Stavba atomu – maturitní otázka (4)

 

Otázka: Stavba atomu

Předmět: Chemie

Přidal(a): emixka

 

 

Historické modely atomu

• Staré Řecko – Demokritos a Leukipos – atomisté, 5. stol. př. n. l.
• Tvrdí, že látky se skládají z částic = atomů, které jsou dále nedělitelné
• Konec 19. stol. – objev elektronu (1897, Thompson), objev radioaktivity (1896, Becquerel) – vyvrácena nedělitelnost atomu

 

Thomson (1904) – statický model (pudinkový)

• atom je složen z elektronů (nazývá je pouze částicemi) a „polévkou“ kladného náboje, hmota je rozložena v atomu rovnoměrně (pudink s rozinkami)

 

Rutherford (1911) – planetární model

• umístil kladně nabitou hmotu do středu atomu (velmi malé hmotné jádro), kolem obíhají elektrony (podobně jako planety) po drahách
• nedostatek – kroužící elektron by byl dostředivě urychlován, ztrácel energii, dopadl na jádro a zanikl by

 

Niels Bohr (1913) – Bohrův model atomu (H)

• popisuje stabilní atom, Bohr za něj dostal NC
• vysvětlil nedostatek Rutherfordova atomu pomocí kvantové teorie z r1900 (Max Planck)
• je postaven na třech postulátech
  • 1) elektrony se pohybují po kružnicových trajektoriích (orbitách, energetických hladinách)
  • 2) při přechodu z jedné hladiny na druhou elektron vyzáří/pohltí právě 1 foton
  • 3) jindy elmag záření nevyzařují ani nepohlcují

• dobře popisuje atomy s jedním elektronem v obalu (např. H, He⁺, Li²⁺)
• kvantově mechanický model

 

Sommerfeld (1915) – Sommerfeldův model

• zpřesňuje Bohrův model
• elektrony se pohybují po elipsách (které se otáčí), každý elektron je charakterizován 4 kvantovými čísly
• poskytuje představu o stavbě atomu, ale neumí vysvětlit všechny vlastnosti

 

Kvantově mechanický model atomu (1926)

Vychází ze 2 principů:

1) dualismus hmoty – hmota má vlnový i částicový charakter

• Einstein – vysvětlil fotoelektrický jev – ohyb světla lze vysvětlit pouze vlnovou povahou světla -> světlo je vlnění i proud částic (=fotonů)
• De Broglie – má elektron vlnu? S pohybem částice je spojen pohyb vlnový (proud elektronů prochází krystalem stejně jako Roentgenovo záření)
• Elektrony jsou proud částic, kde se každá pohybuje po své vlně

2) princip neurčitosti

• Heisenberg – pro elektron nelze stanovit bod dráhy, kde se v daném čase nachází, pouze pravděpodobnost výskytu, když můžeme určit jednu z vlastností, nemůžeme určit tu druhou (čas a místo)
• Schrödinger – stav elektronu v atomu popisuje vlnovou funkcí = orbital atomový, stejně tak u molekuly = orbital molekulový

 

Popis atomu – jádra

• atom se skládá z jádra a elektronového obalu
• chemicky je nedělitelný
• elektrony se nachází v atomovém obalu, v jádře jsou protony a neutrony

 

Atomové jádro

• protony p⁺ – kladný náboj, jejich počet udává protonové číslo Z, m_r = 10^-27 kg, náboj_r = 1,602×10^-19 C
• neutrony n⁰ – bez náboje, jejich počet udává neutronové číslo N, m_r = 10^-27 kg, náboj_r = bez náboje
• protonové číslo Z, nukleonové (hmotnostní) číslo A, neutronové číslo N
• nukleony – neutrony a protony, jejich počet udává nukleonové číslo A, A = Z + N, A je horní index, Z je spodní index
• nuklidy = látky složené z atomů, jejichž jádra mají stejné Z a A
• izotopy = atomy se stejným Z, ale jiným N
• většina prvků se vyskytuje jako více izotopů, ale v přírodě převládá jeden z nich, izotopy se liší zejména fyzikálními vlastnostmi a mohou mít odlišný vliv na živé organismy
• jádra různých prvků – izobary = stejné A, izotony = stejné N

 

Způsoby vyjadřování m atomu

• do jádra je soustředěna m atomu
• teoreticky m_jádro = m_p + m_n, experimentálně – teoretická m je větší než skutečná
• hmotnostní schodek Δm = m_teor – m_skut
• Δm způsoben uvolněním energie při vzniku jádra, čím více E se uvolní, tím je jádro stabilnější -> Δm je mírou stability jádra
• atomová hmotnostní jednotka – m_u = 1,66 x 10^-27 kg (1/12 atomu ¹²₆C)
• Ar (relativní atomová hmotnost) = m/m_u
• Mr (relativní molekulová hmotnost) = ∑Ar
• molární m – hmotnost jednoho molu – M = Ar nebo Mr (číselně je to to samý) g/mol
• Jakákoliv změna energie je spojena se změnou hmotnosti

 

Stabilita jádra

• nejstabilnější prvky jsou ty s největší E_j (prvky střední části tabulky)
• málo stabilní jsou prvky lehké (krom He, C, O), které se slučují na těžší (termonukleární reakce) a těžké – rozpadají se na lehčí (radioaktivita)
• existuje hranice, za kterou neutrony nejsou schopny zajistit existenci stabilního jádra
• Čím více je v jádře nukleonů, tím je jádro stabilnější (protože má větší vazebnou energii která drží to jádro pohromadě)
• jádro je stabilnější než nukleony o samotě, také je lehčí

 

Vazebná energie jádra

• E_j je vazebná energie připadající na 1 nukleon
• každá částice je někam vázána, pokud ji chceme ze systému oddělit, musíme jí dodat větší sílu, než kterou je vázána
• E, která se uvolní při vzniku jádra (nebo E, kterou je nutno dodat k jeho rozštěpení na jednotlivé nukleony)
• je závislá na počtu nukleonů v jádře (A) tj čím větší A, tím větší E_j a tím větší je stabilita jádra
• jádro o klidové hmotnosti: E_j = (Zm_p + Nm_n – m_j) x c² (m_j = klidová m, m_p = klidová m protonu, m_n = klidová m neutronu, c = rychlost světla ve vakuu)
• Fe má nejstabilnější jádro, protože má nejvyšší vazebnou energii

 

Radioaktivita

• samovolný rozpad jader jednoho prvku na jádra jiného prvku za současného vyzařování neviditelného radioaktivního záření (energie)
• poločas rozpadu – doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění právě ½
• malý – Po = 3 x 10^-7s, Rn = 4 dny
• velký – Ra = 1590 let, U = 14,5 x 10⁹ let, C = 5730 let
• přirozená radioaktivita – samovolný rozpad v přírodě se vyskytujících radionuklidů (je jich cca 50)

 

3 typy záření:

Záření α

• proud rychle letících atomů He – ⁴₂He
• silné ionizační účinky
• velmi hmotné částice, pomalé a málo pronikavé
• v el. poli se odchylují k – pólu
• nově vzniklý prvek má N o 4 menší a Z o 2 menší (to je ten atom He)

Záření β

• proud elektronů e^– (⁰_-1β) nebo pozitronů e⁺ (⁰₁β⁺)
• menší ionizační účinky než α
• lehké, rychlé, pronikavé částice
• v el. poli se odchylují k + (případně -) pólu
• nově vzniklý prvek má Z o 1 větší

Záření γ

• elmag vlnění podobné světlu, malá vlnová délka (⁰₀γ)
• nejpronikavější jaderné záření, obvykle doprovází α nebo β
• vzniká v jádře
• fotony – žádný náboj žádná hmotnost

 

4 druhy radioaktivních přeměn

1) Přeměna α

• nastává u velmi těžkých jader
• vyzářením částice α se m prvku sníží a nový prvek se pohne o 2 místa v PSP vlevo
• ²²⁶₈₈Ra -> ⁴₂α (⁴₂He, ⁴₂He²⁺) + ²²²₈₆Rn

2a) Přeměna β^–

• u jader, kde je víc protonů než neutronů, rozpad neutronu
• pouze u jader uměle vyrobených, ne v přírodě
• neutron vyzáří elektron a antineutrino, změní se na proton
• Z se o 1 zvýší, nový prvek bude o 1 místo vpravo
• ³²₁₅P -> ⁰_-1β (⁰_-1e) + ³²₁₆S

2b) Přeměna β⁺

• u jader, kde je víc protonů než neutronů
• pouze u jader uměle vyrobených, ne v přírodě
• proton se mění na neutron, vyzáří pozitron a neutrino
• prvek se posouvá o jedno místo doleva
• ³⁰₁₅P → ⁰₁β (⁰₁e) + ³⁰₁₄Si

3) Záchyt elektronů

• u jader, kde je víc protonů než neutronů
• vzniká jádro v PSP o jedno nalevo
• na prázdné místo po elektronu přijde elektron z vyšší slupky (o vyšší energii) a přebytečná E se vyzáří jako Roentgenovo záření (to vzniká v el.obalu)
• jádro si zachytí elektron ze svého elektronového obalu
• ⁷₄Be + ⁰_-1e → ⁷₃Li + Roentgenovo záření

4) Přeměna γ

• když produkt rozpadu není ve svém základním stavu a má přebytek E, která vyjde jako záření γ
• Využití: radiouhlíkové datování – podle obsahu radionuklidu C lze určit stáří organismů (po smrti dochází k jeho rozpadu), značení látek radioizotopy (lékařství, stavba látek), ozařování tkání s rakovinou

 

Jaderné reakce

• Reakce atomů/atom. jader s jinými atomy/atom. jádry, dochází k jejich změně
• jádro je odstřelováno urychlenou částicí (projektilem)
• 2 výchozí látky

Umělá radioaktivita

• z neradioaktivního nuklidu působením jiné částice vytvoříme nuklid radioaktivní
• 1934, Iréne a F. Joliot-Curieovými, při bombardování Al částicemi α
• ²⁷₁₃Al + ⁴₂He -> ³⁰₁₅P* + n
• ³⁰₁₅P -> ³⁰₁₄Si + e⁺ (+ v)
• použití: výroba nových radioizotopů, v lékařství (diagnostika, terapie a léčení rakoviny), markery/značky – informace o ukládání látek v lidském těle nebo v rostlinách

Transmutace prvků/jader

• určitý nuklid se účinkem částice mění na jiný, neradioaktivní
• provádí se bombardováním protony, neutrony, deuterony či fotony
• vzniká neradioaktivní nuklid
• 1919 provedl Rutherford, objevil proton
• ⁴₂He + ¹⁴₇N -> ¹⁷₈O + ¹₁H
• 1932 provedl Chadwick, objevil neutron
• ⁴₂He + ⁹₄Be -> ¹²₆C + ¹₀n

Štěpení jader

• u těžkých jader působením částice o velké energii, jádro se rozpadá na 2 lehčí jádra cca o stejné m
• poprvé pozorováno u ²³⁵U, ty 3 n při dostatku U jsou příčinou řetězové reakce
• ²³⁵₉₂U + ¹₀n -> ⁹³₃₆Kr + ¹⁴⁰₅₆Ba + 3¹₀n
• neřízená řetězová reakce – reagují všechny 3 n, reakce končí výbuchem atomové bomby (Little Boy – Hirošima, Fat Man – Nagasaki)
• řízená řetězová reakce – nechá se reagovat jen jeden neutron, využití v jaderných elektrárnách (problémy s radioaktivním odpadem)

Termojaderné reakce – jaderné fúze

• syntéza lehkých jader za vzniku těžšího, současné uvolnění obrovské E
• potřebují vysoké teploty nebo velké rychlosti reagujících částic
• nevyčerpatelný zdroj E pro lidstvo – až překonáme technické problémy pro lidstvo
• zneužití – vodíková bomba ²₁H + ²₁H -> ³₂He + ¹₀n
• Rozpadem atom. jádra nemusí vznikat stabilní prvek, ale zase radioaktivní, který se dále rozpadá -> rozpadová řada
  • Uranová, Aktinouranová, Thoriová (ty tři přírodní), Neptuniová (umělá)
  • poločas rozpadu
  • T = ln2/λ
  • čas za který se rozpadne polovina jader