Szkoła Główna Służby Pożarniczej
w Warszawie
Temat 2: BUDOWA MATERII
" Cząstki elementarne.
" Powstawanie pierwiastków chemicznych.
" Skład pierwiastkowy różnych środowisk w przyrodzie.
Przyroda jest jednolita, lecz jednocześnie jest także cudownie różnorodna.
Wyjaśnienie tego pozornego paradoksu stanowi podstawowe zadanie dla NAUKI.
Starożytni uczeni wierzyli powszechnie, że istnieją dwa rodzaje praw: jeden dla
Ziemi, a drugi dla Nieba. W ubiegłym wieku ustalono jednak ostatecznie
zasadę:
JEDNOLITOŚCI I UNIWERSALNOŚCI PRZYRODY.
Zasada ta głosi, że elementarne cząstki fizyczne, z których składają się
wszystkie atomy i cząsteczki, są zawsze i wszędzie jednakowe niezależnie od
czasu i miejsca we Wszechświecie1.
Krótka historia Wszechświata
" Wszechświat liczy 13.7 ą 0.1 mld lat2
" Na początku był Wielki wybuch -  big bang wyzwolona została
energia rzędu 1011 K
 Po upływie 1 s powstała materia i antymateria, które szybko uległy anihilacji
pozostawiając niewielki nadmiar materii (w postaci protonów, neutronów
i elektronów).
Prawo zachowania masy
Pomiędzy energią a masą, stanowiącymi dwie formy materii, istnieje zależność
określona przez Einsteina wzorem:
E = mc2
gdzie: E - energia, m - masa , c - prędkość światła.
Z zależności tej wynika, że w miejsce rozpatrywanych niegdyś dwóch praw
(każde oddzielnie):
1
Jedynym możliwym odstępstwem od zasady jednolitości atomów jest  antymateria . W antymaterii jądra są
ujemnie naładowane, a otaczające je elektrony dodatnio.
2
dane oparto na bardzo dokładnych badaniach temperatury w przestrzeni kosmicznej.
" Prawa zachowania energii określającego, że w danym układzie zamkniętym
suma energii pozostaje stała, bez względu na przemiany, jakim ulegają
wzajemnie jej poszczególne rodzaje.
" Prawa zachowania masy wyrażającego, iż łączna suma mas substratów
równa się łącznej masie produktów reakcji chemicznej
należy obecnie, w świetle równoważności masy i energii, mówić o prawie
zachowania materii.
Uogólnione prawo zachowania materii
/Ej + mjc2/ = const
gdzie: Ej - energia zawarta wewnątrz układu w różnych postaciach, mj - masy
składające się na układ substancji.
Cząstki elementarne
Cząstka elementarna  cząstka, będąca podstawowym budulcem, czyli
najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej struktury. Pojęcie cząstki
elementarne wprowadzono w latach 1930-1935 i oznaczało ono elektron,
proton, neutron i kwant gamma. W tamtych czasach uznawano, że cała
materia zbudowana jest z tych cząstek. W latach póz
niejszych odkryto miony,
mezony, kwarki i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki, wszystkie je też
uznano za elementarne, obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek.
Model Standardowy
Model Standardowy wprowadza 12 cząstek  materii , z których zbudowana jest
materia zwanych fermionami i 12 cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie
oddziaływań między innymi cząstkami będących bozonów ( cząstek
promieniowania ).
Dwanaście rodzajów fermionów podzielonych jest na trzy rodziny, po cztery
cząstki w każdej. Sześć z nich to kwarki, pozostałe sześć to leptony. Trzy
z leptonów są neutrinami (obojętnymi elektrycznie), dalsze trzy mają ładunek
elektryczny -1: elektron, mion i taon.
ładunek
rodzina I rodzina II rodzina III
elektryczny
elektron (e) mion (�) taon (�) -1 leptony
neutrino neutrino neutrino taonowe 0
elektronowe (�e) mionowe (��) (��)
kwark górny (u) kwark powabny kwark szczytowy +2/3 kwarki
(c) (t)
kwark dolny (d) kwark dziwny (s) kwark spodni (b) -1/3
2
Oprócz tego należy uwzględnić dwanaście rodzajów antycząstek, m.in.
antycząstką elektronu jest pozyton (e+) o ładunku +1.
Oprócz tego należy uwzględnić dwanaście rodzajów antycząstek do wymienionych
tu fermionów. Antycząstką elektronu jest pozyton (e+) o ładunku +1, dodatni mion
�+ jest antycząstką mionu, zaś dodatni taon �+ antycząstką taonu. Antykwarkami
są: antykwark górny, antykwark dolny, antykwark powabny, antykwark dziwny,
antykwark wysoki i antykwark niski. Antyneutrina to antyneutrino elektronowe,
antyneutrino mionowe i antyneutrino taonowe.
Rozpad wzbudzonych cząstek neutronu w proton i protonu w neutron
Przemiana � 
�
n p+ + e- +
Neutron, odkryty przez Chadwicka (1932), jest cząstka niestabilną. W jądrze
ulega przemianie w proton i elektron, ponadto powstaje jeszcze jedna cząstka 
antyneutrino. Elektron  opuszcza jądro. Czas połowicznego zaniku T = 12,8
min.
Przemiana � +
�
p+ n + e+ +
W jądrze następuje przemiana protonu w neutron, przy czym jądro emituje
pozyton, powstaje tu też neutrino. Bardzo trwały.
Na Ziemi cząstki elementarne wytwarza się w specjalnych urządzeniach
(akceleratory, synchrotrony, hadrony), w których zderza się strumienie
wysokoenergetycznych cząstek ze sobą lub z tzw. tarczami. Na rysunku hadron
CERN (27 km pierścień, 11,000 razy na sekundę krążą wysokoenergetyczne
protony o prędkości v = 0,99999991 c).
Hadron CERN-u.
3
Powstawanie pierwiastków chemicznych
Ewolucja chemiczna gwiazd
W ciągu 15 minut od Wielkiego wybuchu zachodzi synteza lekkich jąder:
H1 + 0n1 1H2 He3 + 2He3 2He4 + 21H1
1 2
H1 + 1H2 He3 He3 + 2He4 4Be7 3Li7 + 1e0
1 2
Gdy większa część materii zaczęła się skupiać w niewielkich, odizolowanych,
przestrzeniach dała ona początek powstawaniu galaktyk. Od tej chwili ewolucja
Wszechświata polegała na zmianach zachodzących we wnętrzach galaktyk.
Początkowo gaz z których się utworzyły, składał się prawie wyłącznie z wodoru
i helu. Niestabilności grawitacyjne sprawiły, że obłoki tego gazu zapadały się
tworząc pierwsze pokolenie gwiazd. W gwiazdach zachodziły reakcje jądrowe,
które przekształciły jądra wodoru w jądra helu, a w póżnieszych fazach także
w jądra węgla i tlenu. W końcowych etapach rozwoju tzw. gwiazd masywnych
powstawały również jądra innych pierwiastków. Gwiazdy swój żywot kończą
gigantycznymi wybuchami supernowych, które są z
ródłem pierwiastków
ciężkich.
3 2He4 6C12
n 4He 8O16, 10Ne20, 12Mg24, 14Si28, 16S32, 18Ar36,
Ca40, 22Ti44, 20Ca44, 22Ti48, 24Cr52, 26Fe56
20
Pozostałe pierwiastki cięższe od Fe powstają w wyniku absorpcji neutronów
(aktywacji i rozpadu promieniotwórczego).
Ewolucja Ziemi
" Energia zderzeń i rozpadów promieniotwórczych spowodowała, że metale
ciężkie w postaci ciekłej pogrążały się w kierunku środka, tworząc jądro,
a lżejsze pierwiastki (H i He) powoli uciekały w przestrzeń kosmiczną.
" Gdy Ziemia uległa ochłodzeniu, cięższe pierwiastki utworzyły płynną
magmę (FeMgSiO4) i stałą skorupę (AlSi3O8); skorupa ciągle  pływa po
powierzchni magmy (tzw. dryft kontynentalny).
4
" Lotne gazy (H2O, CO2, CH4, N2, NH3, NO2, HCl, H2S, SO2) dostarczane
do powierzchni przez wulkany, meteoryty i komety utworzyły pierwotną
atmosferę.
" 3.8 mld lat temu, atmosfera ochłodziła się poniżej 100oC, nastąpiła
kondensacja wody dając początek oceanom.
Nasza wiedza o budowie chemicznej Wszechświata opiera się na interpretacji
widm gromadzonych przez wiele ośrodków na całym świecie.
W 1855 r. Robert Wilhelm Bunsen opracował słynny  palnik Bunsena .
W płomieniu lampy widział możliwość dokonywania analizy najbardziej
odległych gwiazd. Wspólnie z Robertem Kirchoffem ustalili chemiczne
podstawy spektroskopii.
 Każdy pierwiastek chemiczny, jeżeli znajduje się w postaci gazowej
i zmusi się go do wysyłania światła, wytworzy charakterystyczną serię jasnych
linii spektralnych, różnych od linii wszystkich innych pierwiastków.
Palnik Bunsena - innowacyjność tego palnika polegała na
tym, że mieszanie powietrza atmosferycznego z gazem
następuje w dyszy, ponieważ powietrze zostaje zassane
przez otwory w dolnej,  zimnej części dyszy,
z wykorzystaniem tzw. efektu kominowego. Przy
maksymalnym dopływie powietrza temperatura płomienia
może osiągnąć 2000 �C.
Dzieki zastosowaniu palnika Bunsena badano widma
różnych pierwiastków ogrzewanych w jego płomieniu.
5
Na Sr As B Ca
Spektroskopia
Obserwacja widm promieniowania dały podstawę do stworzenia nowego działu
w fizyce i chemii  spektroskopii [łac.-gr.], obejmującego badania budowy
i właściwości cząsteczek, atomów i jąder atomów, jak również badania
wzajemnych oddziaływań atomów i cząsteczek oraz ich elementarnych
składowych.
Spektroskop  przyrząd rozszczepiający wiązkę promieniowania
elektromagnetycznego na promieniowanie monochromatyczne i umożliwiający
6
wizualną obserwację otrzymanego widma. Identyfikację chemiczną
przeprowadza się przez porównanie widma z liniami widm czystych
pierwiastków. Do końca XIX wieku sklasyfikowano widma prawie 360,000
gwiazd !
Widmo promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie widzialne3
ma długość fali  w zakresie od 380 do 760 nm
Skład pierwiastkowy różnych środowisk w przyrodzie
3
wykrywane przez oko ludzkie.
7
Rozpowszechnienie pierwiastków
w skorupie ziemskiej
8
Rozpowszechnienie pierwiastków
w organizmie człowieka
Pierwiastek Atom [%] Pierwiastek Atom [%]
H 62.8 Na, K, Mg, Ca, 0.9
P, S, Cl
O 25.4 pozostałe (18 < 0.1
C 9.4 pierwiastków)
N 1.4
Jacy jesteśmy ... chemiczni ???
9