Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Stavba atomů a molekul
V prezentaci jsou použity obrázky z řady zdrojů, které nejsou důsledně citovány, tímto se všem dotčeným omlouvám.
Michal Otyepka
Vidět znamená věřit
Úvod
l cíle – seznámit studenty s moderními představami a fakty
o struktuře a vlastnostech látky
Proč?
„Konečný výklad všech chemických jevů musí být založen na struktuře atomů.“ Cotton A., Wilkinson G.
Přehled témat
l struktura mikrosvěta l elementární částice l atomy l molekuly l mezimolekulové interakce l struktura biomakromolekul
Hmota
l ? l Látka
– z částic s nenulovou klidovou hmotností – atomy, molekuly, ionty
l Pole – bude diskutováno dále
Skupenství hmoty
l pevné, kapalné, plynné l plazma, kvark-gluonové plazma (kvagma), Bose-Einsteinův kondenzát
ionizace
deionizace
Stavba mikrosvěta v historii
l živly/elementa (Aristoteles) – oheň, vzduch, voda, země – základy Alchymie
l 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
l diskrétní hladiny některých dynamických veličin l dualismus vln a částic l nekomutativnost aktu měření l relace neurčitosti l nedeterminismus kvantové teorie
Než začneme
l vlnění
l elektromagnetické vlnění
u=λνvlnová délka
frekvence (Hz)
rychlost
c=λνλ
ν1~ =
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
l energie – J, eV, kcal/mol, Rydberg – 1 eV = 1.6·10-19 J, 1 cal = 4.184 J, 1 Ry = 13.605 eV
l délka – Angström – 1 Å = 10-10 m (zakázaná SI)
10–3 mili – m 103 kilo – k 10–6 mikro – µ 106 mega – M 10–9 nano – n 109 giga - G 10–12 piko – p 1012 tera - T 10–15 femto – f 10–18 atto – a
předpony SI
Elementární částice
Elementární částice
l do roku 1932 byly známy jen – elektron (Thomson – 1897, katodové částice) – proton (Rutheford - 1918), protos = první – neutron (Chadwick - 1932)
Další objevy elementárních částic
l H. Yukawa – pion l P. Dirac – predikce antičástice, pozitron
l Anderson - 1932
l W. Pauli – neutrino l E. Fermi - 1934
l M. Gell-Mann – kvarky
„Chemické“ elementární částice
Elektron - e–
l náboj –1.602177.10 –19 C – považuje se za elementární náboj, značí se e
l hmotnost me = 9.10939.10 –31 kg ... lepton l spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion
– spin, vnitřní moment hybnosti
e0 1−
Proton - p+
l náboj +1.602177.10 –19 C l hmotnost mp = 1.67262.10 –27 kg ... baryon,
hadron – mp = 1836 me
l spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion l tvoří jej tři kvarky – up, up, down
p11
Neutron - n
l náboj = 0 C l hmotnost mn = 1.67493.10 –27 kg ... baryon,
hadron – mn = 1839 me
l spinové kvantové číslo „spin“ ½ ... fermion l tvoří jej tři kvarky – up, down, down l volný 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?
l hadrony jsou složené z kvarků
Hadrony
l hadrony l mezony
l piony l kaony
l baryony l nukleony (proton, neutron) l hyperony
Standardní model
l 12 částic tvořících hmotu l 12 antičástic l vzájemné působení polními částicemi
12 částic hmoty
Co to všechno drží pohromadě?
silové interakce
Stavba atomů
Stavba atomů - SŠ
l 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
l elektronový obal – průměr ~10 –10 m
He42
Hmotnost v mikrosvětě
l g nejsou praktické l atomová hmotnostní jednotka mu
l mu = ⎯ m( C) = 1.661.10 – 24 g
l relativní hmotnost Mr = m/mu
1 12
12 6
l látkové množství n = 1 mol l 1 mol počet atomů v 12g ( C) = 6.022.1023 mol-1
l Avogadrovo číslo NA, n = N/NA
l molární hmotnost M = Mr*mu*NA = Mr (g)
12 6
Schéma atomu - SŠ
jádro – centrum hmotnosti
elektronový obal
rozdíl 5 řádů
Schémata a představy atomů
Jádro vs. obal
l Rutheford, Geiger, Marsden 1909
atomy obsahují kladné jádro < 10 fm
Ruthefordův model - 1911
l na základě svých experimentů navrhuje planetární model atomu – malé, hmotné, kladně nabité jádro – okolo něj krouží elektrony
!ROZPOR!
l elektron obíhající po kruhové dráze vykonává zrychlený pohyb a musí vyzařovat! ... ztrácí tak rychlost a padá po spirále k jádru
Pár poznámek k jádru
l izotop – stejné protonové číslo, různý počet neutronů – H, D, T nebo 35Cl, 37Cl ...
l nuklid – prvek mající čisté izotopové složení l Cl (75,4% 35Cl, 24,6% 37Cl) l jádro – stabilní nebo přirozená radioaktivita l jádra lze
– štěpit – jaderné reakce – slučovat – jaderné fúze
Radioaktivita
l nestálá jádra – spontánní jaderný rozpad – emise α-, β- či γ- záření – α - emise jader 4He – β- emise elektronů – γ- emise fotonu
graf známých nuklidů, zelené – stabilní, béžové radioaktivní
Bi
Utváření představ o elektr. obalu
l excitované atomy emitují světlo jen o určitých vlnových délkách
H
Hg
Ne
Atom se při absorbci fotonu excituje
základní stav
světlo (energie)
Excitace
excitovaný stav vzbuzený stav S1
Ener
gie
S0
E(S1 )−E(S0 ) = ΔE = E(γ ) = hν
H více přechodů – více stavů
Emisní a absorpční spektrum
Spektrum atomu vodíku
Ener
gy
Ultra Violet Lyman
Infrared Paschen
Visible Balmer
6 5
3 2
1
4
n
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−== 22111~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
l energie potřebná na odstranění elektronu ze základního stavu atomu (přenesení do nekonečné vzdálenosti)
Ener
gy
∞
3 2
1
n
hcRhcRhcE =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∞−== 221
11~ν
Ionizační energie – určení ze spektra
l 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
l „zlepšil“ planetární model l jen některé hladiny okolo jádra jsou povolené
– elektron na nich nezáří
l elektron může přeskočit na jinou hladinu za současného vyzáření (absorpce) kvanta energie
l kvantování tak vstupuje jako dodatečná podmínka
Bohrův model
l revoluce v nazírání na hmotu l měl řadu much
– kvantováním řešil kolaps z pohledu klasické fyziky – platil dobře jen pro vodíku podobné atomy
l otevřel cestu pro vybudování plně kvantově mechanického modelu atomu