atom se skládá z jádra a elektronového obalu Milan Haminger - BiGy

1. stavba atomu atom se skládá z jádra a elektronového obalu Milan Haminger - BiGy

2. 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.

3. 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

4. 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 :

5. stavba atomu - neutrony sir James Chadwick1891 - 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

6. 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

7. stavba atomu – vlastnosti částic

8. 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 nukleonovéhočísla, liší se počtem neutronů. • izotopy se nazývají takové atomy, které mají stejné protonové číslo, ale liší se v hodnotě čísla nukleonového

9. 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.

10. 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

11. 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

12. 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

13. přirozená radioaktivita - záření Marie Curie Sklodowská 1867 - 1934 • αzáření 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

14. 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

15. stabilita atomového jádra II • rozpad - • jádra s nadbytkem neutronů, neutron přechází na proton za odštěpení elektronu : • 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 + e-

16. 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 +

17. 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

18. stabilita atomového jádra IV • rozpad  každý rozpad je doprovázen stabilizací energie, při které se uvolní elektromagnetické záření – proud fotonů

19. stabilita atomového jádra V

20. 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

21. poločas rozpadu časový interval, za který se rozpadne původní počet radioaktivních atomů N0 na polovinu původního množství NT se nazývá poločas rozpadu

22. 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

23. 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– vzniká rcí vzduš. N s neutrony

24. JADERNÉ RCE-přeměna jádra po srážce jádra s jinou částicíA - 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 atomovýchexplozí a atomové bomby • jako jaderné palivo se se využívají nuklidy U(235), Pu(239)

25. schéma štěpné reakce U(235) + n ----- Ba(140) + Kr(93) + 3 n é

26. 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

27. Schéma stavby jaderného reaktoru

28. atomová bomba Ineřízená štěpná jaderná rce • podobně jako 235U lze termickými neutrony ještě výhodněji štěpit nuklid plutonia 239Pu, který se dá získat v atomovém reaktoru z izotopu uranu238U jako vedlejší produkt štěpné reakce

29. atomová bomba II 1 - podkritická množství štěpného materiálu 2 - kormidlo 3 - časový mechanismus 4 - roznětka

30. JADERNÉ RCEB. 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: + + energie

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. kvantová teorie I • 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.νh = Planckova konstanta = 6,6256 . 10-34 J.s ν = kmitočet záření Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858 - 1947

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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 %

41. 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

42. 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

43. 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

44. 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

45. kvantová čísla – orbital s • orbitaly s  všechny orbitaly s jsou kulově symetrické

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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

50. Wolfgang Pauli byl teoretický fyzik rakouského původu, žijící vletech 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