ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU. kladně nabitá hmota. elektron



Podobné dokumenty
Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Elektronový obal atomu

Struktura elektronového obalu

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Inovace výuky prostřednictvím šablon pro SŠ

Moravské gymnázium Brno s.r.o. RNDr. Miroslav Štefan

ATOM. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

Atom a molekula - maturitní otázka z chemie

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

2. Elektrotechnické materiály

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

HISTORIE ATOMU. M g r. ROBERT P ECKO TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

8.STAVBA ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL

Stavba atomu. protony p + nukleony neutrony n 0. elektrony e -

Stavba atomu. Created with novapdf Printer ( Please register to remove this message.

Protonové číslo Z - udává počet protonů v jádře atomu, píše se jako index vlevo dole ke značce prvku

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

Elektronový obal atomu

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

16. Franck Hertzův experiment

VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA

Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název DUM: Model atomu Číslo DUM: III/2/FY/2/2/2 Vzdělávací předmět: Fyzika Tematická oblast: Elektrické a

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

2. ATOM. Dualismus částic: - elektron se chová jako hmotná částice, ale také jako vlnění

8.1 Elektronový obal atomu

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Gymnázium a Střední odborná škola, Rokycany, Mládežníků 1115

Elektronový obal atomu

Výfučtení: Návštěva do mikrosvěta atomů a elektronů

Balmerova série vodíku

Jméno autora: Mgr. Ladislav Kažimír Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_06_Ch_OB Ročník: I. Vzdělávací oblast: Přírodovědné

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Orbitalová teorie. 1.KŠPA Beránek Pavel

Přirovnání. Elektrony = obyvatelé panelového domu Kde bydlí paní Kostková? Musíme udat patro a číslo bytu.

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Světlo jako elektromagnetické záření

ATOMOVÉ JÁDRO. Nucleus Složení: Proton. Neutron 1 0 n částice bez náboje Proton + neutron = NUKLEON PROTONOVÉ číslo: celkový počet nukleonů v jádře

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Od kvantové mechaniky k chemii

Fyzika IV. Pojem prvku. alchymie. Paracelsus (16.st) Elektronová struktura atomů

Elektronový obal atomu

Stručný úvod do spektroskopie

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

4.3. Kvantové vlastnosti elektromagnetického záření

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU

ZÁKLADNÍ POJMY KVANTOVÉ FYZIKY, FOTOELEKTRICKÝ JEV. E = h f, f je frekvence záření, h je Planckova

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

ATOMOVÁ STRUKTURA. Demokritos, staré Řecko: Veškerá hmota je tvořena malými neviditelnými částicemi, atomy.

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Úvod do laserové techniky

FYZIKA 4. ROČNÍK. Kvantová fyzika. Fotoelektrický jev (FJ)

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Balmerova série vodíku

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

ATOM KVANTOVÁ OHRÁDKA (HRADBA)

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

r(t) =0 t = a3 0 4cre

2. Atomové jádro a jeho stabilita

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Nesamostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Atomové jádro, elektronový obal

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Řešit atom vodíku znamená nalézt řešení Schrödingerovy rovnice s příslušným hamiltoniánem. 1 4πǫ 0. 2m e

Relativistická dynamika

atom Lomonosov Lavoisier Dalton Proutova modely atomů Thomsonův kladným elektronů vysílají elektromagnetické záření nedostatky: počet původ

7. Gravitační pole a pohyb těles v něm

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

VÍTEJTE V MIKROSVĚTĚ

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Emisní spektrální čáry atomů. Úvod do teorie a dvě praktické aplikace

Studium fotoelektrického jevu

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

MĚŘENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Praktikum III - Optika

Orbitaly ve víceelektronových atomech

Zeemanův jev. Michael Jirásek; Jan Vejmola Gymnázium Český Brod, Vítězná 616 SPŠE V Úžlabině 320, Praha 10

ATOM VÝVOJ PŘEDSTAV O SLOŽENÍ A STRUKTUŘE ATOMU

Transkript:

MODELY ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU Na základě experimentálních výsledků byly vytvořeny různé teorie o struktuře atomu, tzv. modely atomu. Thomsonův model: Roku 1897 se jako první pokusil o popis stavby atomu anglický fyzik John Josef Thomson (objevitel elektronu). Podle něj je atom kladně nabitá koule, v níž jsou rovnoměrně rozptýleny záporně nabité elektrony podobně jako rozinky v pudinku říká se mu pudinkový model atomu. Počet elektronů je takový, že kladné a záporné náboje se navzájem vyruší a atom se chová jako elektricky neutrální. Později se ukázalo, že Thomsonovy představy neodpovídají skutečnosti. kladně nabitá hmota elektron Zdroj obr.: http://www.aldebaran.cz/bulletin/005_13_mic.php Rutherfordův model: Anglický fyzik Ernest Rutherford roku 1911 ostřeloval tenkou zlatou fólii částicemi α (částice s kladným nábojem). Výsledek pokusu byl ale v rozporu s Thomsonovým modelem. Většina částic prošla fólií bez odchylky a jen malý počet se odchýlil od původního směru. Na základě těchto odchylek Rutherford usoudil, že atom musí obsahovat husté a kladně nabité centrum, které nazval jádrem atomu. Na základě tohoto pokusu Rutherford zformuloval představy o atomu. Atom se skládá z kladně nabitého jádra, v němž je soustředěna téměř veškerá hmota. Kolem jádra obíhají po kruhových nebo eliptických trajektoriích elektrony podobně jako planety kolem Slunce říká se mu planetární model atomu. Atom je navenek elektricky neutrální. Nedostatky modelu: Každá nabitá částice, která se pohybuje po zakřivené trajektorii, vyzařuje elektromagnetické vlny, a tedy i energii elektron by neustále vyzařoval energii na úkor své kinetické energie neustále by se přibližoval k jádru, až by s ním splynul.

Bohrův model: Dánský fyzik Niels Bohr roku 1913 formuloval novou teorii struktury atomu vodíku (navázal na představy Rutherfordovy a použil i představy Planckovy kvantové teorie). Elektron může obíhat kolem jádra po kružnicích s určitým poloměrem (tzv. kvantové dráhy, energetické hladiny). Obíhá-li elektron po některé z kvantových drah, má stálou energii a atom nezáří. Pokud je elektronu dodána energie, potom elektron přeskočí na vyšší kvantovou dráhu. Jestliže elektron přeskočí z vyšší kvantové dráhy na nižší, atom vyzáří foton. Pro energii fotonu platí: E = E E 1 h f, kde h je Planckova konstanta, f je frekvence fotonu, E 1 je energie na 1. energetické hladině, E je energie na. energetické hladině. Energie elektronu je kvantována, nemění se spojitě, ale jen po určitých dávkách - kvantech a může nabývat jen určitých dovolených hodnot. Nedostatky modelu: Později se ukázalo, že nevyhovoval pro složitější atomy s více elektrony. Vyhovoval jen pro atom vodíku. Zdroj obr.: http://astronuklfyzika.cz/strukturaatomu.gif Kvantově mechanický (Schrödingerův) model: Na základě kvantových představ byl v letech 194 až 197 vytvořen tento nový model atomu (podíleli se na něm fyzikové Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg a Max Born). Elektron se nachází v určitém kvantovém stavu podobně jako v Bohrově modelu, ale elektrony se nepohybují po kružnicích nebo elipsách. Lze jen vypočítat pravděpodobnost, s jakou se elektron nachází v určité oblasti kolem jádra. Elektron se může v okolí jádra vyskytovat v libovolné vzdálenosti, ale pravděpodobnost jeho výskytu je pro různé oblasti různá. Oblast okolo atomového jádra, v níž je pravděpodobnost výskytu elektronu největší, se nazývá orbital.

KVANTOVÉ STAVY ELEKTRONŮ V ATOMU Stav elektronu v atomu je popsán pomocí kvantových čísel: kvantové číslo značka hodnoty význam hlavní n n = 1,,3,4, určuje energii a velikost orbitalu vedlejší l l = 0,1,,,n-1 určuje tvar orbitalu magnetické m m = 0,1,,,l určuje polohu orbitalu v prostoru polohu orbitalů můžeme označit podle os: p x, p y, p z, d xz jeho hodnota udává počet orbitalů v podslupce spinové s s = 1/ určuje spin elektronu (směr otáčení elektronu kolem své osy) Slupka elektronového obalu: Nacházejí se v ní elektrony se stejným hlavním kvantovým číslem n. Někdy také označovaná jako energetická hladina. Označení slupek: K, L, M, N, O, P, Q. Poslední slupka v atomu se nazývá valenční. Maximální počet elektronů ve slupce je n. Počet orbitalů ve slupce (kapacita slupky) je n. Hlavnímu kvantovému číslu n odpovídá n kvantových stavů. Hlavní kvantové číslo n 1 3 4 5 6 7 Označení slupky K L M N O P Q Podslupka elektronového obalu: Nacházejí se v ní elektrony se stejným vedlejším kvantovým číslem. Označení podslupek: s,p,d,f,g. Vedlejší kvantové číslo l 0 1 3 4 Označení podslupky (orbitalu) s p d f g Tvary orbitalů: s - orbitaly mají tvar kulově symetrický p - orbitaly mají tvar prostorové smyčky d - orbitaly mají prostorově složitý tvar f - orbitaly mají prostorově složitý tvar Základní pravidla obsazování orbitalů elektrony: *** Výstavbový princip: Elektrony obsazují orbitaly podle rostoucí energie. Orbitaly s nižší energií se zaplňují dříve než orbitaly s vyšší energií v základním stavu atomu elektrony obsazují slupky a podslupky tak, aby měly co nejmenší energii. Obsazování hladin: 1s, s, p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p Pauliho vylučovací princip: V elektronovém obalu se nemohou vyskytovat dva elektrony, které by měly všechna 4 kvantová čísla stejná. Každé dva elektrony v obalu se liší v hodnotě aspoň jednoho kvantového čísla. V každém orbitalu se mohou nacházet nejvýše dva elektrony lišícími se spinovým kvantovým číslem.

Typy orbitalů: Orbitaly s: Mají tvar kulově symetrický. Zdroj obr.: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:orbital_s_1.png Orbitaly p: Mají tvar prostorové smyčky, liší se uspořádáním v prostoru. Zdroj obr.: http://xef.xanga.com/a76c6740735300743973/q16143613.gif

Orbitaly d: Zdroj obr.: http://www.chem.ufl.edu/~itl/045_s00/matter/fg06_03.gif ATOM VODÍKU: Elektron se může kolem jádra vyskytovat v různých kvantových stavech. Každý stav se vyznačuje určitou energií. Hodnoty energie se mění skokem, nikoliv spojitě. Pokud je elektron v kvantovém stavu určeném některým číslem n, je jeho energie stálá. Tento stav se nazývá stacionární kvantový stav. S rostoucím n a tedy se vzdalováním elektronu od jádra roste jeho energie. Pokud se elektron nachází na nejbližší energetické hladině (n = 1), má nejmenší možnou energii. Atom je v základním stavu. Energie elektronu na této hladině je E 1 = -13,63 ev. Znaménko mínus plyne z dohody nulová energie byla přiřazena stavu, kdy jsou elektron a jádro od sebe tak daleko, že na sebe nemohou působit. Má-li se elektron dostat na vyšší energetickou hladinu, musí mu být z vnějšku dodána energie. Takový atom se nazývá vzbuzený, nebo-li excitovaný. Vzbuzený atom je nestabilní, za velmi krátkou dobu (řádově asi 10-9 s) se vrací do základního stavu. Energie na n-té hladině v atomu vodíku: E n 1 E1 n Jestliže elektron přechází z hladiny o energii E n na hladinu s nižší energií E m, atom vyzáří foton o energii E h f E n E m

Abychom atom vodíku ionizovali (rozdělili ho na jádro a elektron), musíme mu dodat ionizační energii. Pro n se energie atomu blíží k nule a elektron už není v atomu vázán, dochází k jeho vytržení z atomu vodíku. Energie elektronu je tak velká, že elektron překoná přitažlivé síly, které ho poutají k jádru. K ionizaci atomu vodíku, který je v základním stavu, mu musíme dodat energii 13,6 ev. Některé důležité konstanty pro řešení příkladů: 34 Planckova konstanta h 6,6310 J s. Energie elektronu v atomu vodíku pro n=1 je E1 13, 63eV. 19 1 ev 1,6 10 J Řešené úlohy: Příklad 1. Energie elektronu v atomu vodíku, který je v základním stavu, je -13,6 ev. Jaká je energie elektronu ve čtvrtém a pátém kvantovém stavu? E1 E n Napíšeme vztah pro výpočet energie na n-té hladině. n 13,6 E4 0, 85eV 4 Dosadíme n=4. 13,6 E5 0, 54eV 5 Dosadíme n=5. Ve 4. kvantovém stavu má elektron energii 0,85eV a v pátém kvantovém stavu energii 0,54eV. Příklad. Při přechodu elektronu z třetí energetické hladiny na druhou byl vyzářen foton. Vypočtěte jeho energii a 34 frekvenci. Planckova konstanta h 6,6310 J s. E h f E 3 E Napíšeme vztah pro výpočet energie fotonu. E1 E n Vzorec pro výpočet energie na n té hladině. n

E E 3 13,6 1,51eV 3 13,6 3,4eV 3,4 1,5 3,4 1, ev E 1,5 9 Vypočítáme energii na. a 3. energetické hladině. Ze vztahu vypočítáme energii fotonu. E E h f f h 19 1,9 1,6 10 f 0,459 10 34 6,6310 Energii je nutno převést z elektronvoltů na jouly. f 4,5910 14 Hz 15 Hz 1 ev=1,6.10-19 J Energie fotonu je 1,9 ev a jeho frekvence 4,59 10 14 Hz. Příklad 3. Určete, jakou energii musíme dodat atomu vodíku, abychom ho ionizovali, jestliže je v základním stavu. Musíme mu dodat ionizační energii 13,6 ev. Příklad 4. Určete, jakou energii musíme dodat atomu vodíku, abychom ho ionizovali, jestliže je v excitovaném stavu s hlavním kvantovým číslem n=8. E1 13,6 E8 0, 15eV n 8 Energie atomu vodíku ve stavu s n = 8. Atomu vodíku je třeba dodat ionizační energii E i E 15eV 8 0, Příklad 5. Kolik kvantových stavů přísluší hlavnímu kvantovému číslu n=4? Počet kvantových stavů je n 4 3 Příklad 6. Jakým kvantovým číslům n a l odpovídají stavy s, 3d a 4p? Stav s n=, l=0 Stav 3d n=3, l= Stav 4p n=4, l=1

Příklad 7. Kolik stavů představuje kvantový stav s? Stav s n=, l=0 číslo m může nabývat jen jedné hodnoty, a to m=0 v úvahu spinové číslo s=1/ 1stav krát = celkem stavy. 1 stav musíme vzít. Příklad 8. Kolik stavů představuje stav p? Stav p n=, l=1 číslo m může nabývat tří hodnot: m=-1 m=0 m=1 3stavy krát dva celkem 6 stavů. Příklad 9. *** Jaký je maximální počet elektronů, které se mohou nacházet v elektronovém obalu ve slupce L? Slupce L přísluší hlavní kvantové číslo n=. Maximální počet elektronů je n =. = 8. Jiný způsob: n=, l=0 (podslupka s) m=0 1 stav l=1 (podslupka p) m=-1,0,1 3 stavy Dohromady 4 stavy. V každém stavu mohou být maximálně elektrony celkem 8 elektronů. Úlohy na procvičování: 1. Energie elektronu v atomu vodíku, který je v základním stavu, je -13,6 ev. Vypočtěte energii elektronu ve druhém a pátém kvantovém stavu.. Vypočtěte, jakou energii musíme dodat atomu vodíku, aby přešel ze základního stavu do třetího. kvantového stavu. 3. Atom vodíku, který je v základním stavu, získal energii 10, ev. Určete, na kterou energetickou hladinu přešel jeho elektron. 4. Jakým kvantovým číslům n a l odpovídají stavy 1s, s, 4d a 5p? Výsledky: 1. E = -3,4 ev, E 5 = -0,54 ev. 1,09 ev 3. Na druhou energetickou hladinu 4. n=1, l=0 n=, l=0 n=4, l= n=5, l=1

Pracovní list: 1. Uveďte, v čem Rutherfordův model atomu nevyhovoval.. Kdo objevil elektron? 3. Kdo objevil atomové jádro? 4. Co znamená, že je energie elektronu kvantována? 5. Kdy je atom v základním stavu? 6. Kdy je atom excitovaný? 7. Co je orbital? 8. Jak se značí a jakých hodnot nabývají kvantová čísla: a) hlavní b) vedlejší.. c) magnetické d) spinové.. 9. Uveďte, jaký význam mají kvantová čísla: a) hlavní.. b) vedlejší.. c) magnetické... d) spinové. 10. Vyjmenujte typy orbitalů a uveďte, jaký mají tvar.

SPEKTRUM ATOMU VODÍKU Spektrum je významným zdrojem informací o atomu vodíku. Energetické stavy atomu můžeme znázornit graficky. Atom vodíku se může nacházet na různých energetických hladinách. Excitovaným stavům odpovídají hladiny E, E 3, E 4,, v grafu jsou znázorněny vodorovnou úsečkou. Energetické spektrum atomu vodíku je znázorněno na následujícím obrázku: n ultrafialové záření viditelné záření infračervené záření 5 4 E 5 E 4 3 E 3 E H H H H 1 E 1 Lymanova série Balmerova série Paschenova série V grafu jsou vyznačeny přechody elektronu z různých vyšších energetických hladin o větší energii na první, druhou, třetí, hladinu. Přechody na energetickou hladinu s určitým hlavním kvantovým číslem vzniká záření s různou vlnovou délkou, které tvoří tzv. spektrální sérii ve spektru vodíku vzniká série spektrálních čar (vyznačeny barevně orientovanými úsečkami). Jednotlivé série byly nazvány podle svých objevitelů. Čím větší je délka úsečky, tím větší je energie vyzářeného fotonu a tím větší frekvenci má vznikající záření. Přechodům elektronu na 1. energetickou hladinu odpovídá Lymanova série čar. Leží celá v ultrafialové oblasti. Jde o ultrafialové záření. Přechází-li elektron z vyšších energetických hladin na hladinu druhou, vzniká série Balmerova. Tato série spektrálních čar atomu vodíku je nejznámější. V oblasti viditelného záření má čtyři čáry H, H, H, H, další čáry leží v ultrafialové oblasti. Odpovídající záření s nejkratší vlnovou délkou (už v oboru ultrafialového záření) tvoří tzv. hranu série.

Viditelné čáry spektra vodíku: H H fialová H modrozelená H červená Zdroj obr.: http://www.frg.wz.cz/optika/4_5%0spektra%0latek.htm Čára s nejmenší vlnovou délkou v každé sérii se nazývá hrana série. Paschenova série čar odpovídá přechodům elektronu z vyšších hladin na hladinu M. Celá leží v infračervené oblasti. Další série pro n = 4 Bracketova a pro n = 5 Pfundova série. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Poznámka: Učivo označené symbolem *** je určeno studentům studijního oboru Technické lyceum.