ПРИЧА О АТОМУ – “гледање” невидљивог

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

1

ПРИЧА О АТОМУ – “гледање” невидљивог

Приповедач: Љубиша Нешић

(Одсек за физикуПриродно-математички факултет у Нишу

и Одељење за ученике са склоностима за физику и

природне науке)

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

2

“Е баш ћеш ти да Му кажеш шта ће да ради”

“Он не само да се игра коцкицама већ их често баца и на такваместа где не можемо да их видимо”

“Он не баца коцкице”

Божић је био – шта су говорили велики умови о томе чиме се Он

бави

Једна од великих расправа 20. века

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

3

Било је и старијих Великих Било је и старијих Великих дебатадебата

Да ли материја може да се дели на све мање и мање делове

заувек?

ДА!

НЕ!

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

4

Модели атома: ГрчкиDemocritus (460-370 B.C.)

Дељење материје на ситније делове има крај

• Најмањи део = “атом”(грчки “a”=не “thomos” = “дељив”)

• Није имао начина да сазна како “атом” (хипотетичка недељива честица) изгледа.

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

5

Gold Go ld

“АТОМ” = недељив

Замислимо да имамо парче злата и да га поделимо на пола…

…и да поделимо те мање делове на пола…

… наставимо да сецкамо добијене парчиће и даље на на половине…

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

6

…и даље… …и наставимо

даље…

…настављамо даље…

На крају ће нам остати 1 парче злата. Ако га

поделимо на “пола”, оно што добијемо више неће бити злато – добићемо

нешто друго. Најситинији делић који има особине

злата је атом златаатом злата. Атом је најмања честица елемента која има његове особине.

Један атом злата

“АТОМ” = недељив

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

7

ДемокритИзнео је хипотезу да су атоми:

– Мали & чврсти– различитих облика и

величине– бесконачно много их има

– да се увек крећу– да су способни да се спајају

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

8

Зашто?• Најутицајнији филозофи антике,

Аристотел и Платон су имали другачију (данас знамо погрешну) теорију – све се састоји од 4 елемента који могу да се до у бесконачност деле.

• Сем тога – Демокрит није имао доказе за своју тврдњу – његове атоме нико никада није видео

• зашто? па превише су ситни• Пролазило је време а ова идеја је

била покопана скоро 2000 година

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

9

А након тога…

• Знања грчке цивилизације била су заборављена и анатемисана

• 1600-1700: Појављују се експерименти који су подржали Демокритове идеје.

• Златно доба хемије• Роберт Бојл (1627-1691)• Антоан Лавоазије (1743-1794)

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

10

Далтон (1766-1844)

• Енглески хемичар и наставник

• Извршио пуно експеримената проучавао гасове и формулисао “модерну” атомску теорију

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

11

Модел атома: Далтон

1. Елементи се састоје од атома; атоме не можемо да уништимо -

разоримо2. Атоми истог елемента су

међусобно једнаки3. Aтоми различитих елемената се

разликују4. Једињења се стварају спајањем 2

атома5. Како изгледа Далтонов атом?

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

12

1897: J.J. Thomson

• Енглески физичар• Експериментисао са

катодни цевима Cathode-Ray Tubes (CRTs)

• Открио честицу коју данас зовемо електрон

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

13

Томсон, 1897. • Томсон је проучавао

пролазак електричне струје кроз гасове.

• Приметио је да се јављају мистериозне честице које долазе са катоде

• скреће их магнетно и електрично поље

• врло су мале и негативно су наелектрисане !?

• Атом је неутралан и недељив– одакле сад негативне честице одједном?

Одакле су оне дошле?

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

14

Томсон је закључио да негативна наелектрисања долазе из атома.

Дакле – ствари мање од атома морају да постоје.

Атом је Атом је дељив!дељив!!!

Томсон је то негативно наелектрисање назвао “корпускула” (најситнија честица) а данас се оно назива електрон.

Како је гас био неутралан, Томсон је закључио да, осим негативног, мора да постоји и позитивно наелектрисање у атому

Проблем - нико га до тада није “видео”.

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

15

Модел атома: Џеј Џеј Томсон

• Атоми су неутрални… КАКО?• у њему мора да постоје “+”

наелектрисања као равнотежа “-” наелектрисањима

• + и – су сконцентрисани у атому који је Томсон назвао “пудинг са сувим грожђем”

• електрони су уроњени у “море” непрекидно по простору атома распређеног позитивног наелектрисања”

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

16

*Модел атома: Џеј Џеј Томсон - слајд за дипломиране физичаре -

• центри + и – наелектрисања се поклапају!

• шта ако код водоника “ухватимо” електрон и померимо га мало из равнотежног положаја и пустимо

• почиње хармонијско осциловање • којом фреквенцијом?• = фреквенцијом прве линије

Лајманове серије!!!

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

17

Радефорд – Томсонов студент, 1911. година

Ко је следећи?

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

18

Радефордов експеримент

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

19

Ернест Радефорд

• Закључци из 1911. године– Атом је углавном празан, тј. +

налектрисање се не налази свуда по атому!

– “веома, веома мала, масивна, јако + наелектрисана честица ... окружена танком негативно наелектрисаном љуском

– малу, масивну и веома наелектрисану честицу је назвао језгро – нуклеус (нуклеарни модел)

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

20

Радефордов – нуклеарни -модел

Електрони

Језгро+ наелектрисано

Празан простор

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

21

“Нуклеарни модел”

• 1911 – 1913• Ернест Радефорд• Атом је углавном празан• Има веома мали, али веома густ, нуклеус (језгро) у

центру (+ наелектрисан)• Електрони (- наелектрисани) орбитирају око језгра

као планете око Сунца

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

22

• “Само то” што није стабилан: Привлачење негативних електрона и позитивног језгра – електрон на крају пада на њега.

• Има још: Зрачење које се при томе јавља мора да буде континуално.

• Проблем је што није континуално у пракси – зраче се одређене боје!!!!

+

- -

--

-

Шта не ваља код Радефордовог модела?

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

23

Нилс Бор

• Радефордов пријатељ• Анализирао спектралне

линије водоника• Приметио да нуклеарни

модел не може да их објасни• Електрони се окрећу око

језгра• Класична физика:

– губе енергију зрачењем континуално и

– падају на језгро• У реалности се не дешава

ни једно ни друго!!!

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

24

Борове идеје-Боров планетарни модел

• Електрони се крећу око језгра по стабилним орбитама и при том не емитују зрачење.

• Електрон на таквој (стабилној) орбити има одређену енергију.

• Енергија се зрачи када електрони прелазе са више орбиту на нижу.

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

25

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

26

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

27

• Енергија се емитује као фотон енергије која је тачно једнака енергијској разлици нивоа

initial finalhf E E

+

--

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

28

Шема енергијских нивои

• Могуће енергије које електрон може да има у атому могу да се представе дијаграмом енергијских нивоа .

1E

2E

3E4E

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

29

и његов “отисак прста”

Водоник

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

30

Боров модел - проблеми

• добро објашњава атом водоника и њему сличне

• не објашњава енергијске нивое него их постулира – не знамо зашто су баш толике енергије,

• ...

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

31

Луј-Виктор де Брољи (Louis-Victor de Broglie)

• Честице имају карактеристике таласа• Тачасно-честична дуалност у природи• Применљиво на све таласе и на све честице• Што је честица масивнија слабије је изражена њена

таласна природа.  • Електрони – веома мале масе, испољавају значајна

таласна својства. • Електрони се крећу толико брзо да је немогуће

одредити њихову тренутну позицију

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

32

Таласни модел - почеци

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

33

Ирвин Шредингер(Erwin Schrödinger)

• 1926

• Шредингерова (таласна) једначина– даје вероватноће да се електрони нађу на

неким местима око језгра – имају максимум тачно на Боровим орбитама

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

34

Електронски “облаци”

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

35

Електронски облаци – квантно-механички модел

• Електрони се не крећу око језгра атома по тачно одређеним путањама (као што то чине планете око Сунца)

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

36

* * Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама које представљају почетна слова речи за линије у које представљају почетна слова речи за линије у спектралним серијамаспектралним серијама

l = 0l = 0 s s ( sharp – оштра )

l = 1l = 1 p p ( principal - главна)

l= 2l= 2 d d ( diffuse -дифузна)

l = 3l = 3 f f ( fundamental-основна)

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

37

* * Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама које представљају почетна слова речи за линије у које представљају почетна слова речи за линије у спектралним серијамаспектралним серијама

l = 0l = 0 s s ( sharp – оштра )

l = 1l = 1 p p ( principal - главна)

l= 2l= 2 d d ( diffuse -дифузна)

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

38

Где смо данас?• Модел електронских облака (облаци

вероватноће)• И тај модел има недостатке• Тешко га је прихватити јер се крећемо у

свету великих и спорих тела а атоми и њихови саставни делови су мали и брзо се крећу

• Борове речи:– “Онај ко није шокиран када се упозна са

квантном механиком вероватно је није ни разумео."

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

39

Да ли су сви сагласни са том теоријом?

• Нису

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

40

“Е баш ћеш ти да Му кажеш шта ће да ради”

“Он не само да се игра коцкицама већ их често баца и на такваместа где не можемо да их видимо”

“Он не баца коцкице”

Божић је био – шта су говорили велики умови о томе чиме се Он

бави

Једна од великих расправа 20. века

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

41

“Неће Ајнштајн да говори Богу шта ће да ради”

“Бог не само да се игра коцкицама већ их често баца и на такваместа где не можемо да их видимо”

“Бог не баца коцкице”

Једна од великих расправа 20. века –

на тему електронских облака

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

42

• Нека вам рад на кампу буде забаван и

• надмашите своје учитеље

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

43

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

44

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

45

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

46

8. јануар 2011. године 5. Зимски камп физике и информатике – Сокобања 8-15.јануар 2011.

47

Структура материјеДемокрит: добро наоштримо “нож” и почнемо да рецкамо материју – шта ћемо “видети”?