Zloženie a štruktúra atómu

Modely atómu a história

Podľa Daltonovej teórie (zač. 19. stor.) základnou stavebnou časticou všetkých látok je atóm. Sformuloval Atómovú teóriu:
-prvky sú zložené z malých neoddeliteľných častíc – atómov, atómy jedného prvku sú rovnaké, atómy rôznych prvkov sa líšia svojimi vlastnosťami (naskôr bola hypotéza poopravená: atóm je častica deliteľná, atómy rovnakých prvkov nie sú vždy rovnaké – viď izotopy)

-pri chem. reakciách dochádza k spájaniu, oddeľovaniu a preskupovaniu atómov, atómy pri nich nevznikajú, nezmiznú a ani sa nemenia na atómy iných prvkov
-spájaním atómov dvoch alebo viacerých prvkov vznikajú nové látky – chem. zlúčeniny
-v urč. zlúčenine pripadá na jeden atóm istého prvku vždy rovnaký počet atómov iného prvku

Dnes vieme, že atómy majú svoju vnútornú štruktúru – kladne nabité jadro a záporne nabitý elektrónový obal.
Thomson – prvý vytvoril model atómu – guličky vyplnené rovnomerne +, - nábojom. Thomsonovom modeli (statický model atómu - r.1902) sú elektróny umiestnené v kladne nabitej guli (atóme) ako hrozienka v pudinku. Atóm obsahuje toľko elektrónov, aby bol elektroneutrálny.

Rutherford – ožaroval fólie alfa lúčmi (jadrá He), dokázal existenciu protónov a neutrónov (planetárny model). V Ruthefordovom modeli (planetárny model atómu - r.1911) elektróny obiehajú okolo kladne nabitého jadra po kruhových dráhach ako planéty okolo slnka a tvoria elektrónový obal atómu. Tento pohyb elektrónov bol v rozpore so zákonmi klasickej fyziky. Na rozdiel od predpokladaného spojitého spektra atómu bol experimentálne dokázaný čiarový charakter všetkých atómových spektier.

Okolo kladne nabitého jadra, ktorého polomer je 10 000 krát menši ako polomer atómu, obiehajú po kružniciach elektróny. Záporný náboj elektrónov vyrovnáva kladný náboj jadra. Vypočítal, že viac ako 99 percent hmotnosti atómu ja sústredené v kladne nabitom jadre, ktorého polomer je asi 10-14m až 10-15m. O atóme sa vtedy predpokladalo, že má tvar gule s polomerom asi 10-10m. Zistil, že atóm sa skladá z jadra a obalu.

Bohr – Niels Bohr navrhol v roku 1913 nové zákony pre pohyb elektrónu v atóme. Bohrov model atómu vychádza z princípov kvantovej teórie, ktorej zakladateľom bol Max Plank. Predpokladal, že elektróny obiehajú okolo kladne nabitého jadra, dráhu nazval orbitál (stacionárne dráhy). Elektrónom prislúcha na každej dráhe urč. energia, ktorú môže elektrón meniť len pri prechode z jednej dráhy na druhú len po urč. dávkach – kvantách.

Kvantovo mechanický model atómu – zistilo sa, že elektróny v atóme majú dualistický charakter. Sú definované ako hmotné body, ale pohybujú sa takmer rýchlosťou svetla. Schrödingerovi sa podarilo popísať dráhu a výskyt elektrónov v atóme. Elektrón je v atóme charakterizovaný pomocou 4 kvantových čísiel a 3 pravidiel:

1.hlavné kvantové číslo – n udáva číslo dráhy a hodnotu energie prislúchajúcu danému elektrónu n = 1- nekonečno
2.vedľajšie kvantové č. – l udáva tvar orbity, l = 0 po n-1
3.magnetické kvantoré č. – m udáva orientáciu orbity do priestoru, m = -l ...0...+l
4.spinové kvantové č. určuje rotáciu elektrónu okolo vlastnej osi, hodnoty: +1/2, -1/2

Big Bang – etapy, sily zloženie častíc

Big bang (angl.) slov. veľký tresk, výbuch. Náš vesmír sa zrodil z explózie, z veľkého tresku. Predtým nebolo nič. Absolútna ničota. My ľudia si ju ani nevieme predstaviť. A odrazu tá úžasná koncentrácia energie. Stalo sa to pred 20 miliardami rokov. V niekoľkých zlomkoch sekundy sa energia zmenila na hmotu. Z neslýchanej hustoty: celý náš vesmír bol skoncentrovaný v náprstku! Teplota: miliardy a miliardy stupňov !!! Pod vplyvom explózie sa hmota začala rozptyľovať, vzďaľovať sa od počiatočného bodu. To bol začiatok rozpínania vesmíru... ktoré sa ešte vždy neskončilo!

- prvotná explózia, ktorou začal existovať náš vesmír (pred 18 miliardami rokov). Náznak tejto hypotézy pochádza z 20. rokov nášho storočia, keď si americký astronóm E. P. Hubble všimol, že ďaleké galaxie sa od nás systematicky vzďaľujú - ako keby sa vesmír rozpínal. Ak sa na tento pohyb vesmíru pozeráme spätne - ako by sme si pustili naspäť film - máme dojem, že vesmír sa nakoniec musí zmrštiť do tvrdého centra. Upozornil na to v r. 1927 belgický matematik G. H. Lemaitre a vyslovil domnienku, že vesmír možno bol na začiatku svojho vývoja malým a veľmi hustým "kozmickým vajíčkom", ktoré explodovalo - a až tak vznikol vesmír, ktorý dnes poznáme.
Z častí pôvodnej hmoty vznikli galaxie, ktoré sa v dôsledku tohto nepredstaviteľne mohutného výbuchu dodnes od seba vzďaľujú, i keď ku všetkému došlo pred miliardami rokov. Lemaitrovu hypotézu ďalej rozpracoval americký fyzik ruského pôvodu G. Gamow. Prepočítal teploty v pozostatkoch tohto výbuchu a odvodil, aké rychle mohlo byť jej klesanie a ako sa počiatočná energia mohla zmeniť na elementárne častice, jednoduché a nakoniec i zložitejšie atómy. Keď Gamow o tomto prvom veľvýbuchu uvažoval, nazval ho Big Bangom.

Etapy:

1, hneď po veľkom tresku je zmes hmoty a energie. Začína sa rozpínanie. Teplota v miliardtine sekundy poklesla o miliardy stupňov
2, Nepretržité zmeny tlaku a teploty mali za následok zmeny elementárnych častíc hmoty a energie. Vesmír sa stáva nestálym a rýchlo sa rozpína.
3, Potom gravitácia začína spomaľovať rozpínanie. Milióntina sekundy po veľkom tresku, vznikajú prvé „tehličky“ hmoty, ktoré poznáme.
4, Trochu neskôr dochádza k spojeniu dvoch protónov a dvoch neutrónov: vzniklo prvé atómové jadro. Ide o jadro hélia ! Teplota nie je „väčšia“ ako tri milióny stupňov !
5, Minúta po Big Bangu: závratný pokles hustoty umožňuje elektrónom obiehať okolo atómových jadier. Vznikajú prvé atómy vodíka a potom hélia. Týchto atómov je vo vesmíre najviac – vodík a hélium tvoria 99% jeho hmoty.
6, Po prvých piatich minútach sa vesmír rozpína a ochladzuje pomalšie – to je éra hmoty. Za milión rokov teplota klesá o 3000 ˚C. Tieto podmienky umožňujú vznik hviezd. Ako už bolo uvedené tak 75% látky súčastného vesmíru pozostáva z vodíka, 24% z hélia, a to zvyšné jedno percento celkového množstva látky v kozme predstavujú ostatné chemické prvky. Ak si uvedomíme, že hélium a všetky ťažšie prvky vznikli z vodíka, môžeme otázku vzniku celého vesmíru zúžiť na otázku vzniku vodíka.

Poznáme štyri typy základných síl, sú to gravitácia, ktorá pôsobí skôr na veľké diaľky a je to dosť slabá sila, potom sú to sily, ktoré pôsobia medzi kladnými a zápornými časticami a nakoniec slabá a silná interakcia. Najprv vznikli elektromagnetické sily, krátko potom vznikla silná interakcia, potom gravitácia a nakoniec slabá interakcia. Tento postup sa dá vyskúša aj opačne. Pri zvyšovaní energie sa budú sily postupne spája a vytvoria jednu super - silu, ktorá tie pri istej teplote zanikne.


Dualistický charakter žiarenia a častíc

elektrón ma dvojaký – dualistický charakter = vlnovo-časticový (vlnovo-korpuskulárny) charakter, t.z. za experimentálnych podmienok sa správa ako častica, za iných ako vlnenie

Svetlo má podľa fotónovo kvantovej teórie súčasne vlnové a kvantové vlastnosti. Vlnové – interferencia (skladanie niekoľkých koherentných vlnení rovnakého druhu do jedného výsledného vlnenia), difrakcia (je ohyb svetelných vĺn pri prechode malým otvorom alebo vedľa okraja prekážky. Difrakciou na ohybovej mriežke vzniká spektrum.), polarizácia svetla (veličina, ktorá udáva, v ktorom smere svetlo kmitá.). Kvantové – fotoelektrický jav, absorpcia svetla.

Heisenbergov princíp neurčitosti

Podľa tohto princípu isté dvojice pozorovateľných veličín (ako napr. poloha a hybnosť alebo čas a energia) nemôžu byť súčasne známe s vyššou presnosťou, než aká je daná hornou hranicou, vyjadrenou pomocou Planckovej konštanty. Čím presnejšie zmeriame jednu veličinu, tým nepresnejšie zmeriame druhú veličinu. Princíp teda hovorí, že nie je možné presne poznať hybnosť a rýchlosť častice súčasne, pretože samé meranie ovplyvňuje výsledok. V našom každodennom svete dokážeme spraviť dostatočne citlivé merania, ale v kvantových systémoch to tak nie je.

Ak chceme časticu veľmi presne lokalizovať je nutné použiť svetlo s krátkou vlnovou dĺžkou pretože vlnová dĺžka určuje najmenšiu oblasť kde môžeme časticu lokalizovať. A však čím je vlnová dĺžka menšia tým je energia fotónu, ktorý narazí do častice, väčšia takže po náraze vznikne veľká zmena hybnosti. Ak by sme pokus spravili naopak, chceli by sme poznať presnú hybnosť, musíme použiť svetlo s nízkou energiou, čiže veľkou vlnovou dĺžkou, aby sme systém len minimálne ovplyvnili, ale pri veľkej vlnovej dĺžke nastáva neurčitosť v meraní polohy.
Atómové jadro

- skladá sa z protónov p+ - častice s kladným nábojom, ktorých počet v jadre udáva protónové číslo Z
- z neutrónov n0 – častíc bez náboja, ktorých počet v jadre udáva neutrónové číslo N
- protóny + neutróny = nukleóny, ich počet v jadre udáva nukleónové číslo A
- látky zložené z atómov, ktorých jadrá majú rovnaké protónové číslo, rovnaké neutrónové číslo, teda aj rovnaké nukleónové číslo sa nazývajú nuklidy.
- atómy s rovnakým počtom protónov, ale s rôznym počtom neutrónov sa nazývajú izotopy. Izotopy 1 prvku sa líšia iba fyzikálnymi vlastnosťami, napr. atómovou hmotnosťou.

Elektrónový obal

-tvoria ho elektróny – častice so záporným nábojom, ktoré kompenzujú kladný náboj jadra. Ich počet v elektricky neutrálnom atóme sa zhoduje s počtom protónov v jadre.

Stavba elektrónového obalu

-elektrónová hustota – je hodnota pravdepodobnosti výskytu elektrónu v danom mieste. Oblasti s najvyššou elektrónovou hustotou sa nazývajú orbitály.
-orbitály charakterizujú 3 kvantové čísla. Ich kombináciami môžeme popísať ľubovolný orbitál v elektrónovom obale.
-rozlišujeme orbitály s, p, d, a f
-orbitál s je guľovo symetrický (pre dané n existuje len 1 orbitál s)
-orbitál p má 3 možné priestorové orientácie (pre dané n existujú 3 orbitály p)
-orbitál d má 5 možných priestorových orientácií
-orbitál f má 7 možných priestorových orientácií
-elektróny s rovnakým hlavným i vedľajším kvantovým číslom tvoria podvrstvu, majú rovnakú energiu a líšia sa iba magnetickým kvantovým číslom. Orbitály s rovnakým hlavným a vedľajším kvantovým číslom sa nazývajú degenerované orbitály.

Elektrónová konfigurácia atómu

-popisuje obsadenie atómových orbitálov elektrónmi. Na ich znázornenie používame rámčekové diagramy, kde elektróny označujeme šípkami
- pre zapĺňanie elektrónového obalu elektrónmi platia urč. pravidlá:
Pauliho princíp – v atóme nemôžu existovať elektróny, ktoré by mali všetky 4 kvantové čísla zhodné, musia sa líšiť aspoň spinovým kvantovým číslom, v každom orbitále môžu byť najviac 2 elektróny, a preto:
-na hladine s môžu byť najviac 2 elektróny
-na p najviac 6
-na d najviac 10
-na f najviac 14

Hundovo pravidlo – orbitály s rovnakou energiou (degenerované) sa obsadzujú najprv všetky 1 elektrónom s rovnakým spinovým číslom, až potom sa dopľňajú druhým elektrónom s opačným spinom.

Výstavbový princíp – orbitály s nižšou en. sa zapĺňajú skôr než orbitály s vyššou en., najprv sa zapĺňajú orbitály s menším súčtom n+l, v prípade rovnosti súčtu sa obsadzujú najprv orbitály s menším n, tomu zodpovedá poradie: 1s ,2s ,2p ,3s ,3p ,4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p

-elektróny nachádzajúce sa v najvyššej energetickej hladine – valenčnej vrstve - sa nazývajú valenčné elektróny. Určujú chem. vlastnosti atómu prvku.
-uvedené pravidlá platia pre el. konfiguráciu atómu v základnom stave, t.j. stave s najnižšou energiou. Dodaním en. sa atóm dostane do exitovaného stavu a 1 alebo viac valenčných elektrónov prejde na najvyššiu energetickú hladinu. Ide o exitáciu.
-ionizácia – proces, pri ktorom sa dodaním dostatočnej energie odtrhne 1 alebo postupne viac elektrónov z obalu atómu a z elektroneutrálneho atómu vznikne kladne nabitý ión – katión. Energia potrebná na odtrhnutie elektrónu od atómu sa nazýva ionizačná energia. Elektróny sa po odtrhnutí môžu spojiť s inou dovtedy neutrálnou časticou a vznikne anión. Energia uvoľnená pri vzniku aniónu z atómu v plynnom stave sa nazýva elektrónová afinita.