Temat: Budowa atomu

Atomistyczno czasteczkowa teoria budowy materii
Pojecie atomu pojawilo sie w IV w p.n.e.. Wprowadzil je grecki filozof Demokryt z Abdery. Pochodzi ono od greckiego slowa "atomas" (niepodzielny). W XIX w dokonano odkryc naukowych, które utworzyly pojecie niepodzielnego atomu i ujawnily istnienie wewnetrznych skladników atomu. Zatem termin"atom" ma znaczenie historyczne. W 1804 roku angielski uczony John Dalton opracowal hipoteze o atomistyczno- czasteczkowej teorii budowie materii. Nastepnie opracowanie to zostalo udowodnione naukowo. W wersji wpólczesnej obowiazuje do dzisiaj.
VII postulaów wspólczesnej teorii Daltona:
Kazdypierwiastek chemiczny jest zbiorem malych czasteczek zwanych atomami. Wszystkie atomy tego samego pierwiastka maja takie same wlasnosci chemiczne.
Atomy róznych pierwiastków róznia sie od siebie cechami fizycznymi i chemicznymi. Istnieje tyle rodzajów atomów ile mamy pierwiastków
Atom danego pierwiastka nie moze ulec pszeksztalceniu w atom innego pierwiastka na drodze zwyklej reakcji chemicznej.
Laczenie sie pierwiastków w zwiazki chemiczne polega na laczeniu sie atomów róznych pierwiastków w wieksze zespoly zwane czasteczkami.
Zwiazek chemiczny jest zbiorem czasteczek. Wszystkie czasteczki danego zwiazki chemicznego zawieraja te sama liczbe tych samychatomów i maja identyczne wlasnosci chemiczne.
Rozlozenie zwiazku chemicznego na pierwiastki polega na rozpadzie czasteczek na atomy
Atomy tego samego pierwiastka moga polaczyc sie w czasteczki np O2. ó(powrt)
Atomy i czasteczki pierwiastków
Zjawisko polegajace na wystepowaniu danego pierwiastka w kilku róznych postaciach (zwanych odmianami alotropowymi) nazywamy alotropia czyli wielopostaciowoscia pierwiastka chemicznego (np. O2 i O3)
Odmiany alotropowe tlenu : tlen ,ozon
Odmiany alotropowe wegla: diament, grafit, fullerenyó(powrt)
Masa atomowa, masa czasteczowa
Atomowa jednostka masy [u]- jest to masa odpowiadajaca 1/12 masy atomu wegla izotopu 12C.
1 u = 0,166 * 10-23 grama
1 g = 6,023 * 10 23 u
wynika z tego wzór: masa atomowa= masa bezwzgledna / 0,166 * 10-23
Masa bezwzgledna- masa wyrazona w gramach
Masa atomowa pierwiastka- jest to masa atomu tego pierwiastka wyrazona w "u" , czyli jest to liczba wskazujaca ile razy masa atomu tego pierwiastka jest wieksza od 1/12 masy izotopu wegla 12C.
Masa czasteczkowa pierwiastka- jest to masa czasteczki tego pierwiastka wyrazona w "u" , czyli jest to liczba wskazujaca ile razy masa czasteczki tego pierwiastka jest wieksza od 1/12 masy izotopu wegla 12C.
Masa czasteczkowa zwiazku chemicznego- jest to masa czasteczki tego zwiazku wyrazona w "u" , czyli jest to liczba wskazujaca ile razy masa czasteczki tego zwiazku chemicznego jest wieksza od 1/12 masy izotopu wegla 12C.ó(powrt)
Prawo zachowania masy
Masa substratów reakcji jest równa masie produktów reakcji
msubstratów= mproduktów ó(powrt)
Budowa atomu
W centralnej czesci atomu znajduje sie dodatnio naladowane jadro w którym znajduja sie protony i neutrony. Za zwarta strukture jadra atomowego odowiadaja sily jadrowe. Natura tych sil nie zostala do dzisiaj poznana. Do okola jadra w bardzo znacznej od niego odleglosci, bezustannie i z ogromna predkoscia kraza po eliptycznych torach elektrony. Miedzy jadrem a elektronami istnieje jakby wolna przestrzen. Te pozornie pusta przestrzen wypelnia chmura elektronowa i ich pole elektromagnetyczne. Elektrony kraza z predkoscia okolo 6 mld okrazen na mikrosekunde! W rezultacie w danej chwili elektron znajduje sie wszedzie dokola jadra i tworzy cos w rodzaju chmury elektrycznosci ujemnej. elektrony krazace w tej samej odleglosci od jadra tworza powloke elektronowa. powlok tych moze byc maksymalnie 7. Oznaczamy je w kolejnosci od jadra symbolami literowymui: K,L,M,N,O,P. Sposób rozmieszczenia elektronów na powlokach nazywamy konfiguracja eklektronowa. Przy rozpisywaniu tej konfiguracji pomocny jest wzór 2n2 okreslajacy maksymalna liczbe elektronów na danehj powloce (n- numer powloki w kolejnosci od jadra). Elektrony krazace po ostatniej powloce nazywaja sie elektronami walencyjnymi i okreslaja wartosciowosc pierwiastka.
protony (p)- sa to czastki elementarne posiadajace jednostkowy ladunek dodatni +1 oraz jednostkowa mase okolo 1,0073 u
neutrony (n) - czastki elementarne posiadajace jednostkowa mase okolo 1,0087 u i sa pozbawione ladunku elektrycznego.
elektrony(e) - czastki elementarne obdarzone jednostkowym ladunkiem ujemnym -1 i bardzo mala masa równa 1/1846 u (dokladnie 0,00055 u ) Sa wiec praktycznie pozbawione masy.ó(powrt)
Budowa atomu a polozenie w ukladzie okresowym
· Numer grupy w ukladzie wskazuje na to jaka wartosciowosc ma dany pierwiastek (liczba elektr. walencyjnych)
· Numer okresu w ukladzie (1-7) wskazuje nam liczbe powlok elektrnowych w atomie danego pierwiastka.
· Liczba atomowa wskazuje ile jest protonów w jadrze (jednoczesnie liczbe elektronów).
· Liczbe nutronów obliczami odejmujac od liczby masowej liczbe atomowa pierwiastka.

Masa cząsteczki wody równa jest w przybliżeniu 18 u. W jednym molu wody jest N = 6ˇ1023 cząsteczek wody. Jeden mol wody ma masę 18 g. Masa jednej cząsteczki wody równa jest 18g/(6ˇ1023)=3ˇ10-23g.

nazwa oznaczenie masa masa przyblizona ladunek elektryczny
symbol [u] [u] e
proton p 1,0073 1 +1
neutron n 1,0087 1 0
elektron e- 0,00055 znikoma -1


Jednostka masy atomowej u 1 u = 1/12 masy atomu wegla 12C
Jednostka ladunku elektrycznego ladunek elementarny (ladunek protonu)

Model budowy atomu Rutherforda (1911)
Elektrony kraza wokól jadra atomowego jak planety wokól Slonca Atom jest elektrycznie obojetny W atomie liczba protonów jest równa liczbie elektronów Jadro atomowe ma ladunek dodatni Elektrony maja ladunki ujemne Liczba neutronów w jadrze (oprócz wodoru) jest równa lub wieksza od liczby protonów. Miedzy protonami i neutronami dzialaja sily jadrowe. Dosrodkowa sila elektrostatyczna trzyma elektrony na uwiezi w atomie.

MODEL ATOMU BOHRA
W modelu atomu wedlug Bohra elektrony kraza po orbitach tzw. powloki. Elektrony moga przeskakiwac z powloki na powloke. Przy zmianie powloki nastepuje zmiana energii elektronu. Energia elektronu rosnie wraz z odlegloscia od jadra. Stan o wiekszej energii jest stanem nietrwalym - nazywamy go stanem wzbudzonym. Zmiana energii elektronu w atomie zachodzi w sposób kwantowy (skokowy). W sklad jadra atomowego wchodza protony i neutrony. Liczba atomowa Z równa jest liczbie protonów w jadrze. Liczba Z równa jest liczbie porzadkowej pierwiastka w ukladzie okresowym Liczba elektronów w atomie równa jest liczbie protonów w jadrze. Liczba masowa A atomu równa jest sumie ilosci protonów i ilosci neutronów w jadrze atomu. A = Z + N czyli N = A - Z, gdzie N oznacza liczbe neutronów w jadrze.

Izotopy to odmiany atomów tego samego pierwiastka, o takiej samej liczbie atomowej, a różnej liczbie masowej, czyli o tej samej liczbie protonów, różniące się liczbą neutronów w jądrze. Promieniotwórczość naturalna pochodzi od nietrwałych izotopów. Izotopów nie mają: Be, Al, F, Na, P, Mn.

Konfiguracja elektronowa
W zaleznosci od potrzeb konfiguracje elektronowa pierwiastka mozemy przedstawic za pomoca trzech sposobów:
1) podanie rozmieszczenia elektronów w powlokach/
2) podanie rozmieszczenia elektronów w powlokach i podpowlokach
3) podanie rozmieszczenia elektronów w powlokach, podpowlokach i poziomach orbitalnych.
Sposób 1
1) Kiedy okreslamy tylko rozlozenie elektronów w powlokach oznaczamy je umownie kiolejnymi wielkimi literami alfabetu zaczynajac od K (1 powloka- K jest najbardziej wewnetrzna).
Na przyklad atom tlenu ma 8 elektronów a wiec na pierwszej powloce (K) beda 2, a na drugiej 6 elektronów co zapisujemy:
K2L6 (maksymalna liczbe elktronów na powloce obliczamy ze wzoru 2n2 )
Sposób 2
2) Jezeli chcemy przedstawic rozmieszczenie elektronów w powlokach i podpowlokach musimy okreslic liczby kwantowe , a nastepnie ze wzoru 4l+2 (patrz "Liczby kwantowe" 3 akapit) obliczyc maksymalna liczbe elektronów na danych podpowlokach, rozpisujac je az do "wykorzystania" wszystkich elektronów.
sposób zapisu konfiguracji
Pamietajmy ze liczbe powlok okresla glówna liczba kwantowa, liczbe podpowlok , a poboczna liczba kwantowa liczbe podpowlok w danej powloce (wszystkie nie musza byc wypelnione).
Uwaga!
Podpowloki wypelniaja sie w kolejnoscji rosnacej energii tych podpowlok, co przedstawia tabela:
Sposób 3
W zasadzie jest to rozwiniecie sposobu drugiego, o przedstawienie rozmieszczenia elektronów w poszczególnych orbitalach.
Jak wiemy, w orbitalu moga byc tylko dwa elektrony, o przeciwnej liczbie spin (1/2 lub -1/2). Liczbe orbitali w podpowlokach przedstawia tabelka w dziale orbitale (na dole strony).
Poniewaz znamy liczbe elektronów w podpowlokach, uzupelniamy orbitale elektronami, zgodnie z regula Hunda: mówiaca o tym, ze w jednej podpowloce musi znajdowac sie jak najwiecej niesparowanych elektronów.

Czastki elemnetarne

Atom jest najmniejsza jednostka budowy pierwiastka chemicznego. Sklada sie z jadra i elektronów znajdujacych sie w przestrzeni otaczajacej jadro. Czastkami elementarnymi wchodzacymi w sklad jadra sa neutrony i protony ( tzw. neukleony ). Neutrony sa elektrycznie obojetne, protony posiadaja elementarny ladunek dodatni. Ich masy sa w przyblizeniu takie same. Laczna liczba protonów i neutronów okresla liczbe masowa jadra. Liczba protonów w jadrze , zwane liczba atomowa okresla liczbe porzadkowa pierwiastka. Liczbe neutronów oblicza sie odejmujac od liczby masowej liczbe atomowa. U pierwiastków lzejszych liczba neutronów jest równa liczbie protonów , u pierwiastków ciezszych liczba neutronów przewyzsza liczbe protonów.
ódo gry
Pierwiastek

Jest to zbiór atomów o tej samej liczbie protonów, tym samym ladunku jadra.
ódo gry
Izotopy

Sa to atomy tego samego pierwistka rózniace sie liczba neutronów. Pierwistek o nieparzystej liczbie atomowej maja najwyzej dwa izotopy (wyjatek stanowi wodór i potas). Pierwiastki o parzystej liczbie atomowej maja wiecej niz dwa izotopy (najwieksza ilosc izotopów posiada cyna-10). Istnieja takze pierwiastki w postaci jednego nuklidu np. beryl, sód, fluor, glin. Izotopy nie posiadaja odrebnych symboli, wyjatek stanowi wodór. Izotopy posiadaja te same wlasciwosci chemiczne róznia sie wlasciwosciami fizycznymi. Pojecie izotopu odnosi sie do odmian pierwiastka, rózniacych sie liczba masowa, a atomy poszczególnych izotopów nosza nazwe nuklidów. Uwzgledniajac procentowa zawartosc w przyrodzie poszczególnych izotopów w danym pierwiastku mozna obliczyc jego srednia mase atomowa tzw. srednia wazona mas atomowych odpowiednich izotopów.
ódo gry
Izobary

Sa to atomy róznych pierwistków posiadajacych takie same liczby masowe
ódo gry
Izotony

Sa to atomy róznych pierwiastków o tej samej liczbie neutronów.
ódo gry
Sily jadrowe, defekt masy a energia wiazania

W jadrze atomowym istnieja sily jadrowe miedzy nukleonami, które dzialaja na male odleglosc (promien jadra atomowego wynosi 10-13 cm) i nie sa zalezne od ladunku. Przy zderzeniach neutronów z protonami moze dojsc do wymiany ladunku , czyli zamiany protonu w neutron i odwrotnie. Energie oddzialywan pomiedzy nukleonami mozna wyliczyc np. Masa atomowa helu powinna byc równa sumie mas dwóch protonów i dwóch neutronów tj. 4,0319 u. Jednak najdokladniejsze eksperymentalne oznaczenia masy atomowej helu daja wartosc 4,0015 u. Róznica 0,03039 u nosi nazwe defektu (niedoboru) masy. Stosujšc równanie Einsteina E=mc2 mozna okreslic ilosc energii, jaka zostanie wyzwolona przy zmniejszaniu sie masy ukladu o 0,03039 u. Energie te nazwano energia wiazania jadra. Jej wielkosc pozwala okreslic ilosc energii, jaka zostanie wyzwolona przy powstawaniu jadra lub ilosc energii, jaka trzeba dostarczyc w celu rozbicia jadra. Im wiekszy jest defekt masy, im wieksza jest energia wiazania tym bardziej stabilnie jest powstale jadro atomowe. Stabilne jadra maja w przyblizeniu taka sama liczbe neutronów i protonów. Bardzo stabilne sa jadra z parzystymi liczbami protonów i neutronów. Stabline sa tez takie jadra, w których stosunek neutronów do protonów wynosi 3 : 2. W innych przypadkach dochodzi do samorzutnej przemiany w inny atom przez wysylanie promieniowania.
ódo gry
Promieniotwórczosc

Promieniowanie (przemiana) ß-
Do przemiany tej dochodzi, kiedy jadra atomowe posiadaja nadwyzke neutronów nad protonami. Nastepuje przemiana neutronu w proton i wypromieniowany zostaje elektron.
Emisja elektronu z jadra, z przemiana neutronu w proton powoduje zmiane liczby atomowej (Z), podwyzszajac ja o 1 przy zachowaniu tej samej liczby masowej (A).

Promieniowanie ß+
Te przemiane stwierdzono tylko w przemianach sztucznych izotopów promieniotwórczych. Jezeli istnieje w jadrze atomowym nadwyzka protonów nad neutronami wówczas zostaje wypromieniowany pozyton.
Powstajacy pierwiastek posiada obnizona o 1 liczbe atomowa (Z) i nie zmieniona liczba masowa (A).

Czynnikiem decydujacym o trwalosci jadra jest jego masa. U wiekszosci jader, których liczba masowa jest wieksza lub równa 210 dochodzi do promieniowania alfa.
W przemianie tej oddziela sie od jadra czastka . Emisje czasteczki alfa prowadzi do zmiejszenia liczby atomowej (Z) o 2 jednostki, a liczby masowej (A) o 4 jednostki.

Kiedy przy przemianie pierwiastka promieniotwórczego powstaje ponownie pierwiastek promieniotwórczy, to ma miejsce kolejna przemiana.
Wiekszosc pierwiastków promieniotwórczych w przyrodzie zaliczyc mozna do trzech szeregów promieniotwórczych:
1. szereg uranowo-radowy, wywodzacy sie od izotopu uranu 23892U
2. szereg torowy, wywodzacy sie od izotopu toru 23290Th
3. szereg uranowo-aktynowy, wywodzacy sie od izotopu uranu 23592U
Kazdy z tych szeregów zakonczony jest jednym ze stabilnych izotopów olowiu. Dla kazdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw. okres póltrwania (t0,5), okres czasu po którym ulegnie rozpadowi polowa jadra danego izotopu.

ódo gry
Elektrony w atomie

Jadro atomowe otaczaja elektrony, poruszajace sie w przestrzeni kulistej o promieniu ok. 10-9 cm. Liczba elektronów jest równa ladunkowi jadra (liczbie atomowej), ale tylko w atomie obojetnym.
Elektron posiada wlasciwosci korpuskularne (jest czastka materii o okreslonej masie) i falowe (moze zachowywac sie, jakby byl fala). Struktura elektronowa atomów i czasteczek zajmuje sie teoria kwantowa, która opiera sie na zasadzie nieoznaczonosci Heisenberga: nie mozna równoczesnie okreslic dokladnie polozenia i pedu elektronu. Teoria ta pozwala na okreslenie prawdopodobienstwa znalezienia elektronu w danym obszarze.
Elektron nie krazy po torach wokól jadra, mozna go znalesc w przestrzeni otaczajacej jadro. Najmniejszy obszar przestrzeni charakteryzujacy sie duzym prawdopodobienstwem znalezienia elektronu nosi nazwe orbitalu atomowego.
Dla oznaczenia funkcji falowej (orbitalu), która odpowiada okreslonemu stanowi energetycznemu elektronu w atomie podaje sie cztery liczby kwantowe:

Glówna liczba kwantowa (n) przyjmuje wartosci kolejnych liczb naturalnych 1, 2, 3... (wg Bohra K, L, M...). Od niej zalezy energia danego elektronu. W miare oddalnia sie elektronu od jadra jego energia rosnie. W odleglosci nieskonczenie wielkiej równa jest zeru.
E = - 1/n2 * E1
gdzie:
n - glówna liczba kwantowa
E1 - bezwzgledna wartosc elektronu wodoru w stanie podstawowym (13,6 eV)

Oprócz stanu podstawowego, o najnizszej energii elektron moze wystepowac w stanie wzburzonym, do którego przychodzi poprzez doprowadzenie energii z zewnatrz.
Glówna liczba kwantowa decyduje o rozmiarach orbitalu - im wieksza wartosc n, tym wiekszy jest orbital.
Zbiór wszystkich stanów kwantowych (elektronów) o tej samej wartosci glównej liczby kwantowej tworza te sama powloke elektronowa atomu. Maksymalna ilosc elektronów w powloce wynosi 2 n2.

Poboczna liczba kwantowa (l) przyjmuje wartosci liczb calkowitych od 0 do n-1 wlacznie.
Precyzuje dokladnie stan energetyczny danej powloki. Od niej zalezy moment pedu elektronu i ksztalt orbitalu.
Jezeli n=4 to
1=0 s
1=1 p
1=2 d
1=3 f

Wszystkie orbitale s sa kulisto-symetryczne. (rysunek ponizej)

Trzy orbitale p maja ksztalt hantli (ósemek). Ksztalty przestrzenne pieciu orbitali d i siedmiu orbitali f sa skomplikowane.
Zbiór stanów kwantowych o tych samych wartosciach n i l stanowi te sama podpowloke elektronowa. Liczba stanów kwantowych wyraza sie wzorem 4l + 2.

l 0 1 2 3 4 5...
symbol podpowloki s p d f g h...
liczba stanów kwantowych 2 6 10 14 18 22...

Magnetyczna liczba kwantowa (m) przyjmuje wartosci liczb calkowitych, takich ze:

Okresla rzut moment pedu na wyrózniony kierunek, decyduje o wzajemnym ulozeniu orbitali w przestrzeni. Wartosc tej liczby mówi równoczesnie o liczbie orbitali w danej podpowloce.
Jezeli :
1=0 to m=0 i dlatego istnieje jeden orbital kulisty S
1=0 to m przyjmuje wartosc - 1,0, +1 i dlatego istnieja trzy orbitale p. Ich nazwy sa okreslane wedlug osi, na której znajduje sie przestrzen najwiekszego prawdopodobienstwa wystepowania elektronów.

1=2 to m przyjmuje wartosc -2,-1,0, +1,+2 i dlatego podpowloka d sklada sie z pieciu orbitali
1=3 to m przyjmuje wartosc -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 i dlatego podpowloka f posiada siedem orbitali
Zbiór stanów kwantowych o tych samych wartosciach n,1,m znajduja sie na tym samym poziomie orbitalnym. Kazda podpowloka zawiera 2l +1 poziomów orbitalnych.

Magnetyczna spinowa liczba kwantowa (ms) charakteryzuje rzut spinu na wyrózniony kierunek w przestrzeni. Moza przyjmowac tylko dwie wartosci: +1/2 lub -1/2 i dlatego okresla liczbe stanów kwantowych w poziomie orbitalnym.
Przy opisie stanu kwantowego elektronu pomija sie piata liczbe kwantowa, zwana spinowa liczba kwantowa (s), gdyz wszystkie elektrony maja identyczna wartosc spinowej liczby kwantowej (s=1/2)
Powyzsze rozwazania dotyczyly stanu podstawowego i wzbudzonego w atomie wodoru. W atomach wieloelektronowych nalezy rozpatrywac nie tylko sily elektrostatycznego przyciagania elektronu przez jadro, jak ma to miejsce w przypadku elektronu atomu wodoru, ale takze elektrostatyczne sily odpychania przez inne elektrony. W tym przypadku stosuje sie tzw. przyblizenie jednoelektronowe, polegajace na tym, ze rozpatruje sie oddzielnie kazdy elektron. Elektrony otaczaja jadro kulista chmura ladunku ujemnego, zminiejszajac tym samym sile przyciagania jadro - wybrany elektron.
ódo gry
Zasady zapelniania orbitali

1. zasada rozbudowy
Orbitale o nizszej energii zapelniaja sie elektronami wczesniej niz orbitale o wyzszej energii. W przyblizeniu w nastepujacej kolejnosci:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d 4f 6p itp.

2. Zakaz Pauliego
Atom nie moze miec dwóch elektronów o takich samych wartosciach wszystkich czterech liczb kwadratowych. Musi sie róznic przynajmniej jedna liczba kwadratowa (najczesciej ms)

3. Regula Hunda
a) liczba niesparowanych eletronów, w danej podpowloce powinna byc mozliwie najwieksza
b) niesparowane elektrony maja jednakowy spin

c) pary elektronów tworza sie po zapelnieniu wszystkich poziomów orbitalnych danej podpowloki przez elektrony niesparowane.

Orbitale atomowe
Wspólczesna teoria (Bohra) przyjmuje, iz kazdy elektron znajduje sie w jednym z mozliwych stanów kwantowych. W stanie podstawowym elektron nie pochlania, ani nie emituje enrgii, natomiast zmiana stanu kwantowego powoduje jej zmiany.
W 1924 roku Louis Victor de Broglie wysunal hipoteze o podwójnym charakterze elektronu: moze on w pewnych warunkach zachowywac sie jak fala elektomagnetyczna.
Dany elektron w danym czasie znajduje sie praktycznie wszedzie wokól jadra i tworzy chmure elektronowa o kulistym ksztalcie. Tam gdzie prawdopodobienstwo napotkania elektronu jest duze jest ona gesta, a tam gdzie male, w miare zwiekszenia odleglosci od jadra "rozrzedza sie".
Model chmury eklektronowej w ukladzie wspólrzednych przedstawiajacy prawdopodobienstwo napotkania elektronu wraz ze wzrostem odleglosci od jadra Chmura ta nie ma wyraznie zaznaczonej granicy i teoretycznie rozciaga sie do nieskonczonosci. W chemii kwantowej stan elektronu okresla sie za pomoca funkcji falowej "psi" zwanej orbitalem atomowym. Elektron w stanie podstawowym, w którym ma on najnzsza energie przedstawia model orbitalu w ksztalcie kuli. Oznaczamy go symbolem s. Orbital p ma wyzszy poziom energetyczny od orbitalu s, poniewaz elektron znajduje sie tu w stanie wzbudzonym. Kazdy elektron w atomie pierwiastka zajmuje inny stan kwantowy!
Wyzszym stanom energii odpowiadaja orbitale o bardziej skomplikowanch ksztaltach.ó(powrt)
Liczby kwantowe
Kazdy stan kwantowy elektronu mozna opisac za pomoca tzw. liczb kwantowych.
Energie elektronu okresla GLÓWNA LICZBA KWANTOWA oznaczana symbolem n.
Przyjmuje ona wartosci n= 1,2,3,4,5.... teoretycznie az do nieskonczonosci.
Wszystkie stany kwantowe o tej samej liczbie n tworza zbiór, który nazywany powloka elektronowa. Oznaczamy je kolejnymi literami poczawszy od K,L,M,N,O,P i Q.ó(powrt)
liczba n = numer powloki = liczba wartosci l = liczba podpowlok elektronowych.

Liczbe stanów kwantowych, wiec i maksymalna liczbe elektronów na danej powloce obliczamy ze wzoru 2n2 .
Rozróznieniu stanów kwantowych na jedenj powloce sluzy orbitalna (poboczna) liczba kwanrowa l .
Przybiera ona wartosci: 0=< l =< (n-1), stad
dla n=1 l=0 lub l=1
dla n=2 l=0 lub l=1 lub l=2
dla n=3 l=0 lub l=1 lub l=2 lub l=3 itd. ó(powrt)

Wszystkie stany kwantowe o tych samych liczbach n i l tworza podpowloke elektronowa.
Maksymalna liczbe stanów kwantowych na podpowloce obliczamy ze wzoru 4l+2.
czyli dla n=4
l=0 to 4l+2=2 (na pierwszej powloce i pierwszej podpowloce (s) moga byc dwa elektrony)
l=1 to 4l+2=6 (na pierwszej powloce i drugiej podpowloce (p) moze byc 6 elektronów)
l=2 to 4l+2=10 (na pierwszej powloce i trzeciej podpowloce (d) moze byc 10 elektronów)
l=3 to 4l+2=14 (na pierwszej powloce i czwartej podpowloce (f) moze byc 14 elektronów) itd. ó(powrt)

Liczba orbitali w powlokach i podpowlokach Liczba orbitali w podpowlokach
Numer podpowloki Symbol podpowloki Symbole podpowlok s p d f
1 K s 1 x x x
2 L s,p 1 3 x x
3 M s,p,d 1 3 5 x
4 N s,p,d,f 1 3 5 7

Temat: Cząsteczki elementarne

Są to cząstki, których budowa wewnętrzna nie jest znana i których przy aktualnym stanie wiedzy i techniki nie można dzielić ich na części składowe. Stanowią one podstawowe elementy budowy materii, a ich wzajemne oddziaływania warunkują własności materii i przebieg procesów w otaczającym nas świecie. Cząstki elementarne charakteryzowane są przez następujące wielkości: masę spoczynkową, ładunek elektryczny, spin (czyli moment pędu), moment magnetyczny oraz średni czas życia. Masę spoczynkową cząstek elementarnych określa się jako wielokrotność masy elektronu lub w jednostkach energii- elektronowoltach (eV); ładunek elektryczny cząsteczki elementarnej może wynosić 0, +1, -1, +2, -2 ładunku elementarnego (ładunek elektronu wynosi -1); średni czas życia podawany jest w sekundach. Podstawowym kryterium podziału cząstek elementarnych jest ich masa spoczynkowa. Wg tego kryterium, poza fotonem, rozróżnia się cząstki elementarne lekkie - leptony, o średniej masie - mezony i ciężkie - bariony. Mezony i bariony biorą udział w oddziaływaniach silnych - są to tzw. hadrony. Wszystkim cząstkom elementarnym odpowiadają antycząstki. Zjawisko zderzenia cząstki z antycząstką nazwano ANIHILACJĄ , co oznacza kres ich istnienia. Np. w wyniku zderzenia pozyton i elektron zamieniają się na dwa fotony. Wiedza o cząsteczkach elementarnych pochodzi głównie z doświadczeń prowadzonych w cyklotronach oraz z badań promieniowania kosmicznego. O istnieniu nie znanych jeszcze cząstek uczeni czasami wnioskują na podstawie rozważań teoretycznych. Historia odkryć cząsteczek elementarnych liczy ok. 100 lat:-1896r- J.J.Thomson odkrył elektron ujemny -negaton, -1905r-A. Einstein wprowadził pojęcie fotonu i cząstki te łącznie z protonem były jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi do 1932.-1932r- J. Chadwick odkrył neutron, a C.D. Anderson i P. Blackett elektron dodatni -pozyton. W. Pauli przewidział istnienie neutrina-1956r -Reines i C. Cowan doświadczalnie potwierdzili istnienie neutrina -1935r- H. Yukawa przewidział istnienie mezonu -1937r- C.D. Anderson i S.H. Neddermeyer wykryli mezon. Kolejne lata przynosiły, odkrycia nowych cząsteczek elementarnych., obecnie jest ich już kilkaset. Z definicji cząsteczki wynika jednak, że uznanie określonej cząstki za elementarną uzależnione jest od stanu wiedzy i techniki doświadczalnej, a właściwie ich niedoskonałości. Można sądzić, że wiele z cząstek traktowanych dzisiaj jako elementarne, a może nawet wszystkie, nie zasługuje na to miano. Obecnie sądzi się powszechnie, że prawdziwie elementarnymi cząstkami są kwarki.RODZAJE CZĄSTECZEK ELEMENTARNYCH :
ANION
Jon ujemny; atom lub grupa atomów wykazująca ujemny ładunek elektryczny. Aniony mają nadmierną liczbę elektronów; tworzą się np. podczas dysocjacji elektrolitycznej.

ANTYCZĄSTKA
Odpowiednik cząstki elementarnej (np. protonu, neutronu, elektronu) o takiej samej masie, spinie, czasie życia, lecz przeciwnym ładunku i zwrocie momentu magnetycznego. Zderzenie antycząstek z odpowiadającą jej cząstką powoduje anihilację.
BARIONY
Cząstki o spinie połówkowym. Do barionów zalicza się hiperony i nukleony oraz ich stany rezonansowe. Bariony biorą udział w oddziaływaniach silnych, a także elektromagnetycznych i słabych
BOZONY- CZĄSTKI BOSEGO
Cząstki o spinie całkowitym. Są nimi fotony, mezony, układy złożone z bozonów, a także układy złożone z parzystej liczby fermionów. Liczba bozonów w dowolnym stanie kwantowym nie jest ograniczona, a układ taki opisywany jest funkcją falową.
DEUTERON
Jądro atomu deuteru -wodoru ciężkiego. Składa się z protonu i neutronu. Liczba atomowa 1, liczba masowa 2. Oznaczany symbolem chemicznym D+ lub symbolem d, stosowany jest do wywoływania reakcji jądrowych.

ELEKTRON
Trwała cząstka elementarna o masie spoczynkowej 9,1 · 10-31kg, ujemnym ładunku elektrycznym 1,6 · 10-19C i spinie , odkryta w 1897r przez J.J. Thomsona. Obok protonów i neutronów elektrony są podstawowymi składnikami materii, tworzącymi w atomach powłoki elektronowe, których struktura decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych materii. Elektron posiada swoją antycząstkę - pozyton, o dodatnim ładunku elektrycznym równym ładunkowi negatonu. Elektrony występują też jako cząstki swobodne, wyrwane z atomów w wyniku dostarczenia im odpowiedniej energii większej od pracy wyjścia (pracy, jaką trzeba wykonać, by przemóc siły wiążące elektron z atomem , np. w zjawisku fotoelektrycznym lub w wyniku termoemisji). Elektrony swobodne powstają też w przemianach promieniotwórczych lub rozpadach innych cząstek elementarnych. Wiązki elektronów, mające też właściwości falowe zgodnie z hipotezą de Broglie'a, znalazły ważne zastosowanie w mikroskopach elektronowych.
FERMIONY
Cząstki podlegające statystyce kwantowej Fermiego-Diraca -stąd nazwa. Charakteryzują się spinami połówkowymi. Do fermionów należą m.in. elektrony, nukleony, neutrina

FONON
Nibycząstka. Kwant energii drgań harmonicznych sieci krystalicznej lub powierzchni jądra atomu; teoria fonów wyjaśnia m.in. nadprzewodnictwo niskotemperaturowe
FOTON
Kwant energii pola elektromagnetycznego, cząstka elementarna o masie spoczynkowej m 0 = 0, l ,liczbie spinowej s = 1, nie posiadająca ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, poruszająca się z prędkością światła w próżni. Foton jest kwantem ( czyli porcją) promieniowania elektromagnetycznego; jego energia (E), pęd (p) i masa (m) zależą od częstotliwości (ν) promieniowania i są równe: E = hν, p = hν /c, m = h ν /c2, gdzie: h = 6,62*10-34 Js (stała Plancka). Fotony powstają w wyniku przejścia atomu lub jądra atomowego z wyższego na niższy poziom energetyczny. I odwrotnie - gdy atom lub jądro pochłania foton, to przechodzi z niższego na wyższy poziom energetyczny. Ponieważ różnica energii pomiędzy poziomami energetycznymi jest ściśle określona, wielkość fotonów emitowanych lub absorbowanych przez dany atom lub jądro nie może być dowolna, lecz jest równa tej różnicy. Wynikiem absorpcji fotonu może być zjawisko fotoelektryczne lub fotoreakcja jądrowa. Hipotezę istnienia fotonu wysunął w 1905r A. Einstein na podstawie koncepcji kwantów M. Plancka.
GLUON
Cząstka elementarna, bozon pośredniczący w oddziaływaniach silnych kwarków. W oddziaływaniach silnych gluony, odmiennie niż fotony w elektromagnetyzmie, oddziałują ze sobą. Gluony istnieją w ośmiu stanach ładunkowych (tzw. kolorach). Dotychczas nie zaobserwowano swobodnego gluona (być może jest to w ogóle niemożliwe), jednak istnieją silne przesłanki doświadczalne ich istnienia. Nazwa pochodzi od angielskiego słowa “glue” (klej)
GRAWITON
Przewidywany teoretycznie, lecz dotąd nie zaobserwowany kwant pola grawitacyjnego. Według kwantowej teorii pola grawiton powinien mieć masę spoczynkową równą zero i spin równy 2.
HADRONY
Rodzaj najprostszych cząstek elementarnych biorących udział we wszystkich rodzajach oddziaływań (zwłaszcza oddziaływań silnych). Dzielą się na bariony (fermiony o spinie połówkowym) i mezony (bozony o spinie całkowitym). Większość hadronów jest nietrwała. Składają się z kwarków, np. bariony są zbudowane z 3 kwarków, mezony zaś z pary kwark-antykwark. Mają rozmiar rzędu 10-15 metra.
HIPERONY
Cząstki elementarne z grupy barionów, cięższe od nukleonów, lecz lżejsze od deuteronów. Hiperony powstają w zderzeniach mezonów i nukleonów z nukleonami lub jądrami atomowymi . Są cząstkami nietrwałymi, o średnim czasie życia rzędu 10-10 sekundy, rozpadają się zazwyczaj w procesach oddziaływań słabych, niekiedy w procesach oddziaływań silnych lub elektromagnetycznych. Pierwszy hiperon został odkryty w 1947 r przez G.D. Rochestera i C.C. Butlera.
JON
Atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym; powstają w wyniku jonizacji, przyłączania elektronów do obojętnych atomów lub cząsteczek i dysocjacji elektrolitycznej. W zależności od liczby posiadanych ładunków elementarnych (przyłączonych lub utraconych elektronów) mogą być jedno-, dwu-, trój- itd. dodatnie (kationy) lub ujemne (aniony). Charakteryzuje je również określony promień jonowy i budowa powłoki elektronowej. Jak elektrony są nośnikami prądu elektrycznego (mogą się przemieszczać w polu elektrycznym). W gazach szybko zobojętniają się ( ulegają rekombinacji), w roztworach elektrolitów są trwałe dzięki wzajemnemu oddziaływaniu z rozpuszczalnikiem, występują też w węzłach sieci krystalicznej tzw. kryształów jonowych. Jony swobodne łatwo reagują ze sobą i innymi substancjami chemicznymi. W organizmach żywych występują we wszystkich tkankach i cieczach organicznych (wpływając np. na biochemiczne właściwości białek). Nazwę jonów wprowadził w 1824r M. Faraday
KATION
Jon dodatni, atom lub cząsteczka z niedomiarem elektronów. Przykłady: kation (prosty) sodu Na+, kation potasu K+, kation wapnia Ca2+, kation (złożony) amonu NH4+, kation (kompleksowy) heksaaminaniklu(II) [Ni(NH3)6]2+. W procesie elektrolizy kationy wędrują do katody (elektroda).
KWARKI
Podstawowe, uznawane za najbardziej elementarne, cząstki materii, z których zgodnie ze współcześnie przyjętymi modelami zbudowane są hadrony. W przyrodzie istnieje 6 kwarków i 6 odpowiadających im antykwarków. Ich odmiany (tzw. zapachy) oznaczone są pierwszymi literami angielskich nazw: u (up - górny), d (down - dolny), s (strange - dziwny), c (charm - powabny), b (beauty - piękny, nazywany także bottom - denny) oraz t (true - prawdziwy lub inaczej top - szczytowy). Wszystkie kwarki mają spin ½ liczbę barionową 1/3 oraz jedną z dwóch wartości ładunku elektrycznego; kwarki u, c, t ładunek 2/3 e, natomiast kwarki d, s, b ładunek 1/3 e ( e - ładunek elementarny). Kwarki podobnie jak gluony wiążące kwarki w hadron nie mogą występować jako samoistne obiekty. Tworzą one inne cząstki (np. protony, neutrony), a jako składniki doskonałe nie mogą być z nich wydzielone. Wg modelu kwarkowego kwarki i antykwarki (różniące się od kwarków w oznaczeniach kreską nad symbolem) o ładunkach ułamkowych tworzą cząstki o ładunkach całkowitych, np.: proton o ładunku + 1e tworzony jest przez 2 kwarki u i 1 kwarek d, neutron - 2 kwarki d i 1 kwarek u, mezon+ - po jednym kwarku u i d. Hipoteza zakładająca istnienie kwarków jako podstawowych składników hadronów została sformułowana w 1964 r, niezależnie, przez M. Gell-Manna i G. Zweiga. Nazwa kwarków wprowadzona przez M. Gell-Manna . Poszukiwania dowodów istnienia kwarków trwały wiele lat. Pierwsze kwarki zaobserwowano w 1968 r w Laboratorium Stanforda w USA, a istnienie ostatniego z sześciu kwarków - (t) - potwierdziły wyniki badań przeprowadzonych w 1994 r. Odkrycie to uznano za potwierdzenie słuszności modelu standardowego, najbardziej zaawansowanego modelu świata materialnego..
LEPTONY
Cząstki elementarne nie biorące udziału w oddziaływaniach silnych, np. neutrina, elektrony, miony. Wszystkie leptony są fermionami, mają spin połówkowy i liczbę barionową równą 0.
MEZONY
Silnie oddziałujące cząstki elementarne o spinie całkowitym i zerowej liczbie barionowej. Do najlepiej poznanych należą piony (mezony pi) i kaony (mezony K). Nazwa pochodzi od greckiego mésos - pośredni, bowiem mezony mają masę pośrednią między masą elektronu i masą protonu.
MIONY , μ
Cząstki elementarne o ładunku elektrycznym równym ładunkowi elektronu i masie 105,7 MeV. Są nietrwałe (średni czas życia wynosi 2,197 *10-6 s). Mają własności podobne do elektronów. Odkryte 1937 przez C.D. Andersona i S.H. Neddermeyera.
NEGATON
Nazwa wprowadzona 1948 dla ujemnego elektronu, w odróżnieniu od elektronu dodatniego -pozytonu, wraz z którym tworzy pierwszą poznaną parę „cząstka - antycząstka”
NEUTRINO , ν
Trwała cząstka elementarna z grupy leptonów o ładunku elektrycznym równym zeru i spinie połówkowym oraz bardzo małej masie spoczynkowej. Neutrina są produktem promieniotwórczego rozpadu β, wychwytu elektronu i rozpadu mionów oraz mezonów π i K (istnieją neutrina elektronowe , neutrina mionowe, neutrina taonowe ). Każdy cm2 powierzchni Ziemi wypromieniowuje co sekundę ok. 1 mln neutrinów. Neutrino zostało w 1931r przewidziane teoretycznie przez W. Pauliego, a zaobserwowane w 1956 r przez F. Reinesa i C.L. Cowana.
NEUTRON
Cząstka elementarna z grupy barionów. Ładunek elektryczny 0, masa 1,67 · 10-27kg, spin połówkowy. Neutron wraz z protonami (jako nukleony) wchodzą w skład jąder atomowych. Swobodny neutron ulega rozpadowi β na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Średni czas życia 0,93 · 103 s. Dzięki zerowemu ładunkowi elektrycznemu neutron wykorzystuje się w badaniach jąder atomowych (brak kulombowskiej bariery potencjału pozwala neutronowi łatwo przenikać do jądra atomowego). Neutron został odkryty w 1932 r przez J. Chadwicka.
NUKLEON
Cząstka elementarna, podstawowy składnik materii jądrowej, istniejąca w dwóch stanach ładunkowych: nukleon naładowany dodatnio - proton, nukleon elektrycznie obojętny - neutron. Masa obu nukleonów w przybliżeniu wynosi 939 MeV/c2. Zgodnie z teorią Diraca nukleony mają antycząstki (tzw. antynukleony), których istnienie zastało potwierdzone doświadczalnie. Nukleony biorą udział w oddziaływaniach silnych, elektromagnetycznych i słabych. Liczba nukleonów w jądrze jest zwana liczbą masową, ale w atomach danego pierwiastka może być zmienna -izotopy.
PARTONY
Wspólna nazwa dla cząstek będących składnikami barionów i mezonów. Hipoteza partonów sformułowana została po odkryciu złożoności protonu przez R. Hofstadter. Wykorzystywana jest w obliczeniach. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy partonami są gluony, kwarki i antykwarki.
POZYTON
Cząstka elementarna (antycząstka negatonu) o takiej samej masie jak masa elektronu, lecz o elementarnym ładunku dodatnim. Swobodny pozyton jest cząstką trwałą. Jego zderzenie z negatonem prowadzi do anihilacji. Odkryty w 1932 r przez C.D. Andersona.
PROTON
Trwała cząstka elementarna o masie spoczynkowej 1,67* 10-27 kg, elementarnym ładunku dodatnim 1,60* 10-19 C i spinie ½. Składnik każdego jądra atomowego. Liczba protonów w jądrze atomowym stanowi niepowtarzalną cechę charakterystyczną danego pierwiastka zwaną liczbą atomową (Z). Odkryty w 1919 r przez E. Rutherforda. W 1955 r odkryto antycząstkę protonu - antyproton.
TACHIONY
Hipotetyczne cząstki o prędkościach większych od prędkości światła w próżni. Ruch tachionu byłby równoważny poruszaniu się wstecz w czasie.

---