BUDOWA ATOMU
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Egipt, Asyria
→ miedź, brąz, żelazo, szkło, ceramika, barwienie tkanin
starożytna Grecja
Tales z Miletu (VII wiek p.n.e.)
→ pramaterią jest woda
Heraklit (V wiek p.n.e.)
→ pramateria to ogień
Empedokles (490-430 p.n.e.)
→ cztery elementy: ziemia, powietrze, woda, ogień
Demokryt (460-371 p.n.e.)
→ atomistyczna struktura materii
Arystoteles (384-322 p.n.e.)
→ poglądy Empedoklesa + właściwości materii
(ciepło, zimno, suchość, wilgotność)
Egipt – Aleksandria
→ akademia i biblioteka - do 47 r. n.e.
Arabowie
→ w Egipcie (VII w.), w Hiszpanii (VIII w.)
alchemia
→
kamień filozoficzny
Avicenna (980-1037)
Albertus Magnus (1193-1280)
Paracelsus (1493-1541)
Michał Sędziwój (1556-1636)
Robert Boyle (1627-1691)
→ pierwiastek chemiczny
M. Łomonosow (1711-1765) i A. Lavoisier (1743-1794)
John Dalton (1766-1844)
→ wskrzesił demokrytejski termin atomos
A. Avogadro (1776-1856), M. Faraday (1791-1867), D. Mendelejew (1834-1907),
M. Curie-Skłodowska (1867-1934), E. Rutherford (1871-1937), ... ... ... ???
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Pierwiastki chemiczne
p.n.e.
Sb Sn Zn Pb Hg S Ag C Au Fe Cu
(11)*
do XVII w.
As (1250 r.)
P (1669 r.)
(2)
XVIII w.
N Cl Cr Co Y Mn Mo
(14)
Ni Pt Te O U H
W
XIX w.
(m.in.)
Na Ca Al Si F Cs Ba B Bi I (58)
Ra Po Ac ...
XX w.
At Eu Fr Hf Lu Re Tc
( ? ... )
transuranowce
XXI w. ???
Berkeley
(USA)
Darmstadt (Niemcy)
Dubna
(Rosja)
* w zależności od źródła literaturowego podane wartości mogą się różnić
(IUPAC)
104
rutherfordium Rf
108
hassium
Hs
105
dubnium
Db
109
meitnerium
Mt
106
seaborgium
Sg
110
darmstadtium Ds
107
bohrium
Bh
111
roentgenium
Rg
…
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Prawo zachowania masy
→
M. Łomonosow (1760 r.)
→
A. Lavoisier (1785 r.)
Suma mas substratów reakcji chemicznej
jest równa sumie mas produktów tej reakcji
Prawo zachowania materii (prawo zachowania masy i energii)
Każdej reakcji chemicznej towarzyszy efekt energetyczny,
Który powoduje pewne zmiany masy reagującego układu
zgodnie z podaną przez Einsteina (1905 r.) zależnością
między energią E a masą m:
E = m · c
2
c = 3 · 10
8
m/s
W układach izolowanych suma masy i energii
jest wielkością stałą:
Σ
(m + E/c
2
) = const
Albert Einstein
(1879-1955)
Nagroda Nobla w 1921 r.
Prawo stosunków stałych
→
J.L. Proust (1799 r.)
W określonym związku chemicznym pierwiastki są połączone zawsze w tym samym
stosunku wagowym (niezależnie od pochodzenia związku i metody jego otrzymania)
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Prawo stosunków wielokrotnych
→
J. Dalton (1803 r.)
Jeżeli dwa pierwiastki tworzą więcej niż jeden związek chemiczny,
to ilości wagowe jednego z pierwiastków w tych związkach przypa-
dające na tę samą ilość wagową drugiego, mają się do siebie jak
proste liczby całkowite
Np. azot tworzy pięć tlenków: N
2
O
5
, NO
2
, N
2
O
3
, NO, N
2
O
W każdym z nich na 28 części wagowych azotu przypada
odpowiednio: 80, 64, 48, 32 i 16 części wagowych tlenu.
Stosunek ilości wagowych tlenu przypadających na stałą ilość
wagową azotu (28 części wagowych) wynosi jak:
5 : 4 : 3 : 2 :1
W analogiczny sposób udowodnić słuszność powyższego prawa
na przykładzie tlenków manganu i germanu
(zad. 39 i 40 ze skryptu „Obliczenia z chemii ogólnej”
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Johann Wolfgang Döberainer (1780-1849) Ö triady (rok 1817)
[w szeregu trzech pierwiastków o podobnych właściwościach chemicznych
masa atomowa pierwiastka środkowego jest w przybliżeniu
średnią arytmetyczną mas atomowych dwóch pozostałych]
Ca
40,1
Cl
35,5
Sr
88,7
Br
81,2
Ba
137,3
I
126,9
PRAWO OKRESOWOŚCI
(periodyczne powtarzanie się właściwości chemicznych i częściowo fizycznych)
John Alexander Newlands (1838-1898) Ö prawo oktaw (rok 1865)
[po uszeregowaniu pierwiastków według rosnących mas atomowych,
co ósmy z nich jest analogiem pierwszego]
np. właściwości Li, Na, K, ...
Uwaga ! Nie znano wówczas gazów szlachetnych,
które odkrył W. Ramsay w latach 1894-98.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Dmitrij Mendelejew (1834-1907) Ö układ okresowy
→ kryterium: masy atomowe,
(rok 1869)
→ grupy, okresy,
→ pozostawił w tablicy puste miejsca przewidując
dalsze odkrycia pierwiastków,
Tablica ułożona przez D. Mendelejewa (63 pierwiastki)
ekabor
Ø
skand (1879 r.)
ekaglin
Ø
gal (1875 r.)
ekakrzem
Ø
german (1886 r.)
(Tablica Mendelejewa jest wciąż uzupełniana)
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
BADANIA NAD BUDOWĄ ATOMU
Joseph John Thomson
(1856-1940)
Nagroda Nobla w 1906 r.
anoda
katoda
pole elektryczne
lub magnetyczne
ekran
fluory-
zujący
Doświadczenie Thomsona
/odchylenie promieni katodowych
/
ELEKTRON
odkryty przez J.J. Thomsona w 1897 r.
ład. elektryczny -1
m
e
= 9,11· 10
-31
kg
e = 1,6 · 10
-19
C
Model atomu Thomsona
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Henri Antoine Becquerel (1852-1908) odkrył w 1896 r.
zjawisko promieniotwórczości rudy uranowej.
Nagroda Nobla w 1903 r.
Maria Skłodowska-Curie (1867-1934)
Nagroda Nobla w 1903 r. i 1911 r.
Pierre Curie (1859-1906)
Nagroda Nobla w 1903 r.
izolują z rudy uranowej w 1898 r.
RAD i POLON
ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Oba te pierwiastki wysyłają promieniowanie, które w polu magnetycznym
lub elektrycznym ulega rozszczepieniu na trzy różne promieniowania
składowe oznaczone
α, β i γ.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
promieniowanie
α składa się z cząstek materialnych oznaczonych
symbolem
α, a więc jąder helu; zasięg jego działania jest niewielki;
w polu elektrycznym oraz magnetycznym ulega odchyleniu w kie-
runku bieguna ujemnego.
promieniowanie
β składa się z elektronów wyrzucanych z jądra
z dużymi (choć niejednakowymi) prędkościami; jego zasięg jest
większy niż promieniowania
α; cząstki te niosą ładunek ujemny,
zatem w polu elektrycznym oraz magnetycznym odchylają się
przeciwnie aniżeli cząstki
α,
promieniowanie
γ jest to promieniowanie elektromagnetyczne
o bardzo małej długości fali; towarzyszy promieniowaniu
α i β;
nie ulega odchyleniu w polu elektrycznym ani magnetycznym.
Ładunek elektryczny
Masa
Promieniowanie
0
0
γ
-1
m
e
β
+2
4
α
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
JĄDRO ATOMOWE
84
210
82
206
2
4
Po Pb
+
He
→
ekran
folia metalowa
źródło cząstek
α
Jądro atomowe - dodatnio nała-
dowana centralna część atomu,
w której skupiona jest główna
część masy atomu.
Schemat doświadczenia Rutherforda (1911 r.)
cząstka
α
Ernst Rutherford
(1871-1937)
Nagroda Nobla w 1908 r.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
• w 1913 r. van der Broek ustala, iż liczba dodatnich ładunków
elektrycznych skupionych w jądrze atomowych równa jest liczbie
atomowej pierwiastka;
• w 1919 r. E. Rutherford przeprowadza pierwszą sztuczną przemianę
promieniotwórczą;
• Henry Moseley (1887-1915) prowadził równolegle prace dotyczące
charakterystyki jądra atomowego,
ustala też znaczenie liczby atomowej pierwiastka, wielkości bardziej
dla niego istotnej niż masa atomowa i tym samym potwierdza
słuszność kolejności: K, Ar; Co, Ni i Te, I;
liczba atomowa, czyli liczba protonów w jądrze, która dla obojętnego
atomu jest równa liczbie elektronów)
7
14
2
4
8
17
1
1
N + He
O + p
→
α
proton
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
W 1932 r. angielski uczony, J. Chadwick, zinterpretował
w sposób właściwy to doniesienie stwierdzając, że nowe
cząstki o wielkiej zdolności do przenikania przez materię
to pozbawione ładunku elektrycznego promieniowanie
neutronowe.
4
9
2
4
6
12
0
1
Be + He
C + n
→
α
neutron
Nukleony - wspólne określenie protonu i neutronu, a więc
cząstek będących składnikami jądra atomowego.
proton
ład. elektryczny +1
m
p
= 1,67 · 10
-27
kg
neutron
ład. elektryczny 0
m
n
= 1,67 · 10
-27
kg
W 1930 r. niemieccy uczeni odkryli przenikliwe promieniowanie wysyłane
przez beryl pod działaniem cząstek
α.
James Chadwick
(1891-1974)
Nagroda Nobla w 1935 r.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
za względnie trwałe uważa się jądra, w których:
energii wiązania odpowiada pewna masa (tzw. defekt masy), która jest
wypromieniowana przy tworzeniu się jądra z cząstek elementarnych;
Defekt masy - różnica między sumą mas cząstek elementarnych,
a nieco mniejszą masą powstającego z nich jądra.
np. dla atomu berylu:
M = 9,0122;
atom = 4e + 4p + 5n
to
Δm = 0,041 g = 4,1 · 10
-5
kg
więc
E = m · c
2
= 3,7 · 10
12
J
promień atomu (r
at.
):
~ 10
-10
m
promień jądra atomowego (r
j
):
~ 10
-14
÷10
-15
m
gdzie r
e
= 1,41 · 10
-15
m (promień elektronu)
np. dla
r
at.
= 0,77 · 10
-10
m
więc
r
j
= 3,23 · 10
-15
m
1,6)
1;
Z
Z
A
〈
∈
−
3
A
r
r
e
j
⋅
=
C
12
6
000
24
r
r
j
at.
≈
A - liczba masowa
Z - liczba atomowa
E
A
Z
ATOM, JĄDRO ATOMOWE, ICH ROZMIARY
→ siły jądrowe,
→ energia wiązania jądra,
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
IZOTOPY
H.N. McCoy & W.H. Ross (1907 r.)
A - liczba masowa
Z - liczba atomowa
1
H
99,98% (prot)
16
O
99,76%
2
H
0,015% (deuter)
17
O
0,04%
3
H
elem. (tryt)
18
O
0,2%
• izotopy trwałe, np.
12
C,
13
C,
14
N,
16
O, ...
27
Al,
19
F,
31
P,
59
Co
izotopy trwałe, po 100%
23
Na,
197
Au,
127
I, ...
w przyrodzie (21 pierwiastków)
• naturalne izotopy promieniotwórcze, np.
3
H t
1/2
= 12,46 lat
14
C t
1/2
= 5725 lat
235
U t
1/2
= 8,62 · 10
8
lat
Z
A
E
Izotopy - atomy tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze atomowym.
Izobary - atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej.
Nuklid - jądro atomowe o określonej wartości liczby atomowej i liczby masowej.
Nuklidy - atomy poszczególnych izotopów.
Pierwiastek chemiczny - zbiór atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze.
czas połowicznej przemiany (t
1/2
), tj. okres połowicznego rozpadu, okres półtrwania, to
okres czasu, w którym połowa liczby atomów ulega przemianie (aktywność preparatu
promieniotwórczego zawierającego izotop promieniotwórczy zmniejsza się do połowy).
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
rozpad (przemiana)
α - polega na wyrzuceniu z jądra
cząstki
α
α
β
γ
+
-
α
4
2
2
4
-
A
Z-2
1
A
Z
+
E
E
→
α
4
2
222
86
226
88
+
Rn
Ra
→
e
+
E
E
2
A
1
Z
1
A
Z
+
→
ROZPAD PROMIENIOTWÓRCZY
rozpad (przemiana)
β - w tym procesie wyrzucany
jest elektron, który powstał wskutek
przemiany neutronu w proton
promieniowanie
γ - jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego w stan
o niższej energii i nie zmienia się przy tym
liczba masowa, ani liczba porządkowa
ν
→
+
e
+
p
1
1
n
1
0
e
+
Bi
Pb
214
83
214
82
→
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Mapa świata pierwiastków
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Synchrotron w Grenoble
Akcelerator liniowy w Darmstadt
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
n
+
Uuo
Kr
Pb
1
0
293
118
86
36
208
82
→
+
W 1999 r. w laboratorium w Berkeley otrzymano prawdopodobnie trzy
atomy pierwiastka 118, w wyniku fuzji izotopów ołowiu i kryptonu.
Jednak nigdy nie udało się powtórzyć tego eksperymentu.
Od strony teoretycznej ten eksperyment zaplanował
Robert Smolańczuk
z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
L. Lederman, D. Teresi – „Boska cząstka”
„Za pomocą dwunastu cząstek materii możemy zbudować
wszystko, cokolwiek istniało lub istnieje we Wszechświecie.”
Dwie rodziny: 6 kwarków i 6 leptonów.
Proton składa się z trzech kwarków: uud a neutron także z trzech: udd
„Żaden kwark w cząstce wielokwarkowej nie znajduje się w stanie
bezruchu wobec pozostałych. Krążą one wokół wspólnego środka mas.”
Leon M. Lederman
ur. w 1922 r.
Nagroda Nobla
w 1988 r.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
H
a
d
r
o
n
y
+1
0
-1
+1
0
+1
0
0
-1 (+1)
0
-1
-1
0
Ładunek
∞
889
p
n
Proton
Neutron
Bariony
1,2 · 10
–8
5,2 · 10
–8
K
+
K
0
Kaony
8,4 · 10
–17
2,6 · 10
–8
π
0
π
–
(
π
+
)
Piony
Mezony
7,99 · 10
–11
7,4 · 10
–20
1,5 · 10
–10
Σ
+
Σ
0
Σ
¯
Hiperony
sigma
∞
∞
2,2 · 10
–6
∞
γ
e
–
μ
–
ν
e
Foton
Elektron
Mion
Neutrino
elektronowe
Leptony
t
1/2
(s)
Symbol
Nazwa
WAŻNIEJSZE CZĄSTKI ELEMENTARNE
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
MASA ATOMOWA
od 1961 r. skala oparta na węglu
12
C {
12
C 98,89%;
13
C 1,11%}
atom = 6n + 6p + 6e
Jednostka masy atomowej jest to
1
/
12
masy atomu węgla
12
C
j.m.a. = 1 dalton = 1 u = 1,6605 · 10
-24
g
Bezwzględna masa atomu
12
C (wyznaczona eksperymentalnie) wynosi 1,9924 · 10
-23
g
Względną masę atomową pierwiastka obliczyć można dzieląc masę atomu
wyrażoną w gramach (tzw. bezwzględną masę atomową) przez liczbę
1,6605 · 10
-24
g, tj. masę 1 u
Masa atomowa:
Względna masa atomowa jest to liczba określająca ile razy masa atomu
danego pierwiastka jest większa od
1
/
12
masy atomu izotopu węgla
12
C
6
12
C
John Dalton (1766-1844)
Jöns Jackob Berzelius
(1779-1848)
wzorce
J. Dalton
→
wodór
J.J. Berzelius
→
tlen
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
DWOISTA NATURA ŚWIATŁA I ELEKTRONÓW
XVII/XVIII w. I. Newton
- teoria korpuskularna światła
~ 1870 r. J.C. Maxwell
- przewidział powstawanie fal elektromagnetycznych
rozchodzących się z prędkością światła (c = 3 · 10
8
m/s);
1873-88 H. Hertz
- potwierdził eksperymentalnie wszystkie przewidywania
płynące z teorii Maxwella;
światło widzialne stanowi jeden z rodzajów
promieniowania elektromagnetycznego
Promieniowanie elektromagnetyczne
- fala elektromagnetyczna składająca się z
wzajemnie prostopadłych składowych: elektrycznej E i magnetycznej H; oscylują
one w kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.
„Składowa E”
„Składowa H”
„Fala elektromagnetyczna”
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
fale radiowe
mikrofale
IR
VIS
UV
prom. X
prom.
γ
λ
→ → → → → →
← ← ← ← ← ←
ν
< 10 pm
10 pm
÷ 10 nm
10
÷ 400 nm
400
÷ 800 nm
800 nm
÷ 1 mm
1 mm
÷ 30 cm
30 cm
÷ 30 km
Promieniowanie
γ
Promieniowanie X
Nadfiolet (UV)
Światło widzialne (VIS)
Podczerwień (IR)
Mikrofale
Fale radiowe
λ
Zakres
λ
c
ν
=
ν
- częstość promieniowania;
c
= 3 · 10
8
m/s;
λ
- długość fali
W 1900 r. Max Planck stwierdził, że światło jest emitowane
i pochłaniane przez ciało doskonale czarne nie w sposób ciągły,
lecz porcjami, które nazwał kwantami energii.
E = h ·
ν
h - stała Plancka;
h = 6,6261 · 10
-34
J·s
ν - częstość drgań promieniowania padającego
Max Planck (1858-1947)
Nagroda Nobla w 1918 r.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
/w 1888 r. odkrył go Hallwachs, a w 1902 r. Lenard
podał podstawowe prawa dotyczące tego zjawiska/
zjawisko to polega na emitowaniu elektronów przez
powierzchnię metalu, na którą pada promieniowanie UV
1/ liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna
do natężenia padającego promieniowania;
2/ energia kinetyczna elektronów rośnie wraz
z częstością
ν padającego promieniowania;
3/ dla każdego metalu istnieje
tzw. częstość charakterystyczna
ν
o
taka, że promieniowanie o częstości
niższej niż
ν
o
nie wywołuje
emisji elektronów.
EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
Philipp von Lenard
(1862-1947)
Nagroda Nobla w 1905 r.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
cząstce o masie m i energii E = m · c
2
poruszającej się
z prędkością v przypisuje się falę, zwaną falą de Broglie’a,
której długość jest równa:
/równanie fal/
p
h
v
m
h
λ
=
⋅
=
Louis V. de Broglie
(1892-1987)
Nagroda Nobla w 1929 r.
równanie fal de Broglie’a
/1924 r./
uczy nas, że w przypadku cząstek elementarnych,
np. elektronów, neutronów, protonów, fotonów itp.
niemożliwe jest równoczesne oznaczenie
położenia cząstki i jej pędu
4π
h
Δx
Δp
≥
⋅
Werner K. Heisenberg
(1901-1976)
Nagroda Nobla w 1932 r.
zasada nieoznaczoności
/Heisenberg - 1927 r./