Struktura atomů

1. Struktura atomů Obecná chemie

2. Leukippos a Demokritos • Staré Řecko – Demokritos a Leukippos • atomismus - materialistický filosofický směr hlásající, že hmota se skládá z nepatrných a dále nedělitelných částic, atomů. Tato tělíska jsou věčná a nezničitelná a mají vlastní pohyb; jejich mechanickým spojováním vznikají všechny věci včetně kosmických těles a duše. Démokritos Z Abdéry

3. Leukippos a Demokritos • Jak sám filosof definoval základ svého učení? "Podstatou věčných věcí jsou malá jsoucna, neomezená co do počtu." Jsoucna jsou tak malá, že unikají našemu vnímání a že mají různé podoby, tvary a rozdíly ve velikosti. Tato jsoucna nazval atomy, podle řeckého "atomos", tedy nedělitelný. Každý atom měl v rozdílné situaci mít jinou vlastnost. A jelikož oba filosofové a zakladatelé atomismu (Démokritos a Leukippos) tvrdili, že atomů byl od počátku nekonečný počet, hlásali, že pomocí změn v atomech mohou uspokojivě a pravdivě vysvětlit všechny změny a podstaty věcí i dějů. Je třeba ovšem dodat, že jejich tvrzení o nekonečnosti prvků ve vesmíru nebylo ani z jejich úst zcela jisté. Leukippos i Démokritos snad shodně tvrdili, že neomezené množství tvarů je u atomů proto, že spíše je, než že spíše není. • Tato teorie je ale pouze filozofická a nebyla ve své době podložena empiricky zjištěnými fakty Jiří Chlubný: http://antika.avonet.cz/article.php?ID=1892

4. Dalton a jeho atomová teorie • Odvozena ze slučovacích zákonů (viz minulá přednáška) • Prvky jsou složeny z velmi malých, dále nedělitelných částic – atomů • Atomy téhož prvku jsou stejné

5. Dalton a jeho atomová teorie • Atomy různých prvků se liší hmotností, velikostí a dalšími vlastnostmi • V průběhu chemických dějů se atomy spojují, oddělují nebo přeskupují. Nemohou však vzniknout nebo zaniknout. • Slučováním atomů dvou či více prvků vznikají chemické sloučeniny, v kterých se slučují jen celistvé počty jednotlivých atomů

6. Je atom opravdu dále nedělitelný? • Trhlina první – • Faradayův výzkum elektrolýzy – 1834 a dále (ionty, elementární náboj, vedení proudu v roztocích – musí to být nějaké částice v roztoku částic v roztoku?)

7. Je atom opravdu dále nedělitelný? • Trhlina druhá – Thomsonův výzkum vedení elektřiny ve zředěných plynech – 1897 • Thompson v roce 1897 vyřešil záhadu katodového záření, když prokázal, že katodové paprsky se zakřivují v elektrickém i magnetickém poli. Svými experimenty v Cavendishově laboratoři dokázal, že jde vlastně o částice, a co víc, že tyto částice nesou záporný náboj a jsou zhruba 2000krát menší než nejmenší atom vodíku. Označil tyto částice nejprve jako „korpuskule“, ale později přijal název elektron. Oznámení objevu elektronu lze považovat za okamžik zrození částicové fyziky. J.J. Thomson Objev elektronu!!! Jan Kapoun: http://businessworld.cz/veda-a-historie/cavendishova-laborator-objev-elektronu-i-struktury-dna-3951

8. Atom je dále dělitelný • J.J. Thomson - Atom obsahuje záporně nabité částice – elektrony • m (e) = 9,109 . 10-31 kg • Q (e) = - 1,602 . 10-19 C (elementární náboj) • První model atomu – Thomsonův pudinkový model atomu • Atom je homogenní koule kladně nabité hmoty, v níž jsou ponořeny elektrony

9. Rutherfordův experiment • Model byl ale popřen Rutherfordovým experimentem • Rozptyl záření (alfa částice – viz dále) při průchodu tenkými kovovými fóliemi E. Rutherford

10. Rutherfordův experiment • Většina částic procházela • Malý počet se odchýlil • Některé se odrážely zpět • Musí tam být jádro, velmi malé, okolo něj elektrony

11. Rutherfordův model atomu • Kolem kladně nabitého jádra obíhají elektrony • Jádro je 10 000 x – 100 000 x menší, než celý atom – ten má cca 10-10 m • Veškerá hmotnost je soustředěna v jádře, záporný náboj elektronů kompenzuje kladný náboj jádra

12. Rutherfordův model atomu vs Jádro je 10 000 x – 100 000 x menší než obal atomu

13. Nový model atomu - Rutherfordův • Hmotnost jádra je cca 2 000 x – 5 000 x vyšší než hmotnost obalu vs. 80 tun

14. Problémy Rutherfordova modelu • Z pohledu klasické fyziky – nabitá částice pohybující se po kruhové dráze vyzařuje (emituje) energii – částice s nižší energií by kroužila po dráze s nižším poloměrem – dráha by se přiblížila spirále  kroužící elektrony by díky neustálému vyzařování energie téměř okamžitě po spirálových drahách spadly do jádra a zanikly v něm.

15. Problémy Rutherfordova modelu • Dále tento model neumožňuje vysvětlit čárový charakter atomových spekter (viz jedna z dalších přednášek) Čárové atomové spektrum neonu

16. Nový pohled, Niels Bohr • Dánský fyzik Niels Bohr přišel v roce 1913 s myšlenkou, že v mikroskopickém světě atomů neplatí fyzikální a elektrodynamické zákony tak, jak je známe z našeho světa. Vytvořil nový model atomu, kde využil kvantování energie. Kvantová teorie říká, že energie se nemůže vyzařovat nebo pohlcovat plynule, ale jen po určitých dávkách – kvantech. Elektrony tedy krouží jen v přesně vymezených vzdálenostech po drahách, v nichž nevyzařují žádnou energii. V každé takové stabilní dráze může být jen určitý počet elektronů. Niels Bohr

17. Bohrův kvantově-mechanický model • Na elektron už se nepohlíží jen z pohledu klasické fyziky, ale začíná se na ně pohlížet z pohledu kvantové fyziky • Elektrony se mohou pohybovat jen po zcela určitých dráhách, elektron na této dráze má zcela určitou energii (je na určité energetické hladině) • Při pohybu na těchto dráhách elektrony nevyzařují žádnou energii • Energii naopak vyzařují při přechodu z jedné hladiny na druhou. Tato energie je kvantována. • Dle tohoto modelu lze interpretovat spektra kationtů s jedním elektronem, další látky nic moc.

18. Sommerfeldův model • Elektrony se pohybují kolem jádra nejen po kruhových, ale i eliptických drahách. • Každý elektron je charakterizován čtyřmi kvantovými čísly (viz dále) Arnold Sommerfeld

19. Další model – vlnově-mechanický model • Vychází z dualistického – korpuskulárně vlnového charakteru elektronu - a Schrödingerovy rovnice atd. • Více v následujících přednáškách Luis De Broglie Edwin Schrödinger

20. Jádro atomu • Skládá se z nukleonů – částice jádra (protony a neutrony) • Proton (p) – nesou jeden kladnýelementární náboj (Q (p) = + 1,602 . 10-19 C • m (p) = 1,672 . 10-27 kg • Ar (p) = 1,00727. • Počet protonů v jádře – protonové číslo Z • Protonové číslo Z lze ztotožnit s počtem elementárních nábojů jádra (nábojem jádra) a je rovno pořadovému číslu prvku v periodické tabulce • „Počet protonů“ určuje v elektroneutrálním stavu i počet elektronů, a tedy i chemickou individualitu prvku

21. Jádro atomu • Neutron (n) – elektricky neutrální • m (n) = 1,674 . 10-27 kg • Ar (n) = 1,00866. • Počet neutronů v jádře – neutronové číslo N • Nukleonové číslo - A – počet všech nukleonů (protonů + neutronů) v jádře --- A = N + Z • Je-li nutné upřesnit údaje o příslušné částici, protonové číslo se udává jako index vlevo dole, nukleonové jako index vlevo nahoře

22. Základní pojmy • Prvek – látka skládající se z atomů o stejném protonovém čísle • o příslušnosti k prvku zjevně rozhoduje protonové číslo – tzn. má-li jádro 6 protonů, bude to uhlík, je-li jich 92, bude to uran apod. Počet neutronů už není rozhodující Uhlík – antracit - 6 protonů Octan uranylu U v něm – 92 protonů Uran – 92 protonů

23. Základní pojmy • Nuklid – látka složená z atomů se stejným protonovým a stejným nukleonovým číslem – tzn. odlišuje od sebe různé prvky, které se liší neutronovým číslem. • Nuklidy se prakticky neliší svými chemickými vlastnostmi (stejný počet elektronů), částečně se liší ve svých fyzikálních vlastnostech (zejména těch, jež závisí na hmotnosti - http://cs.wikipedia.org/wiki/Uran_%28prvek%29#Izotopy)

24. Základní pojmy • Nuklidy se ale výrazně liší radioaktivitou (viz dále) - stabilní - radioaktivní (vzhledem vypadají stejně)

25. Základní pojmy • Izotopy – jsou atomy se stejným protonovým, ale různým nukleonovým číslem • Pojem izotop (izotopy) je používán jako alternativa k pojmu nuklid, často pokud poukazujeme na vztah dvou nuklidů • Lze ale bez obav používat pojem nuklid v každém případě, pojem izotop je pak „zbytečný“

26. Model atomového jádra • Přesný model je stále otázkou výzkumu a vývoje • Základní představy • Jádro je plné protonů, tyto protony (stejně nabité) jsou odpuzovány elektrostatickými silami – „stejné náboje se odpuzují“ • Aby jádro bylo stabilní (nepozorujeme, že by „jen tak“ a za všech okolností docházelo k jeho expanzi a rozpadu díky vzájemnému odpuzování protonů •  působí síly, které kompenzují tyto odpudivé síly mezi protony – síly jaderné • Silné jaderné interakce – působí mezi nukleony a kvarky (zprostředkovávají gluony), rel. síla - 1038 x silnější než gravitační interakce a 100 x silnější než elektromagnetická interakce zodpovědná v jádře za vzájemné odpuzování protonů; jde o interakce velmi krátkého dosahu (cca 10-15 m) • Slabé jaderné interakce – působí na leptony a kvarky (zprostředkovávají bosony W± a Z), rel. síla - 1025 x silnější než gravitační interakce, ale 1011 x slabší než elektromagnetická interakce resp. 10-18 m)

27. Model atomového jádra • Kapkový model • Silné jaderné síly působí na krátkou vzdálenost, takže na každý nukleon působí jen bezprostřední sousedé. • Na nukleony na povrchu jádra tak působí na nukleony jen síly směrem do jádra (podobně jako v případě povrchového napětí u kapky kapaliny) • Kapkový model se používá zejména k vysvětlení štěpení jader

28. Model atomového jádra • Slupkový model • Nukleony jsou v jádře uspořádány v určitých energetických hladinách (obdobně jako elektrony v obalu atomu – viz další přednáška) • Jednotlivé hladiny jsou se postupně zaplňují dvěma protony a dvěma neutrony http://artemis.osu.cz/mmfyz/jm/jm_2_3_5.htm

29. Model atomového jádra • Relativně stabilní jsou útvary se slupkami obsazenými dvěma protony a dvěma neutrony a jejich násobky • Nejstabilnější jádro helia • A také • Násobky jader helia • Např. jádro Li má nepárový elektron, ten se při bombardování částicemi alfa snadno uvolňuje

30. Model atomového jádra • Lehká jádra (Z<20) – skládají se obvykle (stabilní nuklidy) ze stejného počtu protonů a neutronů • Těžká jádra (Z>20) – hodně se uplatňuje elektrostatické odpuzování protonů, k udržení stability v nich musí být přebytek neutronů, které působí na ostatní nukleony jen silnými jadernými silami a „kompenzují“ tak vzájemné odpuzování protonů • Nejtěžší stabilní nuklid je • Pro velmi těžká jádra (Z > 83) jsou odpudivé síly obrovské a jádra se samovolně rozpadají – viz radioaktivita dále

31. Neutron – protonový diagram stabilních nuklidů http://astronuklfyzika.cz/MapaNuklidu.gif

32. Hmotnostní úbytek • Tvorba jádra z nukleonů je provázena úbytkem energie (podobně jako při chemických reakcích) • Má-li být jádro (produkt reakce nukleonů) stálé, musí mít nižší energii než výchozí stavební jednotky • Energie jsou obrovské a projevují se úbytkem hmotnosti – tzn. jádro má nižší hmotnost než všechny nukleony, z nichž se skládá • Rozdíl nazýváme hmotnostním defektem či hmotnostním úbytkem – značíme jejm

33. Hmotnostní úbytek • Pomocí hmotnostního úbytkum lze charakterizovat stabilitu jádra • Abychom jednotlivá jádra mohli porovnat – zavádíme relativní hmotnostní úbytek • Jde tedy v podstatě o hmotnostní úbytek vztažený na jeden nukleon A – nukleonové číslo

34. Vazebná energie jádra • Energetický ekvivalent hmotnostního úbytku je celková vazebná energie jádra j • Jde o energii, která se uvolní při vzniku jednoho jádra z příslušných nukleonů a zároveň energie, kterou musíme dodat na rozbití tohoto jádra na jednotlivé nukleony • I zde lze vztáhnout vazebnou energii na jeden nukleon – relativní vazebná energie

35. Relativní hmotnostní úbytek (m)ra relativní (j)r • Má vždy kladnou hodnotu • Čím vyšší, tím je jádro stabilnější • Porovnání stability jader • Maximum u 56Fe - • nejstabilnější nuklid, - okolo Cr, Ni • energie se uvolní – a) slučováním lehčích jader • štěpením (jaderným) jader lehčích

36. Slučování jader – jaderná fůze • Např. • Zatím provedeno jen v laboratorních podmínkách (a nebo ve vodíkové pumě), tak, aby to bylo průmyslově využitelné se zatím nedaří – musíme totiž přiblížit dvě nabitá jádra, která se silně odpuzují, k sobě – to lze učinit prostřednictvím vysoké teploty – cca 106 – 107 K nebo vysokého tlaku – toho není snadné dosáhnout • Selhávají i jiné postupy • Jaderná fůze probíhá na slunci (teplota ve středu je slunce cca 107 K)

37. Jaderné štěpení • Přijde hned po radioaktivitě a jaderných reakcích

38. Radioaktivita a radioaktivní záření • V roce 1896 zkoumal H. Becquerel fluorescenci (viz další přednášky) uranových solí pozoroval záření, které ale nezávisí na osvitu látky (což fluorescence závisí, abychom ji pozorovali, musíme látku nejprve osvítit. To ale v případě záření, jež pozoroval Becquerel, nebylo třeba). Záření bylo permanentní. Becquerel tak objevil přirozenou radioaktivitu. Za tento objev mu byla v roce 1903 udělena Nobelova cena za fyziku. Henri Becquerel

39. Radioaktivita a radioaktivní záření • Studium tohoto nově objeveného záření si následně zvolila za téma disertační práce Marie Curie, žena jeho kolegy Pierre Curie. Po několika měsících výzkumu potvrdila, že toto záření je vlastností více chemických prvků a nazvala tuto jejich vlastnost radioaktivitou. Manželé Curieovi později objevili ještě prvky polonium a radium. V roce 1903 obdrželi všichni tři za tyto objevy Nobelovu cenu za fyziku.

40. Radioaktivita a radioaktivní záření • Záření pocházející z radioaktivity se nazývá jaderné (radioaktivní) • Radioaktivita je vlastností řady atomů bez ohledu na to, zda jsou součástí prvků či sloučenin • podstatou je schopnost atomu přeměnit se dříve či později samovolně v jiný atom (za současného vyslání radioaktivního záření) • jde o záležitost čistě statistickou (zatím nelze předpovědět, že zrovna ten nebo ten atom se v daném časovém úseku rozpadne, víme jen, že tak v dané době učiní dané množství) • v přírodě existuje zhruba 50 radioaktivních nuklidů (těch, jejichž rozpad je pozorovatelný; např. prostřednictvím emise radioaktivního záření)

41. Radioaktivní záření

42. Radioaktivní záření • provází rozpad atomů, z přírody známe 3 druhy: • záření alfa  - jde o rychle letící jádra helia, tedy , zapisujeme je také (a to běžněji) • nesou tedy dva kladné elementární náboje (nemají elektrony) - 2+ • má relativně velkou hmotnost, takže není příliš pronikavé (zastaví jej vrstva vzduchu a nebo papír • ale pokud se dostane např. ke tkáni, je díky své hmotnosti poměrně ničivé (viz radonové riziko); má ionizační schopnosti (např. u zředěných plynů) • dosahuje rychlostí okolo 10 % rychlosti světla

43. Radioaktivní záření • záření alfa  - je zřejmé, že vyzáření částice alfa zmenší počet protonů o dvě jednotky a počet nukleonů o 4 jednotky (neutronů také o 2 jednotky) – vzniká nový atom, stojící v periodické soustavě o dvě místa vlevo od atomu původního • relativní atomová hmotnost se sníží zhruba o 4 jednotky

44. Radioaktivní záření

45. Radioaktivní záření • záření beta  - jde v podstatě o volně letící elektrony, značí se nebo • hmotnost je podstatně nižší než u částic alfa • částice nesou jeden elementární náboj • záření je tak pronikavější než u částic alfa • rychlost je vyšší, pohybuje se až okolo 99% rychlosti světla                              .

46. Radioaktivní záření • záření beta  • elektrony nepochází z obalu atomu, ale z jádra, kde vznikají v okamžiku přeměny neutronu na proton • během tohoto rozpadu vzniká ještě antineutrino

47. Radioaktivní záření • záření beta  - je zřejmé, že vyzáření částice beta zvýší počet protonů o jeden - vzniká nový atom stojící v periodické soustavě o jedno místo vpravo od atomu původního • počet nukleonů ale zůstává zachován, takže relativní hmotnost je zhruba také stejná jako u prvku původního

48. Radioaktivní záření

49. Radioaktivní záření • záření gamma  - v podstatě jde o elektromagnetické záření o velmi vysoké energii s krátkými vlnovými délkami (10-10 – 10-13 m); nejvíce se podobá rentgenovým paprskům • nenese žádný náboj • je velmi pronikavé, může a nemusí být nebezpečné • rychlost odpovídá rychlosti světla • často doprovází záření beta, výjimečně alfa

50. Radioaktivní záření • záření gamma  • vzniká v jádře při přechodu nukleonů nově vzniklého prvku z energeticky vyšších hladin (vzbuzeného stavu) do energeticky nižších hladin nebo stavu základního • při emisi záření gamma nedochází k přeměně v jádro jiné – žádný posun v periodické soustavě prvků