STRUKTURA HMOTY

- jádro, jeho struktura, stabilita, radioaktivita, izotopy, poločas rozpadu

- elektronový obal - orbitaly, elektronová konfigurace, periodický zákon, periodická tabulka

- charakteristika jednotlivých skupin

Atomy

atom (ion) = základní stavební částice, z níž jsou vybudovány látky, pojmenování vzniklo v Řecku v 5. st. Př. N. l. na základě představy, že je nedělitelný, na počátku tohoto století bylo dokázáno, že se atomy skládají z kladně nabitého jádra obklopeného elektrony (E. Rutherford, 1911), které tvoří elektronový obal, atom jako celek jen elektroneutrální

poloměr atomu (atomový poloměr) = stanoven jako polovina vzájemné vzdálenosti dvou sousedních atomových jader v molekulách nebo krystalech, řádově 10^-10m, poloměr atom. Jádra je přibližně 10^-15 až 10^-14m

Vývoj názorů na stavbu atomu

Ø Demokritos - zakladatel atomové teorie - myšlenka, že látky se skládají z nejmenších dále nedělitelných částeček - atomů (atomos = nedělitelný)

Ø Leukippos - pravý objevitel atomu

Ø Robert Boyle - zjistil, že všechny prvky se skládají z atomů - zakladatel korpuskulární teorie (teorie částeček)

Ø John Dalton - navázal na Demokritovu atomovou teorii, zavedl 3 základní postuláty:

1) Atomy téhož prvku jsou stejné a prvky se vzájemně liší

2) Reakce jsou přeskupováním atomů, atomy nemůžeme vytvořit, ani zničit

3) Reakcemi vznikají sloučeniny a poměr prvků v nich je STÁLÝ

Ø Michael Faraday - předpověděl existenci elektronu

Ø Joseph Thompson - objevitel elektronu

Ø Ernest Rutherford - ozařoval zlatou fólii zářením a - objevil kladně nabité jádro a elektronový obal, vytvořil planetární model atomu

Planetární model atomu:

- objevitel atomového jádra E. Rutherford předpokládal, že se elektrony kolem jádra pohybují po kružnicích

- podle zákonů klasické fyziky by však musel být periodický pohyb elektronu kolem jádra doprovázen vyzařováním elmg vlnění, energie elektronu by postupně klesala, poloměr jeho dráhy by se rychle zmenšoval, až by nakonec dopadl na jádro - atom by zanikl

Ø Niels Bohr (20. století) - pro dráhy elektronu použil název orbital, za svůj model atomu získal v roce 1922 NB

Bohrův model atomu:

- Niels Bohr v r. 1913 doplnil planetární model atomu předpokladem, že se elektrony po stacionárních drahách, tj, po kružnicích s určitým poloměrem, mohou pohybovat s konstantní energií bez vyzařování elmg vlnění

- vycházeje z kvantové teorie (M. Planck, 1900) usoudil, že se energie elektronu v atomu může měnit pouze po určitých dávkách - kvantech, a to při přechodu z jedné stacionární dráhy na druhou

- Bohrův model tak vystihl základní vlastnost elektronu v atomu - existovat jen ve stavech s urč. Energií a tuto energii měnit pouze ve skocích, nikoli spojitě

Ø Erwin Schrödinger - zakladatel vlnové mechaniky, obdržel NB za fyziku

Ø Louis de Broglie - vyslovil myšlenku, že nejen foton, ale každá částice má korpuskulární a vlnové vlastnosti, v r. 1929 obdržel NB za fyziku za objev vlnové povahy elektronu, na ideu korpuskulárně-vlnového dualismu navázali Schrödinger a Heisenberg, spolutvůrce kvantově mechanického modelu atomu, nově definovali orbitaly - zavedli orbital jako prostor, kde najdeme elektron s 99% pravděpodobností

Kvantově mechanický model atomu:

- chování mikročástic, např. protonů nebo elektronů, se zásadně liší od chování těles běžných rozměrů a nedá se vystihnout klasickou (newtonovskou mechanikou), pro popis dějů v atomovém měřítku byla vypracována obecnější teorie - kvantová mechanika

Chování mikročástic:

1) Kvantování energie - energie mikročástic je v určitých případech kvantována a může nabývat pouze určitých hodnot, nemůže se měnit spojitě, ale skokem, mikročástice atomu (elektron) musí přijímat nebo vyzařovat energii po kvantech, nemůže získat pouze zlomek energetického kvanta

2) Duální charakteristika (korpuskulárně-vlnový mechanismus) - mikročástice se někdy chová jako částice a někdy jako vlna, vlnu nemůžeme lokalizovat v prostoru (projde 2 otvory najednou), platí pro ni skládání a ohyb, částice je lokalizovatelná v prostoru

3) Heisenbergův princip neurčitosti - není možné určit příští polohu mikročástice, náraz 1 fotonu na mikročástici změní její pohyb, po nárazu fotonu s co nejmenší energií (největší vlnovou délkou) dokážeme odhadnout, kde bude částice v dalším okamžiku po nárazu, ale nevíme, kde je teď, pokud použijeme foton s největší energií (nejmenší vlnovou délkou), tak dokážeme určit, kde je mikročástice (elektron) v tomto okamžiku, ale nevíme, kde bude po nárazu

Atomové jádro

Ø složeno ze dvou mikročástic (elementárních částic) - z protonů a neutronů, společně se nazývají nukleony, počet nukleonů v jádře se nazývá nukleonové (hmotnostní číslo), A, počet protonů v jádře udává protonové číslo, Z, je také rovno počtu elektronů atomu a zároveň udává pořadí prvku v periodickém systému, počet neutronů v jádře se nazývá neutronové číslo, N

A = N + Z

Ø nukleony jsou k sobě v jádře vázány ohromnými jadernými silami s malým dosahem (asi 10^{-15 m), u stálých jader převyšují elektrické odpudivé síly mezi protony, stálost jader závisí na poměru N a Z}

Ø s výjimkou vodíku a helia platí N³2Z, 1:1 pro lehčí prvky, 3:2 pro těžší prvky

Jaderná energie

Ø E = mc²

Ø m_He = 2m_p + 2m_n - hmotnost jakéhokoliv atomu je vždy menší než součet hmotností všech částic, která jádro tvoří, chybějící hmotnost se přemění na energii, která drží jádro pohromadě

Ø termonukleární syntéza - reakce, při níž ze dvou lehčích jader vzniká jádro těžší

Ø radioaktivní rozpad (štěpná reakce) - vznikají při ní z 1 těžšího jádra 2 lehčí

Nuklidy a izotopy

Ø počet neutronů v jádrech atomů téhož prvku se může lišit

Ø nuklid - soubor atomů téhož prvku se stejným hmotnostním číslem Z, např. nuklid C je složen z atomů, s nukleonovým číslem 12 a protonovým číslem 6

Ø izotopy (izotopické nuklidy) - nuklidy téhož prvku lišící se hmotnostním číslem Z, většina prvků se skládá z atomů dvou nebo více izotopů (např. jsou známy tři izotopy vodíku lišící se počtem neutronů v jádře - ¹H lehký vodík (protium), ²H (D) těžký vodík (deuterium), ³H (T) radioaktivní tritium

Radioaktivita

Ø atomová jádra některých nuklidů nejsou stálá - snaží se upravit poměr částic - samovolně se přeměňují na jiná přitom vyzařují pronikavé neviditelné záření (částice)

Ø radioaktivita - vlastnost některých atomových jader samovolně se štěpit za vysílání jaderného (radioaktivního) záření (záření a, b, g nebo pozitronů) a přeměňovat se na jádra jiných prvků

Ø přirozená radioaktivita - velká jádra (vysoký počet protonů a neutronů) nestačí už jaderné síly udržet pohromadě, a proto se samovolně rozpadají (radioaktivní nuklidy)

Ø vedle přírodních radionuklidů (asi 50) existují i radionuklidy umělé

Ø poločas rozpadu (přeměny) - doba, za kterou se rozpadne polovina hmotnosti radioaktivního prvku (nabývá hodnoty od 10^-11s až 10¹⁰ let)

Ø radioaktivní řady - tři řady přirozené a jedna řada umělá - i neradioaktivní předměty se v blízkosti radioaktivního záření stávají radioaktivními

1) Záření a - proud rychle letících (až 10% rychlosti světla) jader helia (He) - jádro prvku vyzařuje 2 protony a 2 neutrony, toto záření vyzařují těžká jádra , má silné ionizační účinky, proniká vrstvou vzduchu tlustou několik centimetrů a velmi tenkými kovovými lístky

2) Záření b - je asi stokrát pronikavější než záření a, má menší ionizační účinky

a) Záření b⁺ - proton se rozpadá na neutron a pozitron, jádro vyzařuje pozitrony , dochází k němu, když je třeba vyrovnat poměr neutronů a protonů v jádře

b) Záření b^- - neutron se rozpadá na elektron a proton, jádro vyzařuje elektrony 99% rychlostí světla,

3) Záření g - nejpronikavější součást jaderného záření, je to elmg vlnění - proud fotonů, má mnohonásobně vyšší energii a kratší vlnovou délku než světlo, vyzařuje se vždy při štěpení, často doprovází záření b, někdy i a

Elektronový obal

Ø tvořen elektrony, každý elektron má jeden elementární záporný náboj (-1,602^.10^{-19C) což je nejmenší známý samostatně existující záporný náboj, celková hmotnost elektronového obalu je menší než 1% hmotnosti atomu}

Ø každý elektron s snaží o co nejnižší energii (být co nejblíže jádru) - s rostoucí vzdáleností od jádra klesá elektronová hustota

Ø orbital - prostor, kde se elektron (vlna) vyskytuje s pravděpodobností 99%

Ø Schrödingerova rovnice - popisuje stojaté vlnění elektronu

Ø každý elektron je charakterizován třemi kvantovými čísly