Budowa atomu, poziomy energetyczne, model Bohra (ćw. 11) Podstawowa literatura: D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, PWN, Warszawa 2006 Budowa atomu Atom (z gr. atomos: "niepodzielny") najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się z kolei nukleony: protony i neutrony. Neutrony są cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, zaś elektrony ujemny. W każdym obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest jednakowa, ponieważ wartość ładunku elektrycznego protonów i elektronów jest taka sama. Atomy z liczbą elektronów różną od liczby protonów nazywane są jonami. Atomy są podstawowymi elementami budującymi materię z punktu widzenia chemii i pozostają najmniejszymi cząstkami rozróżnianymi metodami chemicznymi. Nie zmieniają się w reakcjach chemicznych. Rozmiary atomów są rzędu 10-10 m = 1Å ale nie są dokładnie określone z powodów kwantowych. Zależą od rodzaju atomu i stopnia wzbudzenia. Masa ich rośnie w miarę wzrostu liczby atomowej w przedziale od 10-27 do 10-25 kg. Budowa jądra Jądro jest kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsze od całego atomu i skupia ono w sobie praktycznie całą masę atomu, gdyż proton i neutron są o ok. 1840 razy cięższe od elektronu. Protony i neutrony mają w przybliżeniu taką samą masę. Powstało wiele modeli jądra atomowego początkowo na gruncie mechaniki klasycznej a następnie kwantowej. Jądra atomowe oznacza się takim samym symbolem, jak pierwiastek chemiczny odpowiadający temu jądru, dodatkowo na dole umieszcza się liczbę atomową (Z), a u góry liczbę masową 1
(A), dla przykładu jądro atomowe o 11 protonach i 12 neutronach, jest jądrem atomu sodu i oznaczamy je symbolem:. Jądro atomowe a atom Własności jądra są determinowane poprzez liczbę znajdujących się w nim nukleonów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra. Wielkość tego ładunku wyznacza możliwe konfiguracje elektronów otaczających jądro, z możliwych konfiguracji elektronów wynikają możliwości łączenia się atomów z sobą, a tym samym ich własności chemiczne. Liczba protonów w jądrze, czyli jego liczba atomowa, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest ten atom. Atomy posiadające jądra o tej samej liczbie protonów, ale różnej neutronów nazywa się izotopami. O przebiegu reakcji chemicznych decyduje układ elektronów wokół jądra, który jest determinowany wyłącznie liczbą protonów w jądrze. W reakcjach jądrowych ważna staje się nie tylko liczba protonów, ale również liczba neutronów. Liczba neutronów ma też jednak pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy. Siły jądrowe Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty są równoważone przez oddziaływanie silne między nukleonami. Oddziaływania silne działają jednak tylko na bardzo krótkich dystansach, zbliżonych do rozmiarów samych jąder. Przy większych odległościach przeważają siły odpychania elektrycznego. Modele budowy jądra Jądra atomowe bada się analizując samorzutne rozpady oraz rozpraszając na jądrach cząstki (promieniowanie gama, elektrony, neutrony, protony itp.), na podstawie charakterystyki rozpraszania. Stwierdzono, że większość jąder ma kształt zbliżony kuli, a niektóre są owalne. 2
Gęstość obszarów wewnątrz jąder jest jednakowa i szybko spada do zera w odległości od środka, którą określamy jako promień jądra. Jądra mają rozmiary rzędu 10-14 10-15 m, co stanowi około 1/100000 rozmiaru atomu. Jednak to w jądrze skupione jest ponad 99.9%masy atomu. Istnieje prosta zależność pozwalająca oszacować rozmiary jąder atomowych z wyjątkiem kilku najlżejszych pierwiastków: R= (1.2 10-15 m)a, gdzie: R - promień jądra, m - metr. Wzór ten wynika z założeń modelu kroplowego. 1. Model kroplowy Jednym z pierwszych modeli budowy jądra był model kroplowy. Zakłada on, że nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy i w związku z tym własności jądra jako całości powinny być podobne do własności kropli cieczy. Mikroskopowe oddziaływania, oddziaływanie silne jądrowe oraz siły elektrostatyczne są w tym modelu przedstawiane przez analogię do sił lepkości i napięcia powierzchniowego. Najważniejszym założeniem modelu jest to, że jądra są kuliste. Model ten jest bardzo przybliżony i nie wyjaśnia wszystkich własności jąder. Jest on natomiast bardzo pomocny w wyjaśnianiu zjawiska rozszczepienia jądra atomowego. 2. Model powłokowy Powłokowy model jądra atomowego powstał na zasadzie analogii do powłokowego modelu atomu i zgodnie z obserwacjami poziomów wzbudzenia jąder atomowych zakłada, że nukleony nie mogą wewnątrz jądra przyjmować dowolnych stanów energetycznych, lecz tylko te zgodne z energiami kolejnych powłok. Każdą powłokę może zajmować określona liczba nukleonów. Kiedy zostanie ona wypełniona, energia wiązania dla pierwszego nukleonu na kolejnej powłoce jest wyraźnie mniejsza. Model zakłada, że nukleony poruszają się w jądrze prawie niezależnie, a oddziaływanie nukleonu z pozostałymi nukleonami można zastąpić oddziaływaniem tego nukleonu ze średnim polem działającym na niego. Model wyjaśnia odstępstwa energii wiązania jąder od energii określonej w modelu kroplowym. Wyjaśnia też istnienie liczb magicznych : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 dla których jądra atomowe 3
są najstabilniejsze. Jeżeli jądro ma jeden nukleon mniej lub więcej, to energia wiązań jest w nim wyraźnie mniejsza. Ciekawą cechą modelu powłokowego jądra jest istnienie oddzielnych powłok dla neutronów i protonów. Jeżeli jednocześnie zarówno liczba neutronów jak i liczba protonów jest równa liczbie magicznej, to jądro jest podwójnie magiczne (np. Hel) i cechuje je wyjątkowa trwałość. Wartości liczby magicznych są pewne tylko do 82. Istnieją hipotezy, według których liczby 126 i 184 są magiczne dla neutronów, a 114 dla protonów. Model powłokowy odnosi się również do zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Zauważono zależność poziomów energetycznych jąder o spinie połówkowym od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. 3. Modele kolektywne Modele te zakładają, że nie wszystkie zjawiska jądrowe da się wytłumaczyć jako oddziaływanie nukleonów. Według tych modeli nukleony łącząc się w grupy tworzą nowe cząstki wewnątrz jądra. Jednym z tego rodzaju modeli jest koncepcja bozonów (en. interacting boson model, IBM). Opiera się ona na analogii do zjawisk kwantowych występujących w nadprzewodnikach. Cząstki elementarne łączą się w pary uzyskując nowe własności. Neutrony mają łączyć się z protonami i oddziaływać jako jeden bozon z całkowitym spinem 0, 2 lub 4. Istnieją dwa warianty tego modelu, czyli IBM-I i IBM-II. Jądra trwałe i nietrwałe Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania między tworzącymi je nukleonami. Większość jąder atomowych o liczbie atomowej od 1 (wodór) aż do 83 (bizmut) posiada trwałe izotopy. Cięższe pierwiastki zawsze są nietrwałe, jednak ich okresy półrozpadu są tak duże, że można znaleźć je w naturze. Najcięższym z tych pierwiastków jest posiadający liczbę atomową 94 pluton. Cięższe pierwiastki nie występują na Ziemi, jednak można je sztucznie wytworzyć w akceleratorach cząstek. Najcięższym obecnie uzyskanym jest pierwiastek o liczbie atomowej 118 Uuo, o nazwie Ununoctium, który jest "ostatnim możliwym" gazem 4
szlachetnym i który został otrzymany w 1999 r. w liczbie kilkuset atomów, przez naukowców z Uniwersytetu Berkeley, w USA (bombardowali kaliforn jonami wapnia). Trwałość jądra można przewidzieć na podstawie energii wiązania, którą da się wyznaczyć doświadczalnie porównując masę jądra z masą składników hipotetycznego rozpadu (niedoboru masy). Dla średnich i ciężkich jąder energia wiązania jest wprost proporcjonalna do liczby nukleonów. Wzrost liczby nukleonów o jeden powoduje zwykle podniesienie energii o 7-8 MeV. Prawo to jest zachowane dla jąder w zakresie liczb masowych od 30 do 70 nukleonów. Potem następuje wyraźne odejście od tej zależności. Energie wiązania cięższych jąder są w efekcie mniejsze niżby to wynikało z liczby nukleonów. Jądra z parzystą ilością neutronów i protonów (parzysto-parzyste) cechują się największą trwałością i można je odnaleźć na Ziemi w znacznych ilościach. Jądra z nieparzystą liczbą protonów lub neutronów (parzysto-nieparzyste) są już dużo mniej trwałe. Nieparzysta liczba protonów i neutronów powoduje nietrwałość jąder, choć od tej reguły są wyjątki (np: jądro wodoru). Zjawisko to wyjaśnia model powłokowy jądra atomowego. Historyczny rozwój koncepcji budowy atomu Historia modeli budowy atomów: Niepodzielna kulka - Demokryt głosił, że atom jest niepodzielną, sztywną, bez struktury wewnętrznej kulką, Model rodzynkowy (Thomsona) - odkrycie elektronów zmienia poglądy, teraz atom jest kulką, w której są mniejsze kulki (elektrony), tak jak w cieście są rodzynki, Model jądrowy - zwany też planetarnym (model Rutheforda), większość masy i całkowity ładunek dodatni skupiony jest w małej przestrzeni w centrum atomu zwanej jądrem, elektrony krążą wokół jądra, Model atomu Bohra - elektrony mogą poruszać się wokół jądra tylko po określonych orbitach, wyjaśnia jak poruszają się elektrony wokół jądra, ale nie podaje przyczyny, Model kwantowy (ruchu elektronów wokół jądra) - mechanika kwantowa wyjaśnia dlaczego elektrony przyjmują określone energie. 5
Model atomu Bohra Model budowy atomu Bohra - model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany do jądra siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu". Pierwszym równaniem modelu jest równość siły elektrostatycznej i siły dośrodkowej. Bohr założył, że elektron może krążyć tylko po wybranych orbitach zwanych stabilnymi, oraz że krążąc po tych orbitach nie emituje promieniowania (mimo że tak wynikałoby z rozwiązania klasycznego). Atom wydziela promieniowanie tylko gdy elektron przechodzi między orbitami. Ilustracja modelu atomu według N. Bohra. Przyjął on dwa najważniejsze założenia oparte na zasadach kwantowych: 1) atom wodoru może znajdować się jedynie w ściśle określonych stanach stacjonarnych, w których nie promieniuje energii; 2) warunkiem wypromieniowania energii jest przejście atomu ze stanu o energii wyższej E k do stanu o energii niższej E j, co opisuje równanie: hv = E k E j 6
Przeskoki między orbitami (a) i schemat poziomów energetycznych w atomie wodoru (b). Zaznaczone są trzy z istniejących serii widmowych. Nie są zachowane proporcje pomiędzy promieniami kolejnych orbit. Sposoby wzbudzania atomów do świecenia. - przez przekazanie energii atomowi przy niesprężystym zderzeniu z innym atomem lub cząsteczką - pochłonięcie przez atom fotonu o energii E=nhv Atom dąży do wyzbycia się nadmiaru energii. W stanie wzbudzonym atom pozostaje około 10-8 s. Długość fali elektronu mieści się całkowitą liczbę razy w długości orbity kołowej. Model Bohra, jakkolwiek będący sztucznym połączeniem mechaniki klasycznej i relacji de Broglie'a, daje prawidłowe wyniki na temat wartości energii elektronu na kolejnych orbitach. Mimo pozornej poprawności modelu zrezygnowano z niego, ponieważ: 1. zgodnie z elektrodynamiką klasyczną poruszający się po okręgu (lub elipsie), a więc przyspieszany, elektron powinien, w sposób ciągły, wypromieniowywać energię i 7
w efekcie "spadłby" na jądro już po czasie rzędu 10-6 sekundy. Fakt, że tak się nie dzieje, nie dawał się wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej. 2. Model Bohra został ostatecznie odrzucony również ze względu na to, że nie dawało go się zaadaptować do atomów posiadających więcej niż dwa elektrony 3. i nie można było za jego pomocą stworzyć przekonującej, zgodnej ze znanymi faktami eksperymentalnymi teorii powstawania wiązań chemicznych. Pasmowa teoria przewodnictwa elektrycznego Jest to kwantowomechaniczna teoria opisująca przewodnictwo elektryczne. W przeciwieństwie do teorii klasycznej punktem wyjścia w tej teorii jest statystyka Fermiego-Diraca i falowa natura elektronów. Statystyka Fermiego-Diraca statystyka dotycząca fermionów, cząstek o spinie połówkowym, które obowiązuje zakaz Pauliego. Zgodnie z zakazem Pauliego w danym stanie nie może znajdować się więcej niż jeden fermion. Zgodnie z rozkładem Fermiego-Diraca średnia liczba cząstek w danym stanie dana jest przez: n ( e 1 ( E) 1) gdzie E jest energią tego stanu, μ jest potencjałem chemicznym, a β = 1 / (k B T), gdzie k B jest stałą Boltzmanna a T temperaturą w skali Kelvina. Rozkład Fermiego-Diraca może opisywać sposób obsadzenia poziomów energetycznych przez elektrony w układzie wieloelektronowym (np. w atomie). Prawdopodobieństwo znalezienia P elektronu w stanie o energii E wynosi: ( e 1 ( E E f ) 1) gdzie: E f - energia Fermiego. Dla E 1 E f >> kt rozkład przechodzi w klasyczny rozkład Maxwella-Boltzmanna: P ( E E f. ) e Najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne - jest to przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Istnienie ciągłego widma energetycznego jest związane z oddziaływaniem na siebie poszczególnych atomów (jest to zbiór bardzo blisko 8
położonych widm liniowych), natomiast występowanie obszarów zabronionych wynika z warunków nakładanych na periodyczność funkcji falowej elektronów. Energetyczny model pasmowy jest używany w elektronice głównie do wyjaśniania przewodnictwa w ciałach stałych i niektórych ich własności. W atomie poszczególne elektrony mogą znajdować się w ściśle określonych, dyskretnych stanach energetycznych. Dodatkowo w ciele stałym atomy są ze sobą związane, co daje dalsze ograniczenia na dopuszczalne energie elektronów. Dozwolone poziomy energetyczne odizolowanych atomów na skutek oddziaływania z innymi atomami w sieci krystalicznej zostają przesunięte tworząc tzw. pasma dozwolone, tj. zakresy energii jakie elektrony znajdujące się na poszczególnych orbitach mogą przyjmować; poziomy leżące poza dozwolonymi określane są pasmami wzbronionymi. Schematyczne przedstawienie struktur pasmowych. Elektronika posługuje się zwykle uproszczonym modelem energetycznym, w którym opisuje się energię elektronów walencyjnych dwoma pasmami dozwolonymi: 1. pasmo walencyjne (pasmo podstawowe) - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu; 2. pasmo przewodnictwa - zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu, będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele stałym. 9
Dolna granica pasma przewodnictwa jest położona wyżej (wyższa energia) niż górna granica pasma walencyjnego (niższa energia). Przerwa energetyczna pomiędzy tymi pasmami jest nazywana pasmem zabronionym (wzbronionym) lub przerwą zabronioną (energia ta jest oznaczana przez E g ). Żeby w danym materiale mógł płynąć prąd elektryczny muszą istnieć swobodne nośniki - pojawią się one, gdy elektrony z pasma walencyjnego przejdą do pasma przewodnictwa. Musi więc zostać z zewnątrz dostarczona energia co najmniej tak duża, jak przerwa zabroniona. W przewodnikach (miedź, aluminium itp.) nie ma pasma zabronionego (przerwy energetycznej). Może to wynikać z dwóch powodów: Pasmo walencyjne jest tylko częściowo zapełnione elektronami, mogą się one swobodnie poruszać, a więc pasmo walencyjne w przewodnikach pełni analogiczną rolę jak pasmo przewodnictwa w półprzewodnikach i izolatorach. Pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie, toteż w tym wspólnym paśmie występuje dużo elektronów swobodnych i możliwy jest przepływ prądu. Natomiast w materiałach izolacyjnych przerwa energetyczna jest bardzo duża (E g rzędu 10eV). Dostarczenie tak dużej energii zewnętrznej (napięcia) najczęściej w praktyce oznacza fizyczne zniszczenie izolatora. Pośrednią grupą są półprzewodniki. Przerwa energetyczna w tych materiałach jest mniejsza niż 2eV (obecnie 2eV to jedynie wartość umowna, znane są półprzewodniki o większej przerwie energetycznej, np. fosforek indu lub węglik krzemu), toteż swobodne elektrony mogą pojawić się przy dostarczeniu względnie niskiego napięcia zewnętrznego lub pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. 10
półprzewodnik izolator półprzewodnik spontaniczny półprzewodnik typu n półprzewodnik typu p Lokalizacja poziomu Fermiego w różnych materiałach. W przewodnikach poziom Fermiego znajduje się w obszarze poziomu przewodnictwa, dzięki czemu elektrony przewodnictwa mogą swobodnie poruszać się w obrębie materiału (ponieważ łatwo mogą przechodzić do wyższego poziomu energetycznego) Poziom Fermiego w izolatorach znajduje się w okolicy granicy pasma walencyjnego, a pasmo wzbronione jest szerokie. Powoduje to, że elektrony nie mogą łatwo zwiększać swojej energii (ponieważ najpierw muszą przeskoczyć do pasma przewodnictwa). W półprzewodniku poziom Fermiego położony jest podobnie jak w przypadku izolatorów, jednak przerwa energetyczna (szerokość pasma wzbronionego) jest niewielka (umownie za półprzewodnik przyjmuje się ciało, w którym szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza niż 2 ev). W półprzewodnikach spontanicznych część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa dzięki energii termicznej lub np. wzbudzeń fotonowych. Przewodnictwo w 11
półprzewodnikach spontanicznych ma charakter pół na pół elektronowo-dziurowy. Jeżeli do półprzewodnika (będącego pierwiastkiem grupy 14) wprowadzimy pierwiastek z grupy 15 nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom - poziom donorowy, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego niewielkim kosztem energetycznym mogą przenosić się do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach typu n główny wkład do przewodnictwa pochodzi od elektronów (ale efekty opisane dla spontanicznych też grają role). Analogicznie do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 13 to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym (półprzewodniki typu p). Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym. 12