BUDOWA ATOMU

Najmniejsze jednostki materii zostały w Starożytności nazwane przez Demokryta ATOMAMI. Wyraz atom pochodzi z języka greckiego i oznacza „niepodzielny”. Dopiero pod koniec XIX wieku naukowcy potwierdzili doświadczalnie hipotezę o podzielności atomu na mniejsze jednostki.

Modele atomu

• J. J. Thomson (1856 - 1940) - zaproponował model atomu, który miał być kulą naładowaną dodatnim ładunkiem elektrycznym, wewnątrz której rozmieszczone były nieruchome elektrony.

• E. Rutherford (1871 - 1937) - atom składa się z centralnej części, zawierającej ładunek dodatni - jądra, i powłok po których poruszają się elektrony o ładunku ujemnym.

• N. Bohr (1885 - 1962) - udoskonalił model Rutherforda.

Współczesny pogląd na strukturę atomu

Jak już wcześniej wspomniałam w 1911 roku nastąpiło odkrycie jądra atomowego oraz ogłoszenie przez Ernesta Rutherforda nowego modelu atomu.

Zgodnie z tym modelem prawie cała masa atomu oraz jego ładunek dodatni skupione są w jądrze otoczonym chmurą elektronów. Ponieważ atom jest neutralny, należało oczekiwać, że liczba elektronów otaczających jądro atomu jest równa dodatniemu ładunkowi jądra.

Zgodnie ze współczesną wiedzą, łatwo możemy zauważyć, że elektrony nie mogą być nieruchome. Zostałyby bowiem natychmiast przyciągnięte przez dodatnio naładowane jądro. Aby pozostać w stałej odległości od jądra muszą być w ciągłym ruchu.

Można zatem zaobserwować bez trudu podobieństwo otrzymanego modelu do układu planetarnego, w którym rolę Słońca odgrywa jądro, natomiast planety to elektrony wirujące wokół jądra.

Jest jednak w tym modelu jeden punkt, który powoduje, że przedstawiony model nie jest prawdziwy.

Otóż zgodnie z teorią Maxwella, krążący wokół dodatnio naładowanego jądra elektron powinien emitować na zewnątrz energię w postaci fal elektromagnetycznych i tym samym po pewnym - bardzo krótkim czasie opaść na jądro. Jego tor byłby spiralą mającą swój koniec w jądrze.

Błąd teorii „planetarnej” tkwił w tym, że chcąc wyjaśnić budowę atomu wykorzystano klasyczne teorie, które w mikroświecie przestają obowiązywać. Ale wtedy jeszcze o tym nie wiedziano.

Ten problem rozwiązał Niels Bohr (znakomity fizyk duński; otrzymał nagrodę Nobla w 1922 roku za teorię budowy atomu, która stała się punktem wyjścia do stworzenia współczesnej fizyki atomowej). On jako pierwszy, korzystając ze znanych klasycznych teorii, dołączył nowe, nieklasyczne hipotezy, które w tym czasie wywołały fale sprzeciwów, ale pozwoliły stworzyć spójny model atomu.

Bohr podczas formułowania swej teorii rozporządzał następującymi faktami doświadczalnymi:

• przybliżonymi rozmiarami atomu i jądra atomowego;

• systematyką poziomów energetycznych wodoru;

• teorią Plancka dotyczącą pojęcia fotonu;

• wiadomością o tym, że oddziaływanie pomiędzy jądrem atomu a elektronami jest oddziaływaniem kulombowskim.

I w tej teorii, podobnie jak we wcześniej omawianej teorii modelu „planetarnego”, wokół ciężkiego jądra, w dużej odległości od niego krążyły elektrony.

W tym momencie uczony stworzył jednak założenia zwane postulatami Bohra sprzeczne z dotychczasowymi prawami fizyki klasycznej. Brzmiały one następująco:

• ELEKTRON NIE MOŻE KRĄŻYĆ PO DOWOLNEJ ORBICIE.

Dla danego elektronu dozwolone są tylko takie orbity, dla których moment pędu liczony względem jądra jest całkowitą wielokrotnością stałej Plancka podzielonej przez 2π.

• KIEDY ELEKTRON ZNAJDUJE SIĘ NA JEDNEJ Z DOWOLNYCH ORBIT, NIE PROMIENIUJE ENERGII.

Założenie to było sprzeczne z teorią Maxwella. Elektron promieniuje energię podczas przeskoku z jednej dozwolonej orbity na inną.

W swych rozważaniach Bohr przyjmował orbity kołowe i takimi orbitami będziemy posługiwać się w naszych dalszych rozważaniach.

Model atomu wodoru według Bohra

Przypomnijmy na początku, że w przypadku wodoru jądrem atomu jest proton, którego ładunek jest równy +1e (Z = 1), a wokół niego po kołowych orbitach krąży elektron.

Energia E_n elektronu poruszającego się na n-tej orbicie składa się z jego energii kinetycznej i potencjalnej.

E_n = E_k + E_{p ,}

gdzie E_k - energia kinetyczna, E_p - energia potencjalna.

Energia potencjalna, związana z oddziaływaniem elektrostatycznym pomiędzy protonem a elektronem wynosi:

E_p = - Ze² / 4πε₀r_{n ,}

gdzie r_n - promień n-tej orbity.

Energia kinetyczna E_k traktowana nierelatywistycznie jest równa:

E_k = ½ m_ev_n² _,

gdzie v_n - prędkość elektronu na n-tej orbicie.

Prędkość elektronu na pierwszej orbicie jest rzędu 10⁶ m/s i z dobrym przybliżeniem spełnia relację:

ν_e ≤ c = 3 × 10⁸ m/s _,

umożliwiającą zaniedbanie relatywistycznej poprawki.

Jeżeli elektron znajduje się na pierwszej, najbliższej jądra orbicie n = 1, mówimy, że atom jest w stanie podstawowym. W stanie podstawowym atom może znajdować się nieskończenie długo. Dostarczanie z zewnątrz porcji energii (np. w trakcie podgrzewania, wyładowań elektrycznych) może spowodować przejście atomu ze stanu podstawowego w stan wzbudzony.

Budowa atomów wieloelektronowych

W atomach wieloelektronowych proste oddziaływanie proton - elektron, z którym mieliśmy do czynienia w przypadku atomu wodoru, ulega zakłóceniu. Elektrony znajdujące się na dalszych zewnętrznych powłokach oddziałują z jądrem przesłoniętym elektronowymi powłokami wewnętrznymi. Następuje tzw. ekranowanie.

Obsadzenie tego bardzo skomplikowanego systemu powłok oraz podpowłok przez elektrony precyzyjnie reguluje nie mający odpowiednika w fizyce klasycznej tzw. zakaz Pauliego:

Elektrony atomu wieloelektronowego obsadzające określoną powłokę muszą różnić się co najmniej liczbą kwantową.

Ujmując to inaczej, w atomie nie mogą istnieć dwa elektrony w tych samych stanach stacjonarnych.

Zakaz Pauliego pozwala wyjaśnić okresowość występującą we właściwościach fizycznych i chemicznych pierwiastków i powiązać ją z wewnętrzną budową atomów.

O właściwościach chemicznych danego pierwiastka decyduje liczba elektronów, jaką atomy tego pierwiastka mają na ostatniej powłoce. Elektrony te zwane niekiedy elektronami walencyjnymi, odpowiedzialne są również za emisję promieniowania leżącego w zakresie widzialnej części widma.

Im większa jest zatem odległość między elektronem i jądrem, tym słabiej jest on z jądrem związany. Jeżeli jednak w ten czy inny sposób wzbudzimy atom na wyższy poziom energetyczny, a tym samym spowodujemy przejście elektronów walencyjnych na dalsze powłoki, to wracając do stanu podstawowego będą one emitować kwanty o określonej energii. Fale energetyczne odpowiadające tym przejściom będą miały długości leżące w zakresie światła widzialnego lub nadfioletu.

Promieniowanie rentgenowskie i jego właściwości

Zajmiemy się tutaj przypadkiem wzbudzenia, w trakcie którego elektron zostaje wyrwany z jednej z wewnętrznych powłok atomu. Naturalnie proces ten, spowodowany przez bombardowanie atomu na przykład szybkimi elektronami, zrealizować można jedynie dla atomów wieloelektronowych.

Wyrwanie elektronów z jednej z wewnętrznych powłok powoduje przejście atomu w stan wzbudzony. W stanie takim atom nie może przebywać jednak długo. „Puste miejsce” zostaje natychmiast zapełnione elektronem pochodzącym z dalszych powłok, a to związane jest z emisją promieniowania elektromagnetycznego o stosunkowo dużej energii.

Promieniowanie to ma charakter dyskretny, tzn. emitowane jest w postaci fal elektromagnetycznych o ściśle określonych długościach i nosi nazwę charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.

W trakcie bombardowania elektronami atomów o dużej liczbie atomowej zachodzi jeszcze jeden ciekawy proces. Szybko poruszające się elektrony trafiają na atomy bombardowanego pierwiastka i w ich polach elektrycznych gwałtownie zmieniają kierunki lub zostają wyhamowane. W czasie tego procesu elektron traci część energii, która zostaje wyemitowana na zewnątrz, w postaci promieniowania elektromagnetycznego zwanego promieniowaniem hamowania.

Jeżeli przez E₁ i E₂ < E₁ , oznaczymy energię, jaką miał elektron przed i po zderzeniu z atomem, wtedy:

E₁ - E₂ = hν = hc/λ ,

gdzie ν - częstotliwość emitowanego promieniowania hamowania.

E₂ może zmieniać się w sposób ciągły i stąd ciągły charakter widma hamowania.

Mechanizm powstawania promieniowania hamowania warunkuje dolną granicę długości fal emitowanych w trakcie bombardowania elektronami o energii E₁ atomów o dużej liczbie Z. W trakcie zderzenia z atomem, elektron może stracić całą swoją energię, która zostaje zmieniona w kwant promieniowania hamowania odpowiadający krótkofalowej granicy widma. Ponieważ elektrony są przyspieszane zazwyczaj za pomocą pola elektrycznego, zatem dla wszystkich przyspieszanych elektronów

E₁ = Ue .

W przypadku, gdy elektron straci całą energię, jaką uzyskał w polu elektrycznym (E₂ = 0), zostaje wypromieniowany kwant o maksymalnej enrgii danej wzorem:

Ue = hν_max

lub

Ue = hc/λ_min .

Odkrywcą omawianego promieniowania elektromagnetycznego był Wilhelm C. Roentgen. Nazwał je początkowo promieniami X, później nazwano je na jego cześć, promieniami rentgenowskimi. W swych doświadczeniach wykazał, że w trakcie naświetlania szkła lub ciężkiego metalu promieniami katodowymi, będącymi strumieniem elektronów o dużej energii kinetycznej, z materiałów tych emitowane jest promieniowanie o nieznanych wtedy właściwościach.

Do wytwarzania promieni rentgenowskich służą lampy rentgenowskie, które dzielimy na dwa zasadnicze typy:

• lampy jonowe z zimną katodą;

• lampy Coolidge'a z żarzoną katodą.

Właściwości promieni rentgenowskich

• Są niewidzialne dla oka, lecz naświetlają kliszę fotograficzną, a także wywołują jonizację gazów;

• Rozchodzą się prostoliniowo, interferują wzajemnie i ulegają ugięciu, co świadczy o ich falowym charakterze;

• Nie odchylają się w polu elektrycznym i magnetycznym, co świadczy o tym, że nie są strumieniem naładowanych cząstek;

• Przenikają przez wiele materiałów nieprzezroczystych dla światła, zwłaszcza przez materiały o niewielkiej gęstości, jak drewno, aluminium, tkanka miękka;

• Są pochłaniane przez inne materiały o dużej gęstości, np. ołów, częściowo zaś przez inne metale, kości, itp.

Zastosowanie promieni rentgenowskich

• w diagnostyce medycznej

• w rentgenoterapii

• w rentgenografii

Podręcznik strony 171 - 181 oraz 132 (promienie X)

Program 22 i 23:

„Absorpcja i emisja promieniowania”

„Laser”

---