ATOM

1897r. – odkrycie przez J.J. Thomsona elektronu,

1911r. – odkrycie przez E. Rutherforda jądra atomu,

1913r. – przedstawienie przez N. Bohra modelu budowy atomów wodoropodobnych.




Po odkryciu w 1911r. Jądra atomowego, E. Rutherford przedstawia jądrowy model atomu. Jest to model, przypominający układ planetarny. W środku dodatnie jądro (Słońce) a wokół poruszające się ujemne elektrony (planety).





Oszacowano, że rozmiary jądra są rzędu 10-15m a rozmiary atomu 10-10m. Z tego wynika, że gdyby jądro było kulką o średnicy 1cm, to elektron krążyłby w odległości od niego ok. 100m (10 000 razy większej) – materia jest przeraźliwie pusta.





Oszacowano, że rozmiary jądra są rzędu 10-15m a rozmiary atomu 10-10m. Z tego wynika, że gdyby jądro było kulką o średnicy 1cm, to elektron krążyłby w odległości od niego ok. 100m (10 000 razy większej) – materia jest przeraźliwie pusta.

Okazało się, że w świecie atomu zachodzą zjawiska, których nie można wytłumaczyć w oparciu o prawa mechaniki klasycznej. Od tych odkryć rozpoczyna się burzliwy rozwój fizyki atomowej, prowadzący do powstania teorii kwantów (mechaniki kwantowej) opisujących świat atomowy.

Model atomu wodoru wg N. Bohra

Początki mechaniki kwantowej znajdujemy u N. Bohra, który przedstawia matematyczny opis atomu wodoru. Jego model jest pomieszaniem klasycznego spojrzenia na atom z uwzględnieniem pewnych faktów wynikających z badań atomu, a których nie tłumaczy mechanika klasyczna.


Początki mechaniki kwantowej znajdujemy u N. Bohra, który przedstawia matematyczny opis atomu wodoru. Jego model jest pomieszaniem klasycznego spojrzenia na atom z uwzględnieniem pewnych faktów wynikających z badań atomu, a których nie tłumaczy mechanika klasyczna.

Model ten dzisiaj, w dobie rozwiniętej mechaniki kwantowej, nie ma większego znaczenia. Przedstawimy go, ponieważ w przystępny sposób wyjaśnia np. promieniowanie atomów. Wzory końcowe, wyprowadzone przez N. Bohra, są takie same jak wynikające z mechaniki kwantowej. Po odkryciu wielu nowych zjawisk w świecie atomowym, model ten stał się mało użyteczny – nie objaśniał ich.


1.Ruch elektronu wokół jądra odbywa się pod wpływem siły kulombowskiego przyciągania po tzw. orbitach dozwolonych, dla których moment pędu elektronu przyjmuje wartości:

gdzie: rn - to promień n-tej orbity,

vn - to prędkość elektronu na n-tej orbicie,

n = 1, 2, 3,… - to liczba kwantowa.

Postulaty Bohra:





2.Przy przejściu elektronu z jednej orbity na inną elektron promieniuje energię:

E = h,

gdzie:

- stała Plancka,

- częstotliwość promieniowania.

Postulaty Bohra:





2.Przy przejściu elektronu z jednej orbity na inną elektron promieniuje energię:

E = h,

gdzie:

- stała Plancka,

- częstotliwość promieniowania.

Mówimy, że moment pędu i energia są skwantowane, tzn. przyjmują tylko ściśle określone wartości bez wartości pośrednich między nimi.

Postulaty Bohra:

m – masa elektronu,

rn – promień n-tej orbity,

p – pęd elektronu,

Fc – siła Kulomba.

rnFc

p

+-m





rnFc

p

+-m

Siła elektrostatycznego przyciągania elektronu przez proton (siła Coulomba) jest siłą dośrodkową:

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1





rnFc

p

+-m


Energia całkowita układu elektron-proton jest sumą energii kinetycznej elektronu i ich elektrycznej energii potencjalnej:

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE





rnFc

p

+-m



Pierwszy postulat Bohra:

2

hnrmv nn

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE





rnFc

p

+-m



Pierwszy postulat Bohra:

2

hnrmv nn

Drugi postulat Bohra:

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

Emn = En- Em = h.

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

Dysponujemy układem czterech równań:

1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)

Wyznaczając z równania 3) 5)n

n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)

Wyznaczając z równania 3) 5) i wstawiając tę zależność do 1)n

n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

mamy: 6)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)

Wyznaczając z równania 3) 5) i wstawiając tę zależność do 1) n

n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr

Z ostatniego równania wynika, że również promień n-tej orbity w atomie wodoru jest skwantowany.

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

mamy: 6)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr


Dla n=1otrzymujemy wzór na promień pierwszej orbity w atomie wodoru:

m1053,0me

hr 10

2

2

o1

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

mamy: 6)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr



m1053,0me

hr 10

2

2

o1

Dokonując podstawienia 5) i 6) do 2) znajdujemy:

n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

22

o

4

2n h8

me

n

1E

mamy: 6)

7)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr



m1053,0me

hr 10

2

2

o1


n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

22

o

4

2n h8

me

n

1E

mamy:

Z ostatniego równania wynika, że również energia atomu wodoru w stanie n-tym jest skwantowana.

6)

7)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr



m1053,0me

hr 10

2

2

o1


n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

22

o

4

2n h8

me

n

1E

mamy:


6)

Dla n=1otrzymujemy wzór na najmniejszą możliwą energię tzw. stanu podstawowego: .eV6,13h8

meE

22

o

4

1

7)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr



m1053,0me

hr 10

2

2

o1


n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

22

o

4

2n h8

me

n

1E

mamy:


6)


meE

22

o

4

1

Dla rosnących n energia atomu wodoru rośnie (zbliża się do zera). Dla energia ta jest największa i wynosi

. Następuje wtedy jonizacja atomu.

n

0E

7)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr



m1053,0me

hr 10

2

2

o1


n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

22

o

4

2n h8

me

n

1E

mamy:


6)


meE

22

o

4

1



n

0E

Z równań 4) i 7) otrzymujemy wzór na energię absorbowaną przez atom co wiąże się z przeskokiem elektronu na orbitę dalszą. Jest to jednocześnie energia fotonu emitowanego przez atom, gdy elektron spada na orbitę bliższą jądra:

7)


1)

2

hnrmv nn

Emn = En- Em = h.

2)

3)

4)


n mr2

nhv

n

2

n

2

n

2

o r

mv

r

e

4

1

2

2

o2

n me

hnr



m1053,0me

hr 10

2

2

o1


n

2

o

2

nn r

e

4

1

2

mvE

22

o

4

2n h8

me

n

1E

mamy:


6)


meE

22

o

4

1



n

0E

Z równań 4) i 7) otrzymujemy wzór na energię absorbowaną przez atom co wiąże się z przeskokiem elektronu na orbitę dalszą. Jest to jednocześnie energia fotonu emitowanego przez atom, gdy elektron spada na orbitę bliższą jądra:

7)

2232

o

4

mn n

1

m

1

h8

meE

WIDMO EMISYJNE WODORU


W stanie naturalnym większość atomów znajduje się w stanie podsta- wowym (elektron na pierwszej orbicie, n=1).Przejście elektronu na orbitę wyższą energetycznie (n=2,3,4,…), czyli wzbudzenie atomu może nastąpić za pomocą:

- wysokiej temperatury,

- wysokiego napięcia.





Większość wzbudzanych w ten sposób atomów różnych pierwiastków przebywa w stanie wzbudzonym przez określony czas.

Średni czas życia atomu w stanie wzbudzonym jest

t = 10-8s.







t = 10-8s.

Po tym czasie odbywa się spontaniczne (emisja spontaniczna) przejście elektronu na orbity niższe energetycznie. Związane jest to z emisją fotonów o ściśle określonych energiach odpowiadających tym przejściom.







t = 10-8s.


Światło wysyłane przez pobudzony do świecenia wodór, rozszczepione w pryzmacie ma widmo liniowe, składające się z prążków odpowiadających kwantom energii emitowanej podczas poszczególnych przejść elektronów. Linie w widmie wodoru układają się w serie nazwane imionami ich odkrywców. Serie powstają podczas przeskoków elektronów z orbit dalszych na określoną.

n=1

n=2

n=3

n=4n=5n=6

SeriaBalmera

(widzialna)

SeriaLymanna

(ultrafiolet)

SeriaPaschena

(podczerwień)

Seria Pfunda(podczerwień)

stan podstawowy

stany wzbudzone

n=1

n=2

n=3

n=4n=5n=6

SeriaBalmera

(widzialna)

SeriaLymanna

(ultrafiolet)

SeriaPaschena

(podczerwień)

Seria Pfunda(podczerwień)

stan podstawowy

stany wzbudzone







t = 10-8s.


Światło wysyłane przez pobudzony do świecenia wodór, rozszczepione w pryzmacie ma widmo liniowe, składające się z prążków odpowiadających kwantom energii emitowanej podczas poszczególnych przejść elektronów. Linie w widmie wodoru układają się w serie nazwane imionami ich odkrywców. Serie powstają podczas przeskoków elektronów z orbit dalszych na określoną.

Jeśli atomy dowolnych pierwiastków są swobodne (stan gazu lub pary) to dają widma emisyjne liniowe.

PRZYKŁADY WIDM

Ciągłe. Daje je żarówka żarnikowa i Słońce.

= <0,36m – 0,72m>

Emisyjne liniowe. Dają je pary i gazy.

Absorpcyjne. Odwrócenie widma emisyjnego.

Liniowo-pasmowe atomów żelaza

Widma pasmowe emitują cząsteczki. Każde pasmo zawiera wiele linii blisko siebie położonych.

PRZYKŁADY WIDM

Słońce – linie absorpcyjne na tle widma ciągłego

Uran

Rtęć

Hel

Wodór

Widmo absorpcyjne powstaje wtedy, gdy z widma ciągłego, przechodzącego przez gazy lub pary zostają pochłonięte przez nie długości fal odpowiadające wzbudzeniom ich atomów.

ATOM

Documents

Transcript of ATOM