Stavba atomů a molekul

Transkript

1 Stavba atomů a molekul Michal Otyepka V prezentaci jsou použity obrázky z řady zdrojů, které nejsou důsledně citovány, tímto se všem dotčeným omlouvám.

2 Vidět znamená věřit

3

4 Úvod l cíle seznámit studenty s moderními představami a fakty o struktuře a vlastnostech látky

5 Proč? Konečný výklad všech chemických jevů musí být založen na struktuře atomů. Cotton A., Wilkinson G.

6 Přehled témat l struktura mikrosvěta l elementární částice l atomy l molekuly l mezimolekulové interakce l struktura biomakromolekul

7 Hmota l? l Látka z částic s nenulovou klidovou hmotností atomy, molekuly, ionty l Pole bude diskutováno dále

8 Skupenství hmoty l pevné, kapalné, plynné l plazma, kvark-gluonové plazma (kvagma), Bose-Einsteinův kondenzát ionizace deionizace

9 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

10 Paradoxy mikrosvěta l diskrétní hladiny některých dynamických veličin l dualismus vln a částic l nekomutativnost aktu měření l relace neurčitosti l nedeterminismus kvantové teorie

11 Než začneme frekvence (Hz) l vlnění λ λν rychlost = u l elektromagnetické vlnění vlnová délka vlnočet ~ = ν 1 λ λν = c c = m.s 1

12 E = hν = h c λ h = 6, J.s český název frekvence vlnová délka anglické označení gama záření Hz m Gamma Rays rentgenovo záření Hz 10-0,1 nm X-Rays ultrafialové záření Hz nm Ultra Violet (UV) viditelné záření Hz nm Visible (VIS) infračervené záření Hz 1 mm - 1 mm Infra Red (IR) mikrovlny GHz 10-1 mm Extremely High Frequency (EHF) mikrovlny 3-30 GHz 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) MHz 10-1 m Very High Frequency (VHF) krátké vlny (KV) 3-30 MHz m High Frequency (HF) střední vlny (SV) 0,3-3 MHz 1-0,1 km Medium Frequency (MF) dlouhé vlny (DV) khz 10-1 km Low Frequency (LF) velmi dlouhé vlny 3-30 khz km Very Low Frequency (VLF) extrémně dlouhé vlny 0,3-3 khz km Extremely Low Frequency (ELF)

13 Než začneme l energie J, ev, kcal/mol, Rydberg 1 ev = J, 1 cal = J, 1 Ry = ev l délka Angström 1 Å = m (zakázaná SI) předpony SI 10 3 mili m 10 3 kilo k 10 6 mikro µ 10 6 mega M 10 9 nano n 10 9 giga - G piko p tera - T femto f atto a

14 Elementární částice

15 Elementární částice l do roku 1932 byly známy jen elektron (Thomson 1897, katodové částice) proton (Rutheford ), protos = první neutron (Chadwick )

16 Další objevy elementárních částic l H. Yukawa pion l P. Dirac predikce antičástice, pozitron l Anderson l W. Pauli neutrino l E. Fermi l M. Gell-Mann kvarky

17 Chemické elementární částice

18 Elektron - e 0 1 e l náboj C považuje se za elementární náboj, značí se e l hmotnost m e = kg... lepton l spinové kvantové číslo spin ½... fermion spin, vnitřní moment hybnosti

19 Proton - p p l náboj C l hmotnost m p = kg... baryon, hadron m p = 1836 m e l spinové kvantové číslo spin ½... fermion l tvoří jej tři kvarky up, up, down

20 Neutron - n 1 0 n l náboj = 0 C l hmotnost m n = kg... baryon, hadron m n = 1839 m e 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

21 Co ty kvarky? Three quarks for muster Mark J. Joyce Finnegan s Wake (1963)

22 Co ty kvarky? l hadrony jsou složené z kvarků

23 Hadrony l hadrony l mezony l piony l kaony l baryony l nukleony (proton, neutron) l hyperony

24 Standardní model l 12 částic tvořících hmotu l 12 antičástic l vzájemné působení polními částicemi

25 12 částic hmoty

26 Co to všechno drží pohromadě? silové interakce

27 Stavba atomů

28 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 4 He průměr ~ m l elektronový obal

29 Hmotnost v mikrosvětě l g nejsou praktické l atomová hmotnostní jednotka m u 1 12 l m u = m( C) = g 12 6 l relativní hmotnost M r = m/m u l látkové množství n = 1 mol l 1 mol počet atomů v 12g ( C) = mol -1 l Avogadrovo číslo N A, n = N/N A l molární hmotnost M = M r *m u *N A = M r (g) 12 6

30 Schéma atomu - SŠ elektronový obal jádro centrum hmotnosti rozdíl 5 řádů

31 Schémata a představy atomů

32 Jádro vs. obal l Rutheford, Geiger, Marsden 1909 atomy obsahují kladné jádro < 10 fm

33 Ruthefordův model 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

34 Pár poznámek k jádru l izotop stejné protonové číslo, různý počet neutronů H, D, T nebo 35 Cl, 37 Cl... l nuklid prvek mající čisté izotopové složení l Cl (75,4% 35 Cl, 24,6% 37 Cl) l jádro stabilní nebo přirozená radioaktivita l jádra lze štěpit jaderné reakce slučovat jaderné fúze

35 Radioaktivita l nestálá jádra spontánní jaderný rozpad emise α-, β- či γ- záření α - emise jader 4 He β- emise elektronů γ- emise fotonu Bi graf známých nuklidů, zelené stabilní, béžové radioaktivní

36 Utváření představ o elektr. obalu l excitované atomy emitují světlo jen o určitých vlnových délkách H Hg Ne

37 Atom se při absorbci fotonu excituje Energie S 1 Excitace excitovaný stav vzbuzený stav E(S 1 ) E(S 0 ) = ΔE = E(γ) = hν H více přechodů více stavů světlo (energie) S 0 základní stav

38 Emisní a absorpční spektrum

39 Spektrum atomu vodíku ~ ν = R 2 λ n j n i = 2 Rydbergova konstanta Energy hrana série R(0.14) R(0.22) R(0.75) Ultra Violet Lyman Visible Balmer R(0.97) Infrared Paschen n R = cm -1

40 Ionizační energie l energie potřebná na odstranění elektronu ze základního stavu atomu (přenesení do nekonečné vzdálenosti) E hc hcr 1 1 = ~ν = = hcr Energy n

41 Ionizační energie určení ze spektra l linie H: ; ; ; ; ; cm -1 E I = hcν ~ E I = ~ ν ( cm J = 13.6 ev ) ~ ν = E I hc R 2 n y = x n

42 Bohrův model 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

43 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