Budowa atomu
Upłynęło wiele wieków zanim ludzka wiedza o budowie atomu osiągnęła dzisiejszy poziom. Początkowo była to fascynacja np. pięknem barwy i kształtu przypadkowo znalezionych kryształów lub nawet obserwacja płatków śniegu przybierających wprost bajkowe i niepowtarzalne formy. Intuicyjnie zdawano sobie sprawę, że przeźroczyste postacie otaczającej nas materii muszą mieć odbicie w strukturze atomów określonych jako najmniejsze „cegiełki”, z których jest ona zbudowana. Domyślano się również, że chemiczne właściwości substancji zależą od budowy tworzących je atomów. Starano się więc wniknąć do wnętrza atomu i poznać jego tajemnice.
Już pod koniec XIX w. udowodniono, że atom nie stanowi kresu podziału substancji. Joseph John Thomson (1856-1940) - badał wyładowania elektryczne w gazach rozrzedzonych. W 1896r. odkrył istnienie ujemne naładowanej cząstki mniejszej od atomu. Cząstkę nazwano elektronem i przypisano mu symbole e-. Masa elektronu wynosi ok. 0,00055u (9,11 x 10-31kg), a jego ładunek -1 jest to elementarny ujemny ładunek elektryczny i ma wartość 1,6 x 10-19.
Antoni Henri Becquerel (1852-1908) oraz Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie - okryli, że atomy niektórych pierwiastków rozpadają się samoczynnie emitując 3 rodzaje promieniowania ?, ß, ? ,
• Promienie ß - okazało się strumieniem odkrytych przez Thomsona elektronów.
• Promienie ? - są to cząstki o ładunku dodatnim 2 razy większym od bezwzględnej wartości ładunku elektronu i masie równej czterem jednostkom mas atomowych.
• Promienie ?- ma charakter fal elektromagnetycznych, tak jak fale radiowe i świetlne.
Zjawisko samorzutnego rozpadu atomów połączone z emisją promieni ?, ß, ? nazwano promieniotwórczością naturalną a pierwiastki, których atomy ulegają takiemu rozpadowi - pierwiastkami promieniotwórczymi. Badając wysyłane przez pierwiastki promieniotwórcze promieniowanie ?, stwierdzono, że cząstki te przenikają przez bardzo cienkie blaszki metalowe.
Uczony angielski Ernest Rutherford (1871 - 1937) pierwszy zauważył, iż zjawisko to można wykorzystać do badania budowy atomów. Kierując pracą Geigera i Mardsena nad tym zagadnieniem zauważył on, że wiązka cząsteczek ?, przechodząca przez blaszkę metalową, ulega częściowemu rozproszeniu. Dokładnie obserwując rozproszenia cząstek ? na blaszkach metalowych wykazały, że większość tych cząstek przenika przez blaszki bez zmiany kierunku lub jest nieznacznie rozproszona. Tylko nieliczne cząstki rozproszone były pod kątem 30o i więcej, więcej pojedyncze odbijały się pod kątem większym niż 90o i zawracały ze swej drogi. Przenikanie olbrzymiej większości tych cząstek przez folie metalowe tłumaczył Rutherford w sposób następujący: cząstki rozproszone są nie przez elektrony, gdyż te są naładowane ujemnie i mają zbyt małą masę, aby mogły zakrzywić tor ciężkiej cząstki, lecz przez dodatnio naładowane ciężkie jądra atomowe. Z kolei jądra muszą mieć niezwykle małe rozmiary w stosunku do rozmiarów atomów, skoro cząstki ? przechodzą przez gęsto stłoczone atomy jak przez pustą przestrzeń. Odbicie nielicznych cząstek ? od blaszki świadczyło o tym, że trafiły one w swym biegu na bardzo małe, dodatnio naładowane, ciężkie jądra i zostały siłami elektrycznymi odepchnięte. Wyniki analizy kątowego rozkładu rozproszonych cząstek ? stały się podstawą do opracowania przez Rutherforda w roku 1911 tzw. planetarnego modelu budowy atomów. Według Rutherforda w centralnej części atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, w którym skoncentrowana jest prawie cała masa atomu. Dookoła jądra, po odpowiednich torach, krążą elektrony, podobnie jak krążą planety dookoła Słońca - stąd nazwa: planetarny model atomu.
Max Kari Ernst Ludwig Planck urodził się 23 kwietnia 1858 r. w Kilonii, porcie nad Bałtykiem, niegdyś należącym do Danii, a od 1866 r. do Prus. Praca doktorska Plancka, poświęcona drugiej zasadzie termodynamiki, zdradza jego głębokie zainteresowanie problemami fundamentalnymi. Intrygowała go możliwość, że świat zewnętrzny może być czymś "absolutnym" i - jak pisał - "poszukiwanie praw odnoszących się do tego absolutu wydawało mi się najbardziej wzniosłym, naukowym zajęciem w życiu". Zajmował się przez pewien czas dydaktyką na uniwersytecie w Monachium i Kilonii, po czym w 1889 r. został profesorem w Berlinie i tu powstały jego największe prace.
Planck wprowadził pojęcie kwantu, pracując nad rozwiązaniem problemu "promieniowania ciała doskonale czarnego", który nurtował fizyków pod koniec XIX w. W 1859 r. Gustav Kirchhoff odkrył, że natężenie promieniowania emitowanego przez dowolne ciało zależy tylko od temperatury i długości fali, nie zaś od budowy tego ciała. Wynikało z tego, że natężenie promieniowania jest określone przez pewną uniwersalną funkcję. Analizując promieniowanie ciała doskonale czarnego, fizycy doszli do niepokojącego wniosku. Zgodnie z fizyką klasyczną gorące ciało powinno emitować promieniowanie o nieskończonej energii całkowitej, przy czym należnie promieniowania powinno być największe w zakresie fal najkrótszych, czyli ultrafioletowych. Rzecz jasna, ten wniosek jest sprzeczny z doświadczeniem. Światło emitowane z rozgrzanej wnęki ma widmo od barwy żółtej przez czerwoną, niebieską do ,,białego żaru". Klasyczna fizyka nie jest w stanie tego wyjaśnić; problem ten określa się czasem jako "katastrofę w nadfiolecie" z uwagi na sprzeczność między przewidywaniami i danymi doświadczalnymi w zakresie fal krótkich. Dla dziewiętnastowiecznych fizyków nie było to jakieś pomniejsze zagadnienie, gdyż stanowiło ono wyzwanie dla pierwszej zasady termodynamiki, zgodnie z którą w przemianach energii cieplnej w mechaniczną energia całkowita jest zachowana.
Po kilku nieudanych próbach, rozpoczętych w 1897 r.. Planck opracował wzór opisujący promieniowanie ciała doskonale czarnego. Odrzucił klasyczną zasadę, zgodnie z którą ciepło i światło są emitowane w sposób ciągły. Zamiast tego przyjął, że energia jest emitowana w porcjach, zwanych kwantami, i wprowadził nową, uniwersalną stałą fizyczną. Wprawdzie jego matematyczne wywody opierały się solidnie na prawach fizyki, ale sama "stała Plancka", jak ją zaczęto nazywać, była "szczęśliwym domysłem". Stała h jest bardzo małą liczbą i ma taki wymiar jak iloczyn energii i czasu. Stała ta, nazwana przez Plancka ,,elementarnym kwantem działania", zapewnia zgodność przewidywań wynikających z rozważań teoretycznych z obserwowanym widmem promieniowania. W swoim rozumowaniu Planck przyjął, że oscylacje w rozgrzanej wnęce powodują emisję promieniowana tylko w określonych porcjach, a najmniejszą porcją jest kwant. Kwant jest niepodzielny, nie ma na przykład połowy kwantu. Pierwsza praca Plancka na temat kwantów ukazała się w grudniu 1900 r., dając na przełomie wieków początek fizyce kwantowej.
Stała Plancka weszła do wzoru na promieniowanie ciała doskonale czarnego, zyskując fundamentalne znaczenie. Wprawdzie jest sprzeczna z zasadami klasycznej fizyki, ale została zaakceptowana, ponieważ ku zaskoczeniu fizyków zapewniła zgodność teorii z wynikami doświadczeń. W 1905 r. Einstein zastosował hipotezę kwantową do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego. Wykazał w ten sposób, że światło może się czasami zachowywać jak strumień cząstek, których własności można obliczyć korzystając ze stałej Plancka. Niedługo potem, w 1913 r., Niels Bohr przy opracowywaniu swojego modelu atomu również wykorzystał możliwość szerszego zastosowania stałej Plancka. Odrzucił klasyczne zasady, według których atom był swego rodzaju miniaturą Układu Słonecznego. W modelu atomu Bohra elektrony krążą tylko po pewnych orbitach, których wielkość zależy od stałej Plancka. Na przełomie XIX i XX w. Max Planck zapoczątkował teorię kwantów i na zawsze zmienił podstawy fizyki. Było to tak niezwykłe odkrycie, o tak podstawowym znaczeniu, że niektórzy komentatorzy stawiają Plancka na równi z Newtonem i Einsteinem. Einstein napisał, że praca Plancka "stanowiła jeden z najpotężniejszych bodźców w rozwoju nauki". Planck rzeczywiście odegrał bardzo ważną rolę, a jednocześnie jego postać jest interesująca dla naukowców: "z natury konserwatysta, pragnął mimo to znaleźć radykalne rozwiązanie pozornie mało ważnego, lecz z teoretycznego punktu widzenia zupełnie zasadniczego problemu tradycyjnej fizyki. ,,Zdecydowany konserwatysta - pisał o nim Emilio Segre - uważał jednak, że siła dowodów eksperymentalnych i nakazy logiki zmuszają go do przeprowadzenia jednej z największych rewolucji w filozofii przyrody".
Niels Bohr - W 1913r. duński fizyk, profesor uniwersytetu w Kopenhadze stworzył teorię kwantów, punktem wyjścia tej teorii był model atomu Rutherforda według, którego cała prawie masa atomu skupiona jest w jądrze w bardzo małych rozmiarach w porównaniu do rozmiarów atomów. Wyprowadził on teoretycznie po raz pierwszy empiryczny wzór Balmera. Jego teoria odegrała istotną rolę w rozwoju mechaniki kwantowej. Została ona z biegiem czasu zmodyfikowana. Atom wodoru zawiera proton p(+) jako jądro oraz elektron (-e) krążący wokół jądra. Między tymi cząsteczkami działa coulombowska siła centralna:
• gdzie v oznacza prędkość elektronu na torze.
Założenia jakie wprowadził Bohr w swojej teorii, są następujące:
Pierwszy założenie Bobra (postulat) - moment pędu albo kręt elektronu mvr musi być całkowitą wielokrotnością wielokrotności.
Według Bohra istnieje tylko pewien ciąg wybranych torów, po których może krążyć elektron. Ich promienie są proporcjonalne do kwadratów kolejnych liczb całkowitych. Przy poruszaniu się po jednym z tych torów elektron nie traci energii, nie wysyła promieniowania. Założenie to jest sprzeczne z elektrodynamiką klasyczną, według której elektron poruszający się ruchem przyśpieszonym (a w tym wypadku ma przyśpieszenie dośrodkowe) powinien wypromieniować fale elektromagnetyczne. Normalnie elektron krąży po pierwszym, najbliższym torze. Jego promień jest jednocześnie promieniem atomu w jego normalnym stanie. Elektron krążący po jednym z dalszych torów pozostaje na nim zwykle przez czas bardzo krótki, po czym przeskakuje na tor bliższy. Podczas tego przeskoku energia atomu zmniejsza się. Według zasady zachowania energii nie może ona zniknąć. Bohr wprowadza drugie założenie:
Drugi założenie Bobra (postulat) - gdy elektron przeskakuje z toru n- tego na tor i- ty, bliższy, wskutek czego energia atomu zmniejsza się z En na Ei , to różnica energii En - Ei jest wysyłana w przestrzeń w postaci promieniowania w pewnej określonej ilości, czyli kwantu promieniowania h(?), gdzie h oznacza stałą Plancka, a ? - część wysłanego promieniowania.
Rozwój fizyki, a zwłaszcza mechaniki kwantowej spowodował zupełny przewrót w poglądach na budowę atomu. W pracach teoretycznych (De Broglie) potwierdzonych z kolei doświadczalnie, ustalono na przykładzie elektronu, że cząstki materii wykazują nie tylko charakter korpuskularny, ale również falowy. Wiązka elektronów mimo ich charakteru korpuskularnego ma zdolność uginania się o sieć przestrzenną kryształów, podobnie jak to czynią promienie rentgenowskie. Dwoisty charakter, korpuskularny i falowy, cząstek ujawnia się tym wyraźniej, im mniejsza jest cząsteczka znajdująca się w ruchu i większa jej prędkość. De Broglie podał wzór określający długość fali odpowiadającej cząstce o masie m, prędkości ? i energii kinetycznej E = m? /2
Model falowy nie może przedstawiać atomu w tak prosty i przestrzenny sposób, jak to czyni teoria Bobra, oparta na korpuskularnym elektronie. Miejsce modelu mechanicznego, opartego na prawach mechaniki klasycznej, zajmują tu skomplikowane równania matematyczne, podające rozkład gęstości elektronowych naokoło jądra. Teorie mechaniki falowej mogą w zamian za to poszczycić się o wiele większymi sukcesami niż teoria Bobra, gdyż nawet teoria kwantowa znajduje w nich swoje uzasadnienie. Dlatego też liczby kwantowe zachowują w nowej teorii w dalszym ciągu swoje znaczenie dla określenia stanów elektronowych atomu. Również układy wieloelektrodowe, przy których teoria Bobra napotyka zasadnicze trudności, stały się dla obliczeń mechaniki falowej dostępne. Mimo to teoria Bobra przy elementarnym podejściu do zagadnień budowy atomu i wiązań chemicznych oddają dobre usługi i dlatego stanowią w dalszym ciągu podstawę do rozważań i wniosków, szczególnie w zakresie problemów chemicznych.
Budowa atomu
Orbital, funkcja falowa jednoelektronowa (tzn. zależna od współrzędnych tylko jednego elektronu), opisująca elektron znajdujący się w polu wytworzonym przez pojedyncze jądro atomowe (orbital atomowy, jednocentrowy) lub przez kilka jąder atomowych (orbital molekularny, z reguły - wielocentrowy) oraz przez inne elektrony.
Foton - najmniejsza porcja promieniowania elektromagnetycznego, można ją traktować jako bardzo dziwną cząstkę poruszającą się z prędkością światła. Można jej przypisać zarówno energię, pęd jak i masę. Cząstka ta posiada jedynie masę będąc w ruchu. Jej masa spoczynkowa jest równa zeru.
Widmo absorpcyjne, widmo powstające przy przenikaniu promieniowania przez materię dla niego przezroczystą. W przypadku fal elektromagnetycznych atomy ośrodka pochłaniają rezonansowo promieniowanie o energii odpowiadającej swojej strukturze energetycznej i natychmiast potem spontanicznie emitują światło, przy czym emisja owa zachodzi izotropowo.W kierunku rozchodzenia się padającej fali elektromagnetycznej w widmie absorpcyjnym obserwuje się bardzo silne zaniki natężenia dla energii właściwych danej substancji. Umożliwia to badanie składu chemicznego absorbenta
Dualizm korpuskularno-falowy, korpuskularno-falowa natura światła Wszystkie rodzaje obiektów mikroświata (kwanty pola sił, cząstki elementarne itp.) w pewnych warunkach eksperymentalnych (np. zjawisko dyfrakcji) manifestują właściwości pozwalające na opis ich jako fale (tj. np. fale świetlne, de Broglie fale), w innych (np. w zderzeniach sprężystych) daje się je lepiej opisywać jako cząstki (np. fotony, cząstki elementarne).Również fale akustyczne w sieci krystalicznej manifestują czasem właściwości korpuskularne (fonony). Dualizm korpuskularno-falowy jest jednym z "dogmatów" współczesnej fizyki, koncepcja ta pojawiła się w pierwszych latach XX w. Wcześniej istniał spór o naturę promieniowania (głównie światła).Spór istniał od czasów I. Newtona, który uważał światło za rój cząstek, a polemizował z nim Ch. Huygens, który rozpatrywał światło jako falę.
SERIA BALMERA, seria widmowa wodoru, leżąca w widzialnej i nadfioletowej części widma; odwrotności długości fal linii s.B. określa wzór 1/l= R ( 1/22 - 1/k2) podany 1885 przez J.J. Balmera.
Lymana seria, druga seria linii widmowych atomu wodoru (po Balmera serii) odkryta w 1906 przez fizyka amerykańskiego Th. Lymana (1874-1954), dla serii Lymana długość fali ? daje się przedstawić w postaci: ? = ?0 n2/(n2-1), gdzie n=2,3,4,5,..., ?0 = 364,57 nm. Uzasadnienie teoretyczne obserwowanej regularności daje mechanika kwantowa.
Postulaty Bohra -
1. Dla elektronu krążącego wokół jądra dozwolone są tylko takie orbity, dla których moment pędu zwany inaczej krętem (będący iloczynem pędu elektronu i promienia orbity, po której krąży) jest całkowitą wielokrotnością stałej Plancka podzielonej przez 2p. MeVnRn = n h/2p
2.Kiedy elektron krąży do jednej z dozwolonych orbit nie promieniuje energii w postaci fal elektromagnetycznych. Energia kest emitowana podczas przeskoku elektronu z jednej z dozwolonych orbit na inną.
Fotoelektryczne zjawiska (efekty), ogół zjawisk spowodowanych oddziaływaniem substancji z promieniowaniem świetlnym. Związane jest z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom. Zgodnie z zaproponowanym wtedy modelem energia padającego kwantu gamma (równa h?, gdzie h - stała Plancka, ? - częstotliwość fali świetlnej) jest przekazywana elektronowi zgodnie z równaniem h? = E+W, gdzie E - energia kinetyczna elektronu, W - tzw. praca wyjścia (energia potrzebna do wydostania się elektronu z substancji).
kwant wielkość energii, jaka jest wysyłana w postaci fali elektromagnet. w czasie skokowego przejścia elektronu z orbity o większym promieniu na orbitę o promieniu mniejszym; najmniejsza porcja, o jaką może ulec zmianie dana wielkość fizyczna
fotoelektron - elektron wybity przez foton w wyniku działania promieniowania.