SLOŽENÍ A STRUKTURA ATOMŮ

 

Postupný vývoj teorií na vzhled a vlastnosti atomů

Rutherford navrhl na základě svých měření model atomu, který se skládal z jádra obsahujícího kladně nabité protony a neutrální neutrony a z obalu, ve kterém se pohybují záporné elektrony. Hmotnost atomu byla soustředěna v jádře, které je 10 000x menší než velikost celého atomu. Atom je navenek neutrální. Princip Rutherfordova modelu vycházel z analogie planetárního systému – Planetární model, kde jádro představovalo Slunce a elektrony symbolizovaly obíhající planety. Předpokládal, že mezi jádrem a elektrony existují přitažlivé a odpudivé síly a na tomto aplikoval základy mechaniky. V jeho teorii byly však i jisté nedostatky – obíhající elektrony by se stále přibližovaly k jádru až by s ním splynuly a atom by zanikl.

V roce 1913 odstranil nedostatky předchozí teorie N. Bohr teorií kvantově mechanického modelu; navrhl také nové zákony pro pohyb elektronů, tzv. Bohrovy postuláty:

-         elektron se může pohybovat kolem jádra jen po určitých kruhových drahách s daným poloměrem

-         pokud elektron obíhá po některé z těchto drah, nevyzařuje energii

-         elektron vyzařuje nebo přijímá energii jen v okamžiku, kdy přechází z jedné kvantové dráhy do druhé

Počátkem 20. století začal rychlý vývoj fyziky a představy o struktuře atomu se mění. Zjistilo se, že nelze naměřit přesné hodnoty rychlosti atomu a jeho dráhy. Teorie zabývající se tímto problémem se nazývá kvantová mechanika. Umožňuje vypočítat pravděpodobnost, s jakou se elektron v určitém obalu vyskytuje.

Elementární částice dělíme na: fetony, leptony, mezony, bariony a hyperony

 

Radioaktivní rozpad jader

K samovolnému rozpadu jader dochází jen tehdy, není-li vyvážen poměr mezi počtem protonů a neutronů, nebo jsou-li jádra příliš těžká. Rozpad je doprovázen vyzařováním radioaktivního záření, které může být trojí:

1.      α – proud heliových jader; nejstabilnější záření zachytitelné listem papíru

2.      β – proud pozitronů, který se dá zachytit dřevěnou deskou

3.      γ – proud fetonů zachycený až po průchodu několikacentimetrovou Pb deskou

Jev radioaktivního záření byl poprvé pozorován na atomu uranu Curiem a manželkou Curie-Sklodovskou

 

Druhy rozpadu jader:

1.      přeměna –β

Mají-li jádra nuklidů nadbytek neutronů, přemění se neutron v proton tak, že jádro vyzáří jeden elektron, který nazýváme – β částice (_–1⁰β).

                        ^A_ZX → ^A_Z+1X + e^{-                    32}₁₅P → ³²₁₆S + _–1⁰β

            V tabulce nastává posun o jedno místo doprava.

 

2.      přeměna +β

Jádra, která mají nadbytek protonů a neutronů se rozpadají za vyzařování pozitronů (₊₁⁰β).

                        ^A_ZX → ^A_Z-1X + e^{+                    12}₆C → ³²₆B + ₊₁⁰β

V tabulce nastává posun o jedno místo doleva. Vyzářené pozitrony vznikají při srážkách s elektrony a přeměňují se ve fetony.

 

3.      záchyt elektronů

Přebytek protonů nad neutrony může jádro upravit i tak, že proton pohltí elektron z některé elektronové hladiny obalu. Podle toho, ze které hladiny je elektron jádry zachycen, označujeme děj jako K-záchyt.

^A_ZX → ^A_Z-1X                           ⁷₄Be + e^- → ⁷₃Li

 

4.      přeměna α

Je-li jádro příliš těžké, odděluje se z něj částice α, heliové jádro. Při tomto samovolném rozpadu vzniká nuklid, jehož A je menší o 4, Z je menší o 2.

                        ^A_ZX → ^A-4_Z-2X + ⁴₂He              ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂ α

 

Kvantová čísla

Pomocí kvantových čísel vyjadřujeme stavy, v jakých se vyskytují elektrony obíhající kolem jádra, tj. může mít určitou energii a elektronovou hustotu kolem jádra.

a)      hlavní kvantové číslo…n

nabývá hodnot 1- ∞; určuje energii v atomu podle vztahu E_n = -B/n² (Kj/mol);

energie roste s rostoucím n. Za běžných podmínek má elektron v atomu nejmenší možnou energii – je v základním stavu, dodáním energie můžeme elektron převést do vzbuzeného – excitovaného stavu, tzn., že elektron přejde do obalu s větší hodnotou n. Hl. kvantové č. nám určuje kromě energie i velikost orbitů. El. hustotu označujeme tečkováním; v místě hustého výskytu teček je vysoká pravděpodobnost výskytu elektronu. Spojíme-li místa o stejné el. hustotě jedinou plochou (hraniční plocha) dostaneme prostor, v němž je velká pravděpodobnost výskytu elektronů – obrital.

b)      vedlejší kvantové číslo…l

nabývá hodnot 0 – (n-1); hodnoty l se označují písmeny (0-s, 1-p, 2-d, 3-f); písmena souvisí s oblastmi v periodické tabulce, píší se za n, takže mluvíme o stavu nebo elektronech (???)

l určuje tvar orbitalu

c)      magnetické kvantové číslo…m

nabývá hodnot od –1 do +1; určuje směr orbitu, tedy prostorovou orientaci

d)      spinové kvantové číslo…s

nabývá hodnot od –0,5 do +0,5; uřčuje vlastní moment impulzu elektronu

 

Stav jednotlivých elektronů ve všech složitějších atomech se popisuje pomocí systému kvantových čísel. Elektrony ve stavech se stejným n tvoří elektronovou vrstvu neboli slupku. Jednotlivé vrstvy se označují písmeny K-Q. Elektrony ve stavech se stejným n a l tvoří předslupku a mají stejnou energii.

 

Pravidla zaplňování orbitalů

1.      Výstavbový princip – Elektrony obsazují hladiny postupně podle stoupající energie, tzn. Nejdříve se zaplňují energeticky chudší orbitaly, potom orbitaly energeticky vyšší

Pořadí orbitalů podle energie: 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s

 

2.      Pauliho princip – každý stav charakterizovaný třemi kvantovými čísly (n,l,m) může být obsazena nanejvýš dvěma elektrony, které se liší jedním kvantovým číslem s. počet elektronů na hladině se při zapisování el. konfigurace píše jako exponent; př.: 4f¹⁰ – na hladině 4f je 10 elektronů

 

3.      Hundovo pravidlo – stavy (orbitaly) se stejnou energií se všechny obsazují nejprve po jednom elektronu

 

4.      Pravidlo n+l – pomáhá rozhodnout o tom, který ze dvou orbitalů má nižší energii, tzn. bude se dříve obsazovat

a)      se stoupající energií orbitalů stoupá i hodnota součtu n+l

b)       z orbitalů o stejném součtu n+l má nižší energii ten, který má nižší hlavní kvantové číslo