atom se skládá z jádra a elektronového obalu

Milan Haminger - BiGy

stavba atomu

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

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 :

XAZ

stavba atomu - atomové jádro II

stavba atomu - neutrony

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

sir James Chadwick 1891 - 1974

stavba atomu - další částicednes 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 částicČástice Symbol Hmotnost

(kg)Relativní hmotnost

Náboj 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

příklad : vedle tzv. lehkého vodíku existuje vodík o dvojnásobné hmotnosti -deuterium D- a vodík o hmotnosti trojnásobné - tritium Ttyto atomy mají v jádře jeden protondeuterium navíc jeden neutron tritium má navíc dva neutrony v jádřepo stránce chemické se chovají stejně, vzhledem k různé hmotnosti mají odlišné fyzikální vlastnosti. Těchto rozdílů se využívá k dělení izotopů.

stavba atomu – izotopy

stavba atomu – nuklidy

nuklidsoubor atomů, které mají stejný počet protonů a stejný

počet neutronůnuklid je tedy látka složená z atomů o stejném protonovémčísle 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

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

Antonie Henri Becquerel 1852 - 1908

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

přirozená radioaktivita - záření

Marie Curie Sklodowská 1867 - 1934

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 I

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

01n 1

1 p + e-

stabilita atomového jádra II

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

Na2211 eNe 22

10

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 III

rozpad

každý rozpad je doprovázen stabilizací energie, při které se uvolní elektromagnetické záření – proud fotonů

stabilita atomového jádra IV

stabilita atomového jádra V

Druh záření

Složení Náboj Rychlost Dolet Pronikavost

α 2p + 2n +2 107m.s-1 2 – 8 cm

malá, zadrží jej i list papíru. Vysoké ionizační účinky.

β e- -1 30 – 99% rychlosti světla

1 – 100 cm

větší, zadrží jej vrstva Pb tloušťky 1,5 mm. Ionizační úč.menší.

γ elektro-magnetické vlnění

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

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

sir Ernest Rutherford 1871 - 1937

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

JADERNÉ RCE-přeměna jádra JADERNÉ RCE-přeměna jádra po srážce jádra s jinou částicípo srážce jádra s jinou částicí

A - 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 bombyjako jaderné palivo se se využívají nuklidy U(235),

Pu(239)

schéma štěpné reakce

é

U(235) + n ----- Ba(140) + Kr(93) + 3 n

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 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 uranu 238U jako vedlejší produkt štěpné

reakce

1 - podkritická množství štěpného materiálu

2 - kormidlo

3 - časový mechanismus

4 - roznětka

atomová bomba II

JADERNÉ RCEB. fúzní reakce –termonukleární –termonukleární

syntézysyntézy 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:

p112 n1

0224 He+ + energie

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

fúzní reakce

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

vodíková bomba1 - malá atomová bomba

2 - deuterium

3 - tritium

4 - kormidlo

5 - kobaltový obal

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

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

Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858 - 1947

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

kvantová teorie II

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

modernífyziky  Bohrovy teorie dualistickém charakter hmoty Heisenbergův princip neurčitosti

Werner Karl Heisenberg 1901 - 1976

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“

 

vlnově mechanický model atomu II

Paul Adrien Maurice Dirac1902 - 1984

Erwin Schrödinger 1887 - 1961

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 orbitaloblast, ve které se elektron vyskytuje s největší pravděpodobností, vymezuje část prostoru, v němž se elektronový oblak vyskytuje z 99 %

vlnově mechanický model atomu III

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

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 II

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 III

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 IV

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