Stavba atomu, složení atomového jádra a struktura elektronového obalu

Atomová teorie
Atom je nejmenší částice prvku, která si ještě zachovává všechny jeho chemické vlastnosti. Řečtí filosofové (atomisté Demokritos a Leukippos) předpověděli jeho existenci, domnívali se však, že se jedná o nejmenší částici hmoty, která již nelze dále dělit. Dnes však již víme, že atom není nedělitelný.
Vědeckou formu atomové teorii poskytl na začátku 19. století John Dalton (1766 – 1844), který však ještě neměl tušení o jeho vnitřní struktuře: Atomy téhož prvku jsou stejné, atomy více různých prvků se liší vždycky hmotností, většinou i jinými vlastnostmi V průběhu chemických reakcí dochází ke spojování, oddělování a přeskupování atomů, atomy při nich nevznikají, nezanikají a netransmutují (nemění se na atomy jiného prvku) Slučováním dvou a více prvků vznikají sloučeniny, v dané sloučenině je poměr prvků stálý (na jeden atom prvního prvku připadá vždy stejný počet atomů prvku druhého, třetího, …) Z Daltonovy teorie vyplývají dva zákony:
o Zákon zachování hmotnosti – počet atomů a jejich hmotnost na obou stranách rovnice musí být stejná
o Zákon stálých poměrů slučovacích – prvky se slučují v určitém poměru svých hmotností (Ar a násobků)
Modely atomu
Názor na vnitřní strukturu atomu se v průběhu historie vyvíjel. Původně se myslelo, že se jedná o homogenní kuličku bez elektrického náboje. Když ale v první polovině 19. stol. objevil Faraday zákony elektrolýzy (to, že ionty v roztoku přenášejí záporný náboj), bylo nutné názory upravit. Nositele záporného náboje (elektron) nakonec objevil v roce 1897 J. J. Thomson (1856 – 1940) při studiu katodového záření (určil, že hmotnost té částice se záporným nábojem je mnohem menší než atomu vodíku – napadlo ho, že elektron byl původně uvnitř něj). Na základě tohoto objevu vytvořil tzv. Thomsonův model atomu (též pudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.
V roce 1911 ale Ernest Rutherford na základě svých pokusů (např. ostřelování tenkých kovových folií alfa částicemi) určil, že atom má záporný obal a kladné jádro. Z jeho experimentů také plynulo, že atomový obal zaujímá mnohem větší prostor než samotné
jádro, ve kterém je ale soustředěna téměř veškerá hmotnost atomu (elektron má m = 9,1091
× 10-31 kg, kdežto později objevený proton má m = 1,67252 × 10-27 kg). To ho vedlo
k Rutherfordově modelu, podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutného jádra,
kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony, obdobně jako planety obíhají Slunce (proto
se tento model nazývá též planetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomu
vodíku je nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je
obsažena také v jádrech ostatních atomů.
Jako další přišel v roce 1913 model N. Bohra. Bohrův stacionární model upravil předešlý
planetární tak, že elektrony mohou jádro obíhat jenom po kružnicích s určitým poloměrem –
stacionárních drahách s určitou energií a že jejich energie se může měnit jen po určitých
dávkách – kvantech (při přecházení mezi stacionárními drahami).
Současný názor na strukturu atomu
V současnosti uznávaný model se nazývá kvantově mechanický. Upravuje především pohled
na elektronový obal:
Elektrony patří do první generace leptonů (společně s elektronovými neutriny), je
prozatím považován za elementární (bez vnitřní struktury), má vlastnosti částice
i vlnění
Podle Heisenbergova principu neurčitosti nelze současně přesně určit polohu
a hybnost elektronů
Pomocí veličiny zvané vlnová funkce lze vypočítat pravděpodobnost výskytu
elektronu v daný moment na daném místě – grafickým vyjádřením je orbital
V dnešní době už také víme o něco víc o složení jádra atomu. V roce 1932 objevil Chadwick
neutron. Neutrony a protony se souhrnně nazývají nukleony a víme již, že se nejedná
o elementární částice. Skládají se ze tří kvarků první generace, jedná se proto o baryony
(baryony spolu s mezony patří mezi hadrony). Kvarky byly teoreticky předpovězené roku
1964 Murray Gell-Mannem (a nezávisle na něm i Georgem Zweigem) ve snaze vysvětlit
vlastnosti tehdy známých částic, za což roku 1969 dostal Nobelovu cenu za fyziku.
V současné době známe šest druhů kvarků, které se dělí po dvojicích do tří generací (1.: up
a down, 2.: strange a charm, 3.: beauty a truth – tyto podivné názvy vychází z názvů jejich
kvantových čísel jako třeba barva, podivnost, půvab…). Baryony tvoří kvarky tak, že je každá
ze tří možných barev jednou zastoupena, výsledný baryon je bezbarvý. Proton složený ze
dvou „u“ kvarků a jednoho „d“ kvarku, neutron z jednoho „u“ a dvou „d“, jsou vzájemně
vázány prostřednictvím gluonů.
Elektronový obal
Oblasti nejhustšího výskytu elektronů v elektronovém obalu jsou již zmiňované orbitaly.
Orbitaly jsou popisovány třemi kvantovými čísly:
Hlavní kvantové číslo n: určuje energii elektronu v atomu, nabývá hodnot
přirozených čísel od 1 hypoteticky do nekonečna, reálně zatím do 7, elektrony se
stejným HKČ tvoří elektronovou vrstvu (slupku), které se označují písmeny K až Q
(nebo čísly 1-7)
Vedlejší kvantové číslo l: určuje tvar a energii orbitalu, nabývá hodnot 0 až n-1
(a tedy pro každé HKČ n existuje právě n hodnot VKČ l), hodnoty VKČ se označují
malými písmeny, tzv. spektroskopickými symboly 0=s, 1=p, 2=d, 3=f (např. zápis
elektronové konfigurace uhlíku je C: 1s2 2s2 2p2), orbitaly se stejným hlavním
a vedlejším kvantovým číslem mají stejnou energii a nazývají se degenerované
(elektrony v degenerovaných orbitalech tvoří podslupku)
Magnetické kvantové číslo m: určuje orientaci orbitalu v prostoru a nabývá hodnot
celých čísel od –l přes 0 až do +l, orbital s je kulově symetrický (pro dané n existuje
jediný orbital s), orbital p má 3 možné prostorové orientace, d jich má 5 a f jich má 7
Dále bylo definováno ještě spinové kv. číslo s (nemají ho jen elektrony, ale i třeba protony,
jednotlivé kvarky atd.), které charakterizuje „rotaci“ elektronu kolem osy, nabývá hodnot
, nedefinuje orbital nýbrž elektron.
Pro zaplňování elektronového obalu atomu platí určitá pravidla, tzv. výstavbový princip:
Pravidlo minimální energie: nejprve se obsazují orbitaly s nižší energií – tomu
odpovídá nižší součet n+l
Pauliho princip výlučnosti: ze studia atomových spekter vyplynulo, že
v elektronovém obalu nemohou být dva elektrony, jejichž stav je popsán stejným
souborem kvantových čísel – znamená to, že mají-li dva elektrony stejná kvantová
čísla n, l a m, musí se lišit alespoň spinem; jeden orbital mohou obsazovat nejvýše
dva elektrony
Pravidlo maximální multiplicity spinu (Hundovo pravidlo): stavy se stejnou energií
(degenerované orbitaly) se obsazují nejprve po jednom elektronu, jejichž spiny jsou
orientovány souhlasně a teprve po té druhým elektronem se spinem opačným
Uvedená pravidla platí pro elektronovou konfiguraci atomu v základním stavu (o nejnižší
energii). Dodáním energie se atom dostane do excitovaného stavu a jeden nebo více
elektronů přejde do vyšší energetické hladiny. Pokud je dodaná energie dostatečně velká
(ionizační energie) dojde k ionizaci – elektron se odtrhne od atomu a vniká kladný kation.
Pokud se elektron spojí s dosud neutrálním atomem, vnikne záporný anion (energie
uvolněná při jeho vzniku se nazývá elektronová afinita).
Radioaktivita
Radioaktivitou se rozumí schopnost některých atomových jader vysílat záření. Přitom se
takové jádro může přeměnit v jiné nebo alespoň ztratí část své energie. Při jaderné přeměně
se mění struktura jádra, izotop jednoho prvku se mění v izotop jiného prvku. Rozlišují se dva
druhy radioaktivity:
1. přirozená radioaktivita – jde o radionuklidy, které se běžně vyskytují (nebo vyskytovaly)
v přírodě
2. umělá radioaktivita – radionuklidy jsou uměle vyrobené v laboratoři.
Fyzikální popis a vlastnosti obou typů radioaktivity jsou ale naprosto shodné – řídí se týmiž
fyzikálními zákony.
Objev přirozené radioaktivity v roce 1896 byl prvním zatím ještě nerozluštěným signálem ze
světa atomových jader a znamenal pro fyziky velké překvapení. Překvapující bylo jednak,
odkud se bere značná část energie trvale vyzařovaná
radioaktivní látkou, jednak to, že přeměna jednoho prvku v
prvek druhý, o níž marně usilovali alchymisté po celá staletí,
probíhá v přírodě zcela samovolně.
Objev radioaktivity následoval rok po objevu rentgenového
záření v roce 1895 a zasloužil se o něj francouzský fyzik Antoine
Henri Becquerel (1852 – 1908, Nobelova cena v roce 1903).
Becquerel se zabýval výzkumem fosforescence (tj. dlouhodobá
luminiscence) některých látek a jejich účinkem na fotografickou
desku. Fosforescence nastává ovšem pouze po předchozím
osvětlení látky, při němž se její atomy vybudí do vyššího
excitovaného stavu.
Jednotlivé druhy radioaktivního záření je možné rozlišit v (homogenním) magnetickém poli
o magnetické indukci a následně je i detekovat buď fotografickou deskou D nebo
Geigerovým – Müllerovým počítačem GM.
Záření α je pohlcováno již listem papíru a ve vzduchu se pohltí na dráze asi 40 cm. Jedná se
vlastně o proud heliových jader (helionů), který má silné ionizační účinky. Při alfa rozpadu se
prvek mění následovně:
Záření β pohlcuje tenký hliníkový plech, v suchém vzduchu je nutná vzdálenost asi 2,5 m.
Vychyluje se v elektrickém poli a magnetickém poli – jedná se tedy také o nabité částice.
Experimenty i teorie ukazují, že existují dva druhy záření β:
1. záření je tvořeno rychle letícími elektrony, které vznikají v jádře rozpadem neutronu:
, kde značí elektronové antineutrino. Přeměna prvku:
2. záření je tvořeno kladně nabitými pozitrony (antičástice elektronu), které vznikají
v jádru rozpadem protonu: , kde značí neutrino ( se dá zapsat i jako
). Přeměna prvku:
Záření γ je ze všech druhů radioaktivního záření nejpronikavější, většinou provází předchozí.
Jedná se o elektromagnetické záření s vlnovými délkami kratšími než 300 pm. Protože
fotony nemají elektrický náboj, záření γ se neodchyluje od svého původního směru ani
v elektrickém poli ani v magnetickém poli. Proto se látkou volně šíří a značně se rozptyluje.
Látku, s níž interaguje, silně ionizuje a uvolňuje z ní nabité částice v důsledku fotoefektu
a Comptonova jevu. Pro záření γ neexistuje žádná bezpečná vzdálenost, kde by jeho
intenzita klesla na nulu. Je možné ji snížit, ale není možné záření γ zcela pohltit. Radionuklid
vyzařující záření γ netransmutuje; přechází pouze do stavu s nižší energií. To znamená, že se
většinou z excitovaného stavu blíží základnímu stavu (základní energetické hladině) daného
nuklidu.
V současnosti má velký význam i neutronové záření, které nevzniká u přírodních
radionuklidů či umělých radionuklidů, ale lze je vyvolat uměle v jaderných reaktorech nebo
při jaderné explozi.