View
240
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Stavba atomů a molekulÚvod
cíle– seznámit studenty s moderními představami a fakty
o struktuře a vlastnostech mikrosvětaprostředky– nezbytné minimum matematiky a základní
představy kvantové teorie, která umožňuje řadu jevů popsat
Proč?
„Konečný výklad všech chemických jevů musí být založen na struktuře atomů.“
Cotton A., Wilkinson G.
Přehled témat
struktura mikrosvětaelementární částiceatomymolekulysoubory molekulstruktura biomakromolekulexperimentální metody studia mikrosvěta
Stavba mikrosvěta v historii
živly/elementa (Aristoteles)– oheň, vzduch, voda, země– základy Alchymie
atomisté (Demokritos 460 př.n.l.)– nedělitelné částečky hmoty – mají
háčky a důlky, stále se hýbou, jsou různě velké, těžké a pohyblivé, sdružují se do větších pozorovatelných útvarů
Paradoxy mikrosvěta
diskrétní hladiny některých dynamických veličindualismus vln a částicnekomutativnost aktu měřenírelace neurčitostinedeterminismus kvantové teorie
2
Než začneme
vlnění
elektromagnetické vlnění
u=λνvlnová délka
frekvence (Hz)
rychlost
c=λνλ
ν 1~ =vlnočet
18 m.s 10.9979.2 −=c
λ
λν chhE ==
h = 6,6256.10-34 J.s
český název frekvence vlnová délka anglické označenígama záření 1019 - 1024 Hz 10-10 - 10-14 m Gamma Rays
rentgenovo záření 1016 - 1019 Hz 10 - 0,1 nm X-Raysultrafialové záření 1014 - 1016 Hz 400 - 10 nm Ultra Violet (UV)
viditelné záření 1014 Hz 400 -900 nm Visible (VIS)infračervené záření 1010 - 1014 Hz 1 mm - 1 mm Infra Red (IR)
mikrovlny 30 - 300 GHz 10 - 1 mm Extremely High Frequency (EHF)mikrovlny 3 - 30 GHz 100 - 10 mm Super High Frequency (SHF)
ultra krátké vlny (UKV) 0,3 - 3 GHz 1 - 0,1 m Ultra High Frequency (UHF)velmi krátké vlny (VKV) 30 - 300 MHz 10 - 1 m Very High Frequency (VHF)
krátké vlny (KV) 3 - 30 MHz 100 - 10 m High Frequency (HF)střední vlny (SV) 0,3 - 3 MHz 1 - 0,1 km Medium Frequency (MF)dlouhé vlny (DV) 30 - 300 kHz 10 - 1 km Low Frequency (LF)velmi dlouhé vlny 3 - 30 kHz 102 - 10 km Very Low Frequency (VLF)
extrémně dlouhé vlny 0,3 - 3 kHz 103 - 102 km Extremely Low Frequency (ELF)
Než začneme
energie – J, eV, kcal/mol, Rydberg– 1 eV = 1.6·10-19 J, 1 cal = 4.184 J, 1 Ry = 13.605 eV
délka – Angström – 1 Å = 10-10 m (zakázaná SI)
atto – a10–18
femto – f10–15
tera - T1012piko – p10–12
giga - G109nano – n10–9
mega – M106mikro – μ10–6
kilo – k103mili – m10–3předpony SI
Elementární částice
Elementární částice
do roku 1932 byly známy jen– elektron (Thomson – 1897, katodové částice)– proton (Rutheford - 1918), protos = první– neutron (Chadwick - 1932)
Další objevy elementárních částic
H. Yukawa – pion P. Dirac – antičástice, pozitronAnderson - 1932
W. Pauli – neutrinoE. Fermi - 1934
M. Gell-Mann – kvarky
3
„Chemické“ elementární částice Elektron - e–
náboj –1.602177.10 –19 C– považuje se za elementární náboj, značí se e
hmotnost me = 9.10939.10 –31 kg ... leptonspinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion– spin, vnitřní moment hybnosti
e0 1−
Proton - p+
náboj +1.602177.10 –19 Chmotnost mp = 1.67262.10 –27 kg ... baryon, hadron– mp = 1836 me
spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermiontvoří jej tři kvarky – up, up, down
p11 Neutron - n
náboj = 0 Chmotnost mn = 1.67493.10 –27 kg ... baryon, hadron– mp = 1839 me
spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermiontvoří jej tři kvarky – up, down, downvolný neutron se rozpadá (poločas 15.2 min) na proton, elektron a elektronové neutrino
n10
Co ty kvarky?
„Three quarks for muster Mark“ J. Joyce Finnegan’s Wake (1963)
Co ty kvarky?
hadrony jsou složené z kvarků
4
Hadrony
hadronymezony
pionykaony
baryonynukleony (proton, neutron)hyperony
Standardní model
12 částic tvořících hmotu12 antičásticvzájemné působení polními částicemi
12 částic hmoty Co to všechno drží pohromadě?
silovéinterakce
Stavba atomůStavba atomů - SŠ
atomové jádro – protony, neutrony– průměr ~10 –15 m – Z, protonové číslo = počet protonů– N, neutronové číslo = počet neutronů– A, nukleonové číslo = Z+N– jaderný spin
elektronový obal– průměr ~10 –10 m
He42
5
Hmotnost v mikrosvětě
g nejsou praktickéatomová hmotnostní jednotka mu
mu = ⎯ m( C) = 1.661.10 – 24 g
relativní hmotnost Mr = m/mu
1 12
12 6
látkové množství n = 1 mol1 mol počet atomů v 12g ( C) = 6.022.1023 mol-1
Avogadrovo číslo NA, n = N/NA
molární hmotnost M = Mr*mu*NA = Mr (g)
126
Schéma atomu - SŠ
jádro – centrum hmotnosti
elektronový obal
rozdíl 5 řádů
Schémata a představy atomů Jádro vs. obal
Rutheford, Geiger, Marsden 1909
atomy obsahují kladné jádro < 10 fm
Ruthefordův model - 1911
na základě svých experimentů navrhuje planetární model atomu– malé, hmotné, kladně nabité jádro– okolo něj krouží elektrony
!ROZPOR!
elektron obíhající po kruhové dráze vykonává zrychlený pohyb a musí vyzařovat! ... ztrácí tak rychlost a padá po spirále k jádru
Pár poznámek k jádru
izotop – stejné protonové číslo, různý počet neutronů – H, D, T nebo 35Cl, 37Cl ...nuklid – prvek mající čisté izotopové složení Cl (75,4% 35Cl, 24,6% 37Cl)jádro – stabilní nebo přirozená radioaktivitajádra lze – štěpit – jaderné reakce– slučovat – jaderné fúze
6
Radioaktivita
nestálá jádra – spontánní jaderný rozpad– emise α-, β- či γ- záření– α - emise jader 2He– β- emise elektronů– γ- emise fotonu
graf známých nuklidů, zelené – stabilní, béžové radioaktivní
Bi
Utváření představ o elektr. obalu
excitované atomy emitují světlo jen o určitých vlnových délkách
H
Hg
Ne
Proč atom absorbuje
S0
Ene
rgie
základní stav
světlo (energie)
Exc
itace
S1
excitovaný stavvzbuzený stav
Emisní a absorpční spektrum
Spektrum atomu vodíku
Ener
gy
Ultra VioletLyman
InfraredPaschen
VisibleBalmer
65
3
2
1
4
n
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−== 22
111~ij nn
Rλ
ν
Rydbergova konstanta R(0.14)
R(0.22)
R(0.75) R(0.97)
hrana série
R = 109 677.581 cm-1
Ionizační energie
energie potřebná na odstranění elektronu ze základního stavu atomu (přenesení do nekonečné vzdálenosti)
Ener
gy
∞
32
1n
hcRhcRhcE =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∞−== 22
111~ν
7
Ionizační energie – určení ze spektra
linie H: 82 259; 97 492; 102 824; 105 292; 106 632; 107 440 cm-1
y = -109679x + 109679
80000
85000
90000
95000
100000
105000
110000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
2~
nR
hcEI −=ν
)(~ 1−cmν
21n
ν~hcEI =eV 13.6 J 10179.2 18 =⋅= −
IE
Bohrův model - 1913
„zlepšil“ planetární modeljen některé hladiny okolo jádra jsou povolené
– elektron na nich nezáří
elektron může přeskočit na jinou hladinu za současného vyzáření (absorpce) kvanta energiekvantování tak vstupuje jako dodatečná podmínka
Bohrův model
revoluce v nazírání na hmotuměl řadu much– kvantováním řešil kolaps z pohledu klasické fyziky– platil dobře jen pro vodíku podobné atomy
otevřel cestu pro vybudování plně kvantově mechanického modelu atomu
Recommended