Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

TEORIE BUDOWY

ATOMU

Teorie budowy atomu. Miejsce i rola teorii w nauce.
Wpływ wyników doświadczalnych na rozwój teorii budowy
atomu: promieniowanie katodowe i kanalikowe - model
Thompsona, doświadczenie i model atomu Rutherforda.
Teoria kwantów Plancka - model Bohra. Dwoistość natury
światła (Einstein) i materii (de Broglie)) – opis falowy
elektronu.

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Teoria w nauce

- zbiór praw, definicji i hipotez

rzeczowo i logicznie powiązanych w całość;
wiedza tłumacząca jakąś dziedzinę zjawisk, w
odróżnieniu od praktyki, z którą jednak pozostaje
w związku.

Słownik Wyrazów Obcych – W. Kopalińskiego

TEORIA – gr. theōría - oglądanie; kontemplacja; rozważanie

TEORIA – uogólnienie, podsumowanie, wyjaśnienie i

wyciągnięcie wniosków z danych
doświadczalnych

TEORIA – przewidywanie nowych zjawisk, proponowanie i

projektowanie doświadczeń sprawdzających
postulowane zjawiska.

TEORIA – weryfikowanie wyników i przewidywań przez

odpowiednie doświadczenia.

TEORIA – szczególna rola w obszarach niedostępnych do

bezpośredniej obserwacji, np.:

świat atomów

.

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

BUDOWA ATOMU –

TEORIA

A

RZECZYWISTOŚĆ

I. Demokryt (460 – 370 p.n.e) – materia „ciągła” lub „nieciągła”-

atomy

?

II. John Dalton (1766 – 1844) –

atomistyczna teoria materii

Wyjaśnienie praw:

- prawo stosunków stałych

- prawo stosunków wielokrotnych (1804)
- prawo zachowania masy

Atomy są nieskończenie pod względem wielkości i ilości,
a poruszają się we wszechświecie ruchem wirowym; w
ten sposób powstają wszystkie ciała złożone, jak ogień,
woda, powietrze, ziemia; albowiem i one są
konglomeratami określonych atomów. Atomy dzięki
swej

masywności

nie

podlegają

jakiemukolwiek

oddziaływaniu i są niezmienne. Słońce i księżyc składają
się z atomów gładkich i okrągłych, podobnie jak dusza.

(wg. Diogenesa)

– związki chemiczne powstają poprzez łączenie się

atomów różnych pierwiastków.

– atomy poszczególnych pierwiastków różnią się między

sobą masą - za jednostkę masy atomów J. Dalton
przyjął masę atomu wodoru.

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

III. Joseph John Thomson (1856 – 1940) –

w atomach są elektrony (1897)

Przepływ prądu przez rozrzedzony
gaz

Doświadczenie: badanie promieni katodowych

w polu elektrycznym i magnetycznym

K

K

A

A

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

III. Joseph John Thomson (1856 – 1940) –

w atomach są elektrony (1897)

Teoria Thomsona

- elektrony

Wpływ pola magnetycznego na promienie katodowe

Eugen Goldstein (1886)

A

K

Promienie

kanalikowe, ciężkie,

dodatnio

naładowane cząstki

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

IV. Ernest Rutherford (1871 – 1937) –

jądro atomu

Doświadczenie: Badanie przechodzenia promieni

α

przez cienką folię ze złota.

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

IV. Ernest Rutherford (1871 – 1937) –

jądro atomu

Wyjaśnienie: (wg Rutherforda) „ Zakładam, że atom składa się z
dodatnio naładowanego jadra o małych rozmiarach… Jadro jest
otoczone przez elektrony, aby atom jako całość był obojętny
elektrycznie.”
[

E.Rutheford, The structure of the Atom, Phil. Mag. 27

(1914) 488.

]

Doświadczenie: Badanie przechodzenia promieni

α

przez cienką folię ze złota.

1 / ~20 000

H

2

O

Porównanie rozmiaru jądra z rozmiarem atomu i cząsteczki

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

H

2

O

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Wykład 15 –

CHEMIA JĄDROWA

Wykład 15 –

CHEMIA JĄDROWA

Wykład 15 –

CHEMIA JĄDROWA

Jak daleko stąd są jądra atomów wodoru?

~7 cm (wielkość pięści)

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

V. Niels Bohr (1885 – 1962) –

planetarny model budowy atomu

Problem: Dlaczego ujemnie naładowane

elektrony nie spadną na dodatnie
jądro?

Rozwiązanie: Elektrony krążą wokół jądra,

podobnie jak planety wokół
Słońca

2

2

r

e

Ze

r

v

m

e

e





siła

Coulomba

siła

odśrodkowa

=

Problem: Krążący elektron

powinien
wypromieniowywać
energię
i po spirali spaść na
jądro.

Rozwiązanie:

Kwantowanie

energii

WARUNEK RÓWNOWAGI SIŁ:

+

–

–

–

–

–

–

–

Rozwiązanie: Pochłanianie lub

emisja energii odbywa się
wyłącznie małymi porcjami
(KWANTAMI

ε

)

proporcjonalnymi do częstości

ν

promieniowania

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

VI. Max Planck (1858 – 1947) –

teoria kwantów

Problem: Jaka funkcja matematyczna opisuje

promieniowanie ciała doskonale
czarnego?





h























1

4

2

kT

e

c

E









Wzór zgadza się z doświadczeniem gdy:

h = 6,62·10

–34

J·sek

Stała Plancka

E

λ

[μm]

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

VI. Niels Bohr (1885 – 1962) –

stacjonarny model atomu (1913)

Krążący elektron powinien
wypromieniowywać energię i po spirali
spaść na jądro.

Elektron w atomie może przebywać tylko w
określonych stanach stacjonarnych, krążąc po
jednej z orbit o promieniu

r

spełniającym

warunek:



2

h

n

vr

m

M

e





h

– stała Plancka

m

e

– masa elektronu

Nierozwiązany problem:

Pierwszy postulat Bohra:

r

v

→

M = r

x

vm

→

→

z

n

– liczba kwantowa = 1, 2, 3...

M – orbitalny moment pędu elektronu

–––

ENERGIA układu PROTON – ELEKTRON

w modelu Bohra

zał. = 0



E

1

-3,4

E

3

E

2

n =2

n =3

0

r

1

r

2

r

3

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

r

[pm]

E = ?

E

[eV]

-1,5

-13,6

n =1

53

2

n

n

1

E 

2

n

r 

212

477

║

║

║

+

Poziomy

energetyczne

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

VI. Niels Bohr (1885 – 1962) –

stacjonarny model atomu (1913)

Elektron przeskakując na inną orbitę,
pochłania lub wypromieniowuje kwant równy
różnicy jego energii na orbicie początkowej i
końcowej.

2

n

n

1

E 

E

n

– energia elektronu o liczbie
kwantowej

n

ε = hν = E

p

–E

k

Drugi postulat Bohra:

E

p

E

k

ε

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Model atomu Bohra wyjaśnił

widmo promieniowania wodoru

E

n

2

n

n

1

E 

E=hν=c/λ

E

Wady modelu Bohra:- brak zgodności z doświadczeniem dla atomów cięższych

- niemożność opisu wiązania chemicznego i budowy cząsteczek

Widmo światła białego

Widmo wodoru

λ

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

DWOISTOŚĆ ( dualizm) NATURY ŚWIATŁA I MATERII

Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego

(nagroda Nobla 1921)

E = h

ν

VII. Albert Einstein (1879 – 1955) –

kwantowa natura światła

Wniosek: Promieniowanie

elektromagnetyczne
jest strumieniem kwantów o
energii:

Wybicie elektronu z metalicznego

potasu wymaga energii 2,0 eV

E

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Efekt Comptona

Oddziaływanie promieniowania z elektronami

(nagroda Nobla 1927)

VIII. Arthur H. Compton (1892-1962) –

korpuskularna natura światła

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Efekt Comptona

Oddziaływanie promieniowania z elektronami

(nagroda Nobla 1927)

VIII. Arthur H. Compton (1892-1962) –

korpuskularna natura światła

Wniosek: Kwantowi promieniowania można

przypisać pęd, tak jak cząstce (fotonowi) o
masie

m

f

poruszającej się z prędkością

światła

c



h

c

m

p

f

f





Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Dualizm korpuskularno - falowy

[Praca doktorska 1924]

(nagroda Nobla 1929)

Postulat: Z ruchem każdej cząstki o masie

m

i prędkości

v

(pędzie

p

)

związana jest fala o długości



równej:

IX. Louis de Broglie (1892-1987) –

fale materii

Problem: Jeżeli promieniowaniu przypisuje się

również naturę korpuskularną (foton, pęd), to
czy cząstkom (np. elektronom) można również
przypisać naturę falową?

p

h

mv

h







h – stała Plancka
p – pęd cząstki

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Dyfrakcja była zgodna z równaniem

Braggów

n



= 2d sinΘ

Clinton

Joseph

Davisson

1881 -

1958

Lester

Halbert

Germer

1896 -

1971

Kryształ

niklu

Wysokie

napięcie

Źródło

elektronów

Detektor

X. C.J. Davisson i L.H. Germer –

dyfrakcja elektronów; potwierdzenie

doświadczalne hipotezy de Broglie’a

W 1927 roku, Davisson i Germer
zaobserwowali
dyfrakcję elektronów na powierzchni
niklu.

Θ

d



dla długości fali



przewidzianej

równaniem de Broglie’a



= h /m v = h / p

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Potwierdzenie doświadczalne hipotezy de Broglie’a

Dyfrakcja po przejściu przez folię aluminiową:

promieni Röntgena

wiązki elektronów

X. George P. Thomson (1892-1975) (syn J.J. Thomsona)

–

przejście wiązki elektronów przez folie

metalowe

Dyfrakcja

i interferencja

promieniowa

nia

przy przejściu

przez

szczeliny

Wykład 5 – TEORIE BUDOWY ATOMU

Podsumowanie:

.

Dalton (1803)

atom

Thomson (1904)

ładunki „+” i „–”

Rutherford (1911)

jądro atomu

Bohr (1913)

model stacjonarny

Schrödinger (1926)

falowy opis

elektronu w atomie

następny

wykład

następny

wykład