulz pro svou experimentální i teoretickou práci.
Z jakých částic se atomy skládají, jaké jsou vlastnosti těchto částic, jak
jsou v atomech uspořádány, jak „rozbít“ atomy…
Jako první se o popis stavby atomu pokusil v roce 1898 objevitel
elektronu Joseph John Thomson. Představoval si, že atom je kladně
nabitá koule (samozřejmě velmi malá!), uvnitř které jsou rovnoměrně
rozptýleny záporně nabité elektrony. Počet elektronů je takový, že kladné
a záporné náboje se navzájem ruší a atom se chová jako elektricky
neutrální.
Thomson přirovnával atom k pudingu, do kterého
jsou vmíchány rozinky (elektrony) - proto bývá jeho
model nazýván pudingový. Později se však ukázalo,
že Thomsonova představa vůbec neodpovídá
skutečnosti.
Anglický fyzik Ernest Rutherford navrhl pokus, při kterém jeho asistenti
"ostřelovali" jádry hélia tenoučkou zlatou fólii a zjišťovali, jak jí částice
procházejí. Zjistili, že většina částic prošla bez znatelné výchylky, ale u
některých došlo k velkým odchylkám z původního směru.
Z toho Rutherford usoudil, že v atomu musíme
rozlišovat mezi dvěma částmi. Téměř celá hmota atomu
je soustředěna ve velmi malé oblasti s kladným
nábojem (jádro), oblast kolem
jádra má záporný náboj a
zanedbatelnou hmotnost
(elektronový obal).
Většina objemu atomu
je „prázdná“, podobně
jako je prázdná většina
meziplanetárního prostoru.
Z toho Rutherford usoudil,
že atomy jsou z větší části "prázdné" a jejich kladný
náboj je soustředěn do malého a těžkého jádra. V roce
1911 zveřejnil svou představu o atomu, který má těžké kladné jádro,
kolem něhož obíhají záporné elektrony (tzv. planetární model atomu).
Později také zjistil, že jádro atomu vodíku je
nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí,
přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních
atomů. Tato částice se nazývá proton. V roce 1932 pak
James Chadwick objevil neutron, který se v jádře
nachází spolu s protony.
Žádná grafická interpretace
atomu nevyjadřuje skutečný
poměr mezi jádrem
a elektronovým obalem.
I kdybychom jádro nakreslili
jako tečku za větou, musel by
mít celý atom průměr několik
desítek metrů.
Rozměry atomu jsou nepatrné,
přibližně 10−10 m, tedy jedna desetimiliióntina milimetru. Jádro atomu je
však ještě mnohem menší – jeho „průměr“ je ještě asi stotisíckrát menší,
kolem 10−15 m. Pro představu: kdybychom zvětšili atom tak, aby jeho
průměr byl 100 metrů, atomové jádro by představovalo drobounkou kuličku
velikosti zrnka máku.
Rutherford vycházel z klasické fyziky, podle které by kroužící elektron
neustále vyzařoval energii a postupně by klesal k jádru, až by v něm
zanikl. Atomy však ve skutečnosti zůstávají neměnné.
Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až nová kvantová teorie,
podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po
nedělitelných množstvích, kvantech.
Dánský fyzik Niels Bohr patřil k prvním zastáncům
Einsteinovy teorie relativity a představ o kvantování
energie částic. Roku 1913 předložil teorii stavby atomu
vodíku, která byla založena na dvou, v té době zcela
revolučních postulátech:
• Elektron se může bez vyzařování energie
pohybovat kolem jádra jen po určitých
kvantových dráhách, tzv. orbitalech,
• Elektron přijímá nebo vyzařuje energii
pouze při přechodu z jednoho orbitalu na
druhý. Při přechodu na vzdálenější orbital
energii přijímá, při návratu na bližší orbital
energii vyzařuje.
Bohrův model poměrně dobře popisoval vlastnosti atomu
nejjednoduššího prvku – vodíku. I když odpovídal
skutečnosti podstatně lépe než modely předchozí, měl
řadu nedostatků a proto fyzikové pokračovali v jeho
zdokonalování.
Podle planetárního Sommerfeldova modelu jsou u složitějších atomů
dráhy elektronů nejen kruhové, ale i eliptické. Každý elektron je v tomto
modelu charakterizován čtyřmi kvantovými čísly: n (hlavní), l (vedlejší), m
(magnetické) a s (spin). Každé kvantové číslo vyjadřuje určitou vlastnost
elektronu. Elektrony se stejným hlavním kvantovým číslem n mají stejnou
energii, ale pohybují se po různých orbitalech, tvořících elektronovou
slupku. Slupky se označují písmeny (K, L, M ...).
Sommerfeldův model sice není schopen vysvětlit všechny
vlastnosti atomu, ale poskytuje i laikovi aspoň přibližnou představu
o stavbě atomu. Dokonalejší popis poskytují modely, které
využívají velmi složité matematické operace a ty jsou srozumitelné
už jen skutečným odborníkům.
Francouzský fyzik L. de Broglie
vyslovil představu, že elektrony
mají nejenom částicové, ale
i vlnové vlastnosti (využívá se
toho například v elektronovém
mikroskopu). E. Schrödinger
tuto teorii v roce 1926 zpracoval
matematicky ve formě soustavy
složitých rovnic a vznikl zcela
nový model atomu.
Podle Schrödingera nemůžeme
určit nějakou konkrétní dráhu
elektronu, ale jenom
pravděpodobnost, s jakou se elektrony vyskytují v různých místech.
Jádra atomů jsou složena ze dvou druhů elementárních
částic, protonů a neutronů. Společně tyto částice
nazýváme nukleony. Nejjednodušším atomem je atom
vodíku, jehož jádro je tvořeno protonem a kolem jádra
obíhá jediný elektron. Složitější atomy mají v jádře větší
počet protonů a neutronů, počet obíhajících elektronů se
rovná počtu protonů v jádře.
Složení jádra atomu můžeme popsat třemi čísly: protonovým Z,
neutronovým N a nukleonovým A. K zápisu chemické značky určitého
prvku X se používají:
• protonové (atomové) číslo Z – je rovno počtu protonů v jádře,
udává také počet elektronů obíhajících kolem jádra
• nukleonové (hmotnostní) číslo A – je rovno počtu nukleonů
v jádře, tj. A = Z + N
A
V chemických značkách se protonové a nukleonové číslo
X
Z
obvykle zapisuje vlevo od značky prvku X
Fe
Příklad: Z chemické značky atomu železa 56
26
zjistíme, že v jeho jádře je 26 protonů (a v obalu 26 elektronů), součet
počtu protonů a neutronů je 56, v jádře je tedy 30 neutronů.
V roce 1967 fyzikové zjistili, že protony a neutrony se při srážkách
s elektrony chovají jako skupina menších částic. Existenci těchto
částic, které se zatím nepodařilo izolovat, předpověděl R. Feynman
a Murray Gell-Mann je nazval KVARKY. Označení „kvark“ převzal
z románu Jamese Joyce „Smuteční hostina na počest Finnegana“, kde
se toto nesrozumitelné slovo objevilo v jediné (!) větě. Dosud je známo
šest kvarků, které dostaly jména up (u), down (d), strange (s),
charm (c), top (t) a bottom (b). V češtině mají kvarky jména horní (u),
dolní (d), podivný (s), půvabný (c), vrcholný (t) a spodní (b).
Kvarkům se přiřazuje „vůně“ a „barva“ – jsou to však jen abstraktní
názvy, které nemají nic společného se skutečnou vůní a barvou.
kvark
d
u
s
c
b
t
vůně hmotnost (u)
Z
down
0,0086
−1/3
up
0,0054
2/3
strange
0,17
−1/3
charm
1,61
2/3
bottom
4,56
−1/3
top
193
2/3
S
0
0
−1
0
0
0
C
0
0
0
1
0
0
B
0
0
0
0
1
0
T
0
0
0
0
0
1
Nejlehčí kvarky up (u) a down (d) jsou
stavebními kameny nukleonů. Kvarky se nikdy
nevyskytují jednotlivě, ale vždy ve trojicích.
Proton je tvořen dvěma kvarky typu u, které mají
náboj +2/3e a jedním kvarkem typu d s nábojem
−1/3e, takže výsledný náboj protonu je +e.
Neutron je tvořen jedním kvarkem u a dvěma
kvarky d, proto je jeho výsledný náboj nulový.
Kvarky jsou částice, které pomáhají vytvářet veškerou
hmotu ve vesmíru.
Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány silnou jadernou
silou. Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou
silou zprostředkovávanou fotony.
Standardní model
elementárních
částic – kvarků
Základní složení atomu
Elektronový obal
elektron
objevil Joseph John Thomson, 1897
hmotnost 9,1 · 10−31 kg
elektrický náboj - −1,6 ·10−19 C
Atomové jádro
proton
objevil Ernest Rutherford, 1913
hmotnost 1,67 · 10−27 kg
elektrický náboj - +1,6 ·10−19 C
neutron
objevil James Chadwick, 1932
hmotnost 1,67 · 10−27 kg
elektrický náboj - bez náboje
Společný název pro protony a neutrony je nukleony. Tento název
navrhli Moller a Pais v r. 1941.
Náboj elektronu nebo protonu je dále nedělitelný a proto se nazývá
elementární náboj e. Ostatní elektrické náboje jsou celočíselným
násobkem elementárního náboje, tj. Q = n · e
Chemicky je prvek určen protonovým číslem Z, které udává pořadí prvku
v Mendělejevově periodické tabulce prvků. Všechny atomy téhož prvku
mají stejné chemické vlastnosti. Atomy téhož prvku se však mohou lišit
počtem neutronů v jádře. Takto odlišné atomy se nazývají izotopy, které
mají sice stejné chemické vlastnosti, ale mohou se velmi výrazně lišit
svými fyzikálními vlastnostmi. Mají například různou hmotnost, některé
izotopy mohou být stabilní a jiné radioaktivní apod. Jednotlivé izotopy
téhož prvku se dají rozlišit nebo oddělit jen fyzikálními metodami,
například působením elektrického nebo magnetického pole
v hmotnostním spektrografu.
Vodík (Z = 1) má tři izotopy: vodík 11 H („lehký“), deuterium 21 H („těžký“)
a tritium 31 H („supertěžký“). Všechny mají v jádře jeden proton, liší se
počtem neutronů. V přírodě se vyskytují prakticky pouze izotopy
„lehkého“ vodíku 11 H , zbývající dva izotopy představují jen asi 0,02 %.
Základní pojmy
chemický prvek – látka, jejíž atomy mají v jádře stejný počet Z protonů.
Atomy prvku se přitom mohou lišit počtem A nukleonů v jádře – prvek je
12
14
směs izotopů
C
12
12
13
12
6
C
14
12
6
6
C
6
C
6
C
12
6
6
C
C
6
C
6
C
nuklid – látka, jejíž atomy mají jádra se shodným složením, všechna
tedy mají stejné protonové číslo Z a stejné nukleonové číslo A – nuklid je
12
12
12
tvořen jediným izotopem 12
C
C
C 12
12
12
6
12
6
C
6
C
6
C
12
6
C
6
12
6
6
C
C
6
6
C
izotopy – různé nuklidy téhož prvku, mají stejné protonové číslo Z, ale
14
liší se nukleonovými čísly A1 a A2
C
14
14
6
12
6
C
12
6
C
12
6
C
12
6
C
12
6
C
12
6
C
6
C
14
6
C
14
6
C
6
C
atomová hmotnostní konstanta mu – 1/12 hmotnosti izotopu 6 C
(mu = 1,66 · 10−27 kg)
relativní atomová hmotnost Ar – bezrozměrné číslo, které udává,
kolikrát je hmotnost atomu větší než 1/12 hmotnosti izotopu126 C
skutečná hmotnost atomu m – v kilogramech, určíme ji ze vztahu
m = Ar · mu
12
Uprostřed atomu je malé, ale těžké kladně nabité jádro obklopené
elektronovým obalem.
Atomové jádro se skládá z kladně nabitých protonů a elektricky
neutrálních protonů. Říkáme jim společným názvem nukleony.
Počet protonů udává protonové číslo, počet nukleonů nukleonové číslo.
Látky složené z atomů, které mají stejné protonové i
nukleonové číslo, se nazývají nuklidy.
Mají-li dva atomy stejné protonové číslo, ale různé
nukleonové číslo, jsou to dva izotopy téhož prvku.
12
6
12
6
C
12
6
C
C
14
6
12
6
C
C
Příklady:
1) Zapiš značku nuklidu uhlíku 14, kyslíku 18, železa 56, uranu 235 a
plutonia 239. Kolik má každý z nich protonů, neutronů a nukleonů?
(Uč. str. 127, př. 7)
14
C nuklid uhlíku 14 má protonové číslo 6, nukleonové číslo 14
6
počet protonů – 6, nukleonů – 14,
počet neutronů 14 – 6 = 8
18
O nuklid kyslíku 18 má protonové číslo 8, nukleonové číslo 18
8
počet protonů – 8, nukleonů – 18,
počet neutronů 18 – 8 = 10
56
Fe nuklid železa 56 má protonové číslo 26, nukleonové číslo 56
26
počet protonů – 26, nukleonů – 56,
počet neutronů 56 – 26 = 30
235
U nuklid uranu 235 má protonové číslo 92, nukleonové číslo 235
92
počet protonů – 92, nukleonů – 235,
počet neutronů 235 – 92 = 143
239
Pu nuklid plutonia 239 má protonové číslo 94, nukleonové číslo 239
94
počet protonů – 94, nukleonů – 239,
počet neutronů 239 – 94 = 145
Příklady:
2) Podle tabulek urči název neznámého prvku. Kolik má každý z nich
protonů, neutronů a nukleonů?
4
2
4
2
X
14
7
X
206
82
X
222
86
X
X
14
7
X
206
82
X
222
86
X
226
88
X
210
81
X
214
84
X
230
90
X
protonové číslo 2 má helium (He) , nukleonové číslo 4
počet protonů – 2, nukleonů – 4,
4
He
2
počet neutronů 4 – 2 = 2
protonové číslo 7 má dusík (N) , nukleonové číslo 14
počet protonů – 7, nukleonů – 14,
14
N
7
počet neutronů 14 – 7 = 7
protonové číslo 82 má olovo (Pb) , nukleonové číslo 206
počet protonů – 82, nukleonů – 206,
206
Pb
82
počet neutronů 206 – 82 = 124
protonové číslo 86 má radon (Rn) , nukleonové číslo 222
počet protonů – 86, nukleonů – 222,
222
Rn
86
počet neutronů 222 – 86 = 136
237
93
X
226
88
X
210
81
X
214
84
X
230
90
X
237
93
X
protonové číslo 88 má radium (Ra) , nukleonové číslo 226
počet protonů – 88, nukleonů – 226,
226
Ra
88
počet neutronů 226 – 88 = 138
protonové číslo 81 má thalium (Tl) , nukleonové číslo 210
počet protonů – 81, nukleonů – 210,
210
Tl
81
počet neutronů 210 – 81 = 129
protonové číslo 84 má polonium (Po) , nukleonové číslo 214
počet protonů – 84, nukleonů – 214,
214
Po
84
počet neutronů 214 – 84 = 130
protonové číslo 90 má thorium (Th) , nukleonové číslo 230
počet protonů – 90, nukleonů – 230,
230
Th
90
počet neutronů 230 – 90 = 140
protonové číslo 93 má neptunium (Np) , nukleonové číslo 237
počet protonů – 93, nukleonů – 237,
237
Np
93
počet neutronů 237 – 93 = 144
Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 127.