Modele atomu wodoru. Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

Transkrypt

1 Modele atomu wodoru Modele atomu wodoru Thomson'a Rutherford'a Bohr'a

2 Demokryt: V w. p.n.e najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii. atomos - niepodzielny Co to jest atom? trochę historii XVII i XVIII i XIX w. n.e. - osiągnięcia w nowoczesnej chemii (Proust, Gay-Lussac, Lavoisier, Dalton etc.) hipoteza Avagadro (N A = atomów/mol) masa atomowa u 1.66 x kg rozmiar 1Å (1 x m) jeden typ atomu dla każdego pierwiastka Dalton powrót atomistycznej koncepcji budowy materii robiąc pomiary mas atomowych spostrzegł,że masy atomowe są wielokrotnościami masy atomu wodoru

3 Co to jest atom? trochę historii Odkrycie elektronu badanie elektrycznych wyładowań w gazach w XIX w. promienie katodowe -v +v Thomson badał promieniowanie ultrafioletowe powstające w lampie katodowej. Zainspirowany pracami Maxwella stwierdził, że promienie katodowe są strumieniem ujemnie naładowanych cząstek, które nazwał korpuskułami, a które dziś znamy jako elektrony J.J. Thompson promienie katodowe mają masę masa ta jest proporcjonalna do ładunku wyznaczył doświadczalnie q/m w promieniach katodowych i udowodnił że są to cząstki - elektrony Póżniej Miliken wyznaczył ładunek elektronu = C więc można było wyliczyć jaka jest jego masa = kg

4 Co wiedziano o atomach w XIX w.? Atomy są stabilne: Wszystkie atomy które tworzą świat wokół nas są tymi samymi atomami uformowanymi biliony lat temu Atomy posiadają też ładunek dodatni aby atom był elektrycznie obojętny Atomy zawierają elektrony które mają masę (0.05% atomu) i posiadają ładunek ujemny Atomy emitują i absorbują światło np. gazowy wodór (albo sód) pochłania tylko wybrane długości fal padającego promieniowania e-m, ale także odpowiednio pobudzony potrafi emitować promieniowanie e-m o tych samych długościach fal.

5 Model atomu Thomson model ciasteczka z rodzynkami dodatnio naładowany kulisty atom z elektronami o ujemnych ładunkach rozmieszczonych w środku Model atomu Rutherford odkrył, że dodatnio naładowane jądro atomu skupia w sobie większość masy i jednocześnie jest bardzo małe (~ m) w porównaniu z rozmiarami całego atomu (~ m) Atom jest w % pusty Elektrony poruszają się wokół jądra (ale jak???) Pierwsze modele atomu

6 Model atomu Rutherford odkrył, że dodatnio naładowane jądro atomu skupia w sobie większość masy i jednocześnie jest bardzo małe (~ m) w porównaniu z rozmiarami całego atomu (~ m) Atom jest w % pusty Elektrony poruszają się wokół jądra (ale jak???) Pierwsze modele atomu

7 Pierwsze modele atomu Dlaczego, gdy atom jest w spoczynku, elektrony poruszając się ruchem przyspieszonym wokół jądra nie emitują fali elektromagnetycznej? dlaczego elektrony nie spadają na jądro? Przykład: dł.fali emitowane przez wodór Atomy emitują i absorbują światło, ale dlaczego atomy emitują (absorbują) tylko wybrane dł. fali światła? - problem z widmami atomowymi. Promieniowanie wodoru jest dyskretne - widmo liniowe Długości fal prążków spełniają pewną zależność: 1 1 R 2 2 R n 7 m 1

8 Pierwsze modele atomu

9 Pierwsze modele atomu Balmer układ linii w widmie wodoru Lyman widmo w nadfiolecie n=2,3,4... n =1,2,3... n>m Serie Paschena, Bracketta, Pfunda, Humphreya - podczerwień

10 Pierwsze modele atomu Balmer układ linii w widmie wodoru Lyman widmo w nadfiolecie n=2,3,4... n =1,2,3... n>m Serie Paschena, Bracketta, Pfunda, Humphreya - podczerwień

11 Model atomu Bohra Założenia: Elektrony są przyciągane przez jądro siłą elektrostatyczną Coulomba Elektrony poruszają się tylko po kołowych orbitach i tylko niektóre z tych orbit są stabilne! elektron orbita jądro Tym orbitom odpowiadają określone energie elektronu - zatem elektron może mieć tylko określone energie!!! (znowu kwantyzacja energii!!! podobnie jak u Plancka) Poziomy energetyczne

12 Model Bohra atomu wodoru Postulat 1 : Elektrony są przyciągane przez jądro siłą elektrostatyczną Coulomba, zatem mv r 2 siła dośrodkowa ke r 2 2 siła Coulomb'a Postulat 2: Dozwolone są tylko te orbity które zapewniają, że moment pędu elektronu jest wielokrotnością stałej Planck'a!!! Orbity elektronów są skwantowane!!! mvr n wartość momentu pędu h 2

13 Model Bohra atomu wodoru Z tych postulatów można wyznaczyć promień orbity: Postulat 2 Postulat 1 n v mr 2 rmv ke 2 Widać, że promień orbity zależy tylko od n -pewnej liczby całkowitej orbity elektronu możemy zatem numerować 2 2 n rm ke 2 2 m r 2 2 n 2 ke mr 2 2 n r n 2 mke 2 2 a 0

14 Model Bohra atomu wodoru

15 Model atomu Bohra Atom promieniuje jeśli elektron przeskakuje z orbity dalszej od jądra na orbitę bliżej jądra E Atom absorbuje promieniowanie jeśli elektron przeskakuje z orbity bliżej jądra na orbitę dalszą od jądra u E n E l 13.6 [ev] 2 n [ev] h 2 2 nu nl wyższa orbita wyższy poziom energetyczny h niższa orbita niższy poziom energetyczny

16 Model Bohra atomu wodoru Schemat poziomów energetycznych w atomie wodoru. Liczba kwantowa n oznacza numer poziomu. Możliwe są różne sposoby spadania elektronu na niższe poziomy odpowiadają temu tzw. Serie Lymana, Balmera, Paschena... od nazwisk ich odkrywców.

17 Model Bohra atomu wodoru

18 Model Bohra atomu wodoru

19 Model Bohra atomu wodoru

20 Widma promieniowania atomów

21 Model Bohra atomu wodoropodobnego Niestety! Dziś model Bohra ma znaczenie tylko historyczne. Model Bohr'a daje dobre rezultaty tylko dla atomu wodoru (lub atomów tzw. wodoropodobnych tzw. jedno-elektronowych: zjonizowany atom He +, dwukrotnie zjonizowany atom Li ++ ) Nie można wyjaśnić za pomocą niego widm liniowych wielu gazów pierwiastków wielo-elektronowych - zatem model ten jest niepełny!!! Postulaty Bohra dość dowolnie traktują prawa fizyki klasycznej - akceptują prawo Coulomba, odrzucają prawa klasycznej elektrodynamiki dot. promieniowania elektromagetycznego Obecnie traktuje się ten model jako początkowe stadium rozwoju teorii atomu - tzw. stara teoria kwantów. Obecnie budowę atomu opisuje się za pomocą mechaniki kwantowej - matematycznie bardzo skomplikowana teoria

22 Model Bohra - modyfikacje Hipoteza de Brogliea (falowe własności materii) h Ln mur e nn n 2 n =2 r Na obwodzie orbity dozwolonej mieści się całkowita liczba długości fal de Brogliea

23 Model Bohra - modyfikacje Hipoteza de Brogliea (falowe własności materii) h Ln mur e nn n 2 n =2 r

24 Hipoteza de Broglie'a Hipoteza de Broglie a (falowe własności materii)

25 Model Sommerfelda - liczby kwantowe - główna liczba kwantowa (n = 1,2,3...) kwantuje energię elektronu (numer orbity, powłoki), determinuje energię dozwolonych poziomów energetycznych -poboczna liczba kwantowa (l = 0,1,...,n 1) (orbitalna liczba kwantowa) oznacza wartość bezwzględną orbitalnego momentu pędu L (numer podpowłoki na której znajduje się elektron) -magnetyczna liczba kwantowa (m l = l,..., 1,0,1,...,l) (orbitalna magnetyczna liczba kwantowa) opisuje rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś. -spinowa liczba kwantowa S oznacza spin elektronu. Jest on stały dla danej cząstki elementarnej i w przypadku elektronu wynosi 1/2. spinowa magnetyczna liczba kwantowa (m s = m,m = 1 / 2, 1 / 2) pokazuje, w którą stronę skierowany jest spin

26 Znaczenie liczb kwantowych główna liczba kwantowa (n = 1,2,3...) kwantuje energię elektronu (numer orbity, powłoki), determinuje energię dozwolonych poziomów energetycznych Energia elektronu zależy od liczby głównej n E() n Zme n e

27 Znaczenie liczb kwantowych poboczna liczba kwantowa (l = 0,1,...,n 1) (orbitalna liczba kwantowa) oznacza wartość bezwzględną orbitalnego momentu pędu L (numer podpowłoki na której znajduje się elektron) L l l 1 Doświadczenie Einsteina de Haasa Poboczna (orbitalna) liczba kwantowa jest związana z momentem pędu elektronu

28 Znaczenie liczb kwantowych magnetyczna liczba kwantowa (m l = l,..., 1,0,1,...,l) (orbitalna magnetyczna liczba kwantowa) opisuje rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś E p B mb l Energia elektronu w polu magnetycznym zależy od liczby m (zjawisko Zeemana). Podobny efekt obserwowany w silnym polu elektrycznym zjawisko Starka

29 Orbity

30 Orbity

31 Budowa jądra atomowego Liczba atomowa A=Z+N Liczba masowa Liczba neutronów m p m n kg kg

32 Budowa jądra atomowego Liczba atomowa A=Z+N Liczba masowa Liczba neutronów