stavba atomů a molekul - dd11trivis.webnode.cz · Stavba atom ů a molekul Úvod z ... (Aristoteles) – oheň, vzduch ... Ruthefordův model - 1911 zna základě svých experimentů

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