p.n.e. Demokryt z Abdery. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek - atomów (atomos ->niepodzielny)

Transkrypt

1 O atomie

2 p.n.e. Demokryt z Abdery Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych cząstek - atomów (atomos ->niepodzielny)

3 1808 John Dalton teoria atomistyczna 1. Pierwiastki składają się z małych, niepodzielnych cząstek (atomów), które zachowują swoją indywidualność podczas przemian fizycznych i chemicznych. 2. Wszystkie atomy jednego pierwiastka są jednakowe i mają ten sam ciężar. Od atomów innych pierwiastków różnią się ciężarem i właściwościami. 3. Chemiczne łączenie się pierwiastków jest łączeniem się poszczególnych atomów.

4 Joseph John Thompson 1896 odkrył elektron badając promieniowanie katodowe Model babki z rodzynkami 1903 Dodatnio naładowany ładunek rozłożony jest w całej objętości atomu a elektrony tkwią w nim punktowo, tak jak rodzynki w cieście.

5 1911 Ernest Rutherford Na podstawie doświadczenia rozpraszania cząstek α na bardzo cienkiej folii złota, przeprowadzonego w 1909 roku przez Ernesta Rutherforda oraz jego dwóch studentów Hansa Geigera i Ernesta Marsdena opracowano planetarny model atomu Cały dodatni ładunek i prawie cała masa atomu o średnicy rzędu m są skupione w małym jądrze o średnicy m znajdującym się w środku. Elektrony krążą wokół jądra po orbitach

6

7 1913 Niels Henryk Bohr 1. W atomie istnieją takie orbity, na których poruszające się elektrony nie promieniują energii są to orbity stacjonarne. 2. Każda emisja lub też absorpcja energii promieniowania odpowiada przejściu elektronu pomiędzy dwiema orbitami stacjonarnymi. Promieniowanie emitowane w czasie takiego przejścia jest jednorodne i jego częstość określona jest wzorem: h*v = E n E k gdzie h - stała Plancka, E n i E k energie układu w obu stanach stacjonarnych. 3. Prawa mechaniki opisują równowagę dynamiczną elektronów w stanach stacjonarnych, ale nie stosują się do przechodzenia elektronu pomiędzy dwoma takimi stanami.

8

9 Na przykład podczas przejścia z orbity 3 na 2 elektron emituje kwant promieniowania o energii

10

11

12 Książę Louis Victor Pierre Raymond de Broglie długość fali materii dla cząstki o określonym pędzie 1923 Dyfrakcja elektronów

13 1926 model falowy Ervin Schrodinger

14 Równanie Schrodingera - podstawa fizyki kwantowej Równanie Schrodingera przypisuje falę de Broglie'a elektronowi, dowolnej cząsteczce i wreszcie dowolnemu kwantowemu układowi cząstek. Jeżeli dana jest masa cząstki i dane są działające na tę cząstkę siły (grawitacyjne, elektromagnetyczne i inne), równanie Schrodingera wskazuje możliwe fale związane z tą cząstką, fale (jako funkcje położenia i czasu - x, y, z i t) związane z nią przy dowolnym jej położeniu w przestrzeni i w dowolnym czasie. Są one opisywane funkcją falową oznaczona literą Ψ (psi). Ψ(x, y, z, t) Elektron wyobrażamy sobie w postaci rozmytej chmury, określonej przez gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu, o kształcie zależnym od liczb kwantowych opisujących dany stan atomu

15

16 Modele atomów wodoru - porównania Model atomu Bohra Model atomu Bohra poprawnie tłumaczył obserwacje doświadczalne jedynie dla atomu wodoru ale nie był wystarczający dla pierwiastków o bardziej złożonej budowie. Zgodnie z teorią Bohra; elektron krąży wokół jądra po torze zamkniętym, jednak nie dowolnym, lecz ściśle określonym energetycznie, nazywanym orbitą, w tym stanie elektron nie pobiera ani nie oddaje energii, elektron może zmienić orbitę, gdy pobierze lub odda energię, energia może być pobierana lub oddawana wyłącznie w postaci porcji nazywanych kwantami. Model atomu Schrodingera Teoria Schrodingera zakłada, że w świecie atomów nie obowiązują prawa mechaniki klasycznej, a wszystkie obiekty takiego mikroświata mają naturę dualistyczną, tj. zachowują się jak cząstka materialna czyli korpuskuła - mająca masę, i jak fala elektromagnetyczna. Zgodnie z teorią Schrodingera: stan elektronu w atomie opisuje funkcja falowa Ψ, nazwana orbitalem, kwadrat tej funkcji daje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym obszarze wokół jądra, energia elektronów jest kwantowana a geometryczne kształty orbitali wskazują na przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu opisanego danym orbitalem. znane orbitale to orbital s, p, d i f, każdy stan kwantowy elektronu jest opisany za pomocą czterech liczb kwantowych, tj. główna liczba kwantowa - n, poboczna liczba kwantowa - l, magnetyczna liczba kwantowa - m i spinowa liczba kwantowa - s.

17 Rodzaje widm podział: 1. według (ze względu na) długość fali λ 1. widma optyczne * powstają w wyniku zmiany energii elektronów zewnętrznych (100 Å λ daleka podczerwień) * widma widzialne (VIS): 4000 Å λ 8000 Å * widma podczerwone (IR): λ 8000Å * widma nadfioletowe (UV): λ 4000Å 2. widma rtg (rentgenowskie) * powstają w wyniku zmiany energii elektronów wewnętrznych (najbliższych jądra atomowego) 2. według struktury linii 1. widma liniowe - atomy (jony) swobodne są charakterystyczne dla danej substancji 2. widma pasmowe gdy linie są zgrupowane bardzo gęsto obok siebie: drobiny (jony drobin) np. CO2, NH3, CH4, widma ciągłe są charakterystyczne dla materii skondensowanej: ciała stałe (metale), ciecze i gazy w wysokich ciśnieniach. Nie da się jednoznacznie przypisać konkretnej substancji. Dwie linie blisko siebie w widmie dublet (np. widmo sodu). 3.. ze względu na sposób obserwacji 1. widma emisyjne obserwujemy promieniowanie wysyłane 2. widma absorpcyjne powstają gdy widmo ciągłe przepuścimy przez daną substancję (np. gaz), różnica widma ciągłego i liniowego. Na podstawie analizy linii widmowych możemy stwierdzić przez jakie pierwiastki widmo zostało przepuszczone

18

19

20

21 gdzie: Pierwszą linię serii odkrył Theodore Lyman w 1906 roku, badając światło emitowane przez wodór Wzór Rydberga dla serii Lymana ma postać: λ - długość fali w próżni światła emitowanego przez atom, R H - stała Rydberga dla wodoru, Z liczba atomowa, dla wodoru równa r. Paschen n=4,5,6... (podczerwień) 1922 r. Brackett n=5,6,7... (podczerwień) 1924 r. Pfund n=6,7,8... (podczerwień) 1952 r. Humphreys n=7,8,9... (podczerwień) gdzie k=1,2,3,... n = ( k + 1), ( k + 2),... 1 λ 1 2 k 1 n = R H 2

22 Widmo pasmowe Słońca Emisyjne widmo liniowe azotu Widmo emisyjne żelaza

23

24

25 1.Pod wpływem, jakich czynników atom może przejść ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego? 2. Na podstawie postulatu Bohra wyjaśnij mechanizm powstawania serii widmowych w atomie wodoru. Seria Balmera powstaje, gdy elektron przeskakuje z orbit k = 3,4,5... na orbitę n = 3. Każdemu przeskokowi towarzyszy emisja fali o ściśle określonej częstotliwości tzn. fotonu o energii hν. Częstotliwość liczymy wg wzoru; 1 c* R( 2 gdzie : 2 k = 3,4,5.. - nr linii, z której przeskakuje elektron R - stała Rydberga ,69 m -1 1,097*10 7 m -1 c - prędkość fali elektromagnetycznej w próżni Oblicz długość fali λ max odpowiadającej granicy serii Balmera (k = 3). ν = c = λ 1 k 2 )

26 Ze stanu wzbudzonego o energii E k atom może przejść albo: Bezpośrednio do stanu podstawowego o energii E 1 albo Do któregoś z niższych stanów wzbudzonych o energii E i, a dopiero potem do stanu podstawowego E 1. Każdemu z tych przejść towarzyszy emisja fotonu: W pierwszym przypadku atom emituje foton o energii E k1 = E k E k1 = hν k1 A w drugim przypadku E ki = E k E i = hν ki E i1 = E i E 1 Jest to emisja promieniowania o częstotliwości ν k1 lub ν ki, ν i1 przy czym ν k1 > ν ki oraz ν k1 > ν i1 Jeżeli elektron znajduje się na orbicie n = 3, wówczas ma dwie możliwości przejścia na orbitę n = 1; albo bezpośrednio z 3 na 1, albo dwoma skokami: z 3 na 2 oraz z 2 na 1. Energię emitowanej fali możemy policzyć ze związku: hν = E k - E n me hν kn = A 2 2, gdzie : A = 2 2 k n 8ε 0 h przyjmij: A = 13,6 ev Oblicz, jaką częstotliwość fali atom emituje przy przejściu bezpośrednim, jaką w drugim przypadku przy przejściu pośrednim.

27 Odp: 1. Wzbudzenie optyczne - naświetlanie ciała promieniowaniem o częstotliwości ν, przez absorpcję kwantu hν, które zachodzi wówczas gdy energia kwantu równa jest różnicy energii dwu poziomów energetycznych. Niesprężyste zderzenie z atomami, elektronami lub innymi atomami czy drobinami, energia kinetyczna ruchu przechodzi w energię wzbudzenia. 2. 0,656*10 6 m 3. ν 31 A 1 2 h = 2 ν 32 A 1 1 = 2 2 h 2 3 ν 21 A 1 2 h = 2