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
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).
AZX
→ AZ+1X + e- 3215P → 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).
AZX
→ AZ-1X + e+ 126C → 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.
AZX
→ AZ-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.
AZX
→ A-4Z-2X + 42He 22688Ra
→ 22286Rn + 42 α
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 En =
-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