Atom. Aleksander Gendarz. Cel fizyki: ująć przyrodę jako różne przejawy tego samego zespołu praw. - Richard Feynman

Transkrypt

1 Atom Aleksander Gendarz Cel fizyki: ująć przyrodę jako różne przejawy tego samego zespołu praw. - Richard Feynman

2 Geneza słowa atom Słowo atom pochodzi z greckiego ἄτομος átomos (od α-, nie- + τέμνω temno, ciąć ), oznaczającego coś, czego nie da się przeciąć ani podzielić.

3 Teoria naukowa atomu W 1789 roku Antonie Lavoisier odkrył prawo zachowania masy i zdefiniował pierwiastek chemiczny jako podstawową substancję, która nie może już być rozdzielona metodami chemicznymi roku John Dalton skorzystał z koncepcji atomów do wytłumaczenia, czemu pierwiastki wchodzą w reakcje w stosunkach ilościowych dających się przedstawić w postaci niewielkich liczb naturalnych i czemu jedne gazy łatwiej się rozpuszczają w wodzie niż inne. Postawienie tych hipotez uczyniło Daltona twórcą współczesnej teorii atomów.

4 Wewnętrzna struktura W 1897 roku J. J. Thomson odkrył elektrony i doszedł do wniosku, że znajdują się one w każdym atomie. Stworzył pierwszy model atomu (slajd 5), w którym ujemnie naładowane elektrony unoszą się w jednorodnej, dodatnio naładowanej kuli.

5 Model atomu J. J. Thomsona Ciasto z rodzynkami

6 Wewnętrzna struktura Model ten obalili w 1909 roku Hans Geiger, Ernest Marsden i Ernest Rutherford, gdy bombardując folię cząstkami alfa odkryli, że niewielka część cząstek alfa jest odbijana, co było sprzeczne z przewidywaniami w modelu Thomsona. Na podstawie tych wyników Rutherford stworzył nowy model atomu, w którym dodatni ładunek i większość masy atomu są skupione w niewielkim jądrze w jego centrum, a ujemnie naładowane elektrony krążą wokół jądra.

7 Model atomu Rutherforda

8 Wewnętrzna struktura W 1913 roku fizyk Niels Bohr zaproponował wyjaśnienie występowania linii spektralnych w widmach emisyjnych pierwiastków przez wprowadzenie hipotezy istnienia zestawu dopuszczalnych orbit, na których mogą krążyć elektrony wokół jądra atomowego. W jego modelu każdy elektron musiał zaabsorbować lub wyemitować foton o określonej energii, żeby przeskoczyć między orbitami

9 Model atomu Bohra

10 Wewnętrzna struktura W 1924 roku Luis de Broglie zaproponował, że wszystkie cząstki mogą zachowywać się jak fale. W 1926 roku Erwin Schrödinger rozwinął ten pomysł, przedstawiając matematyczny model atomu, w którym ruch elektronów został opisany funkcjami fal stojących. Konsekwencją opisywania cząstek jako fali było to, że matematycznie niemożliwe stało się jednoczesne określenie ich położenia i pędu, co zostało sformułowane jako zasada nieoznaczoności przez Wernera Heisenberga w 1926 roku. Zgodnie z nią, zwiększając precyzję pomiaru położenia, zmniejsza się jednocześnie precyzję pomiaru pędu i vice versa. Umożliwiło to rozwiązanie problemów, które napotykały wcześniejsze modele przy wyjaśnianiu linii spektralnych atomów cięższych od wodoru. Obecnie przyjmuje się go za obowiązujący

11 Spektrometr mas Wynalezienie spektrometru mas umożliwiło dokładne zmierzenie bezwzględnych mas atomowych. Urządzenie to wykorzystuje pole magnetyczne do odchylenia trajektorii jonów, a stopień odchylenia zależy od stosunku ładunku jonu do jego masy. Francis William Aston jako pierwszy udowodnił przy jego użyciu, że izotopy mają różne masy i że różnice w ich masach są wielokrotnościami tej samej masy. W 1932 roku fizyk James Chadwick wyjaśnił te różnice odkrywając neutron elektrycznie obojętną cząstkę podobną do protonu. Izotopy okazały się atomami o tej samej liczbie protonów, ale różniącymi się liczbą neutronów w jądrze.

12 Składniki atomu cząstki subatomowe Mimo że słowo atom pierwotnie oznaczało cząstkę, której nie da się podzielić na mniejsze, współcześnie nazywa się nim strukturę zbudowaną z mniejszych cząstek: elektronów, protonów, neutronów. Elektron jest najmniej masywną z tych trzech cząstek, z masą 9, kg. Posiada ujemny ładunek i rozmiary zbyt małe, aby dało się je określić przy użyciu współczesnych metod. Protony posiadają dodatni ładunek i masę około 1836 razy większą od elektronów: 1, kg. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego i są około 1839 razy cięższe od elektronu, z masą 1, kg. Masa protonów i neutronów wewnątrz jądra jest pomniejszona o energię wiązania. Neutrony i protony mają podobne średnice, rzędu 2, m jednak z powodu ich wewnętrznej struktury trudno zdefiniować, co jest ich powierzchnią

13 Składniki atomu cząstki subatomowe Według Modelu Standardowego protony i neutrony są zbudowane z kwarków. Kwarki stanowią jedną z podstawowych grup cząstek tworzących materię (drugą są leptony). Istnieje sześć typów kwarków, każdy posiada ułamkowy ładunek elektryczny. Protony są zbudowane z dwóch kwarków górnych (o ładunku +2/3) i jednego kwarku dolnego (o ładunku 1/3). Neutrony są zbudowane z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych. Ta różnica odpowiada za różnicę w masach i ładunku tych dwóch cząstek. Kwarki są powiązane ze sobą silnym oddziaływaniem jądrowym, którego nośnikiem są gluony. Gluony są bozonami chechowania podstawowymi cząstkami przenoszącymi oddziaływania fizyczne.

14 Właściwości - masa Protony i neutrony odpowiadają za ponad 99,9% masy atomu, a ich masa jest w przybliżeniu taka sama. Dlatego sumaryczna liczba protonów i neutronów nazywana jest liczbą masową. Masa spoczynkowa atomów wyrażana jest w jednostkach atomowych (u), zdefiniowanych jako 1/12 masy atomu węgla-12, czyli około 1, kg. W tych jednostkach masa każdego atomu jest w przybliżeniu równa jego liczbie masowej. Dlatego, że w chemii używa się makroskopowych ilości atomów, chemicy używają dodatkowej jednostki: mola. Jeden mol to około 6,022x10 23 cząstek. Liczba ta została dobrana w ten sposób, żeby mol atomów o liczbie masowej 1 miał masę zbliżoną do 1 grama. Ze względu na to, że dokładny pomiar liczby atomów w 1 gramie wodoru-1 jest problematyczny, za podstawę skali względnej masy atomowej przyjęto założenie, że 1 mol to taka liczba atomów, jaka znajduje się w 12 gramach izotopu węgla-12.

15 Właściwości - wielkość i kształt Atomy nie mają dokładnie określonych granic, ich rozmiary są określane w sposób umowny, na podstawie odległości od atomów, z którymi tworzą wiązania chemiczne. Odpowiada to zwykle średniej odległości, na jakiej znajdują się elektrony na najdalszej powłoce. W układzie okresowym średnice atomów wewnątrz każdej grupy rosną wraz z liczbą obsadzonych powłok, jednak maleją wewnątrz okresu wraz ze zwiększeniem liczby protonów (ponieważ jądro przyciąga elektrony mocnej i rozmiary powłok maleją). Dlatego najmniejszą średnicę ma hel około 62 pm, a największą cez około 520 pm. Przyjmuje się, że w pustej przestrzeni atomy w stanie podstawowym mają kształt kuli. Pod wpływem pól elektrycznych te kształty mogą się jednak zmieniać. Stopień odkształcenia zależy od siły pola i typu zewnętrznej powłoki elektronowej atomu. Ponieważ rozmiary atomów są tysiące razy mniejsze od długości fali światła widzianego ( nm), nie można dostrzec pojedynczych atomów za pomocą mikroskopu optycznego. Wizualizację pojedynczych atomów umożliwia skaningowy mikroskop tunelowy.

16 Właściwości - rozpady radioaktywne Najbardziej powszechne typy rozpadów radioaktywnych to: Rozpad alfa polegający na emisji cząstki alfa, czyli jądra helu, składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów. W jego wyniku liczba masowa jądra maleje o 4. Rozpad beta wywoływany przez oddziaływanie słabe, polegający na przekształceniu neutronu znajdującego się w jądrze w proton albo protonu w neutron. W pierwszym przypadku emitowany jest elektron i antyneutrio (rozpad β ), w drugim przypadku pozyton i neutrio (rozpad β+). Elektron i pozyton nazywane są cząstkami beta. Taki rozpad zwiększa (β ) albo zmniejsza (β+) liczbę atomową jądra, nie zmieniając jego liczby masowej. Rozpad β+ zachodzi tylko w sztucznie wytworzonych jądrach z nadmiarem protonów, np. 137N. Emisja gamma polegająca na emisji promieniowania gamma w wyniku przejścia nukleonu na niższy poziom energetyczny w jądrze. Taki rozpad nie zmienia liczby atomowej ani masowej jądra. Zwykle następuje po rozpadzie alfa albo beta, po którym jądro pozostało w stanie wzbudzonym.

17 Stany skupienia atomów Grupy atomów mogą znajdować się w różnych stanach skupienia, w zależności od warunków takich jak temperatura i ciśnienie. Zmieniając te warunki, można wywoływać przejścia między stanem stałym, ciekłym, gazowym i plazmą. W temperaturach bliskich zera bezwzględnego niektóre atomy mogą tworzyć kondensat Bosego-Einsteina, w którym wszystkie zachowują się jak jeden superatom.

18 Dziękuję za uwagę Aleksander Gendarz