ELEKTRONOVÝ OBAL ATOMU

 

 

 

Zpět na obsah

Thomsonův model atomu

Rutherfordův model atomu

Bohrův model atomu

Spektrum

Stavy vodíku

Kvantově mechanický model atomu

Pauliho vylučovací princip

Výstavbový princip

Valenční elektrony

Vzájemné působení záření a atomů

Luminiscence

LASER

 

Atom          → jádro          → protony

                                          → neutrony

                   → obal            → elektrony

 

Modely atomu:

Thomsonův

– v r. 1897 J. J. Thomson – hypotéza o elektronu­ (částice se záporným elektrickým nábojem - jsou emitovány ze žhavého kovu, tvoří radioaktivní záření b a uvolňují se při fotoelektrickém jevu). R. A. Millikan v r. 1910 experimentálně dokázal, že elektrický náboj je kvantován po elementárních nábojích → změření elementárního náboje a klidová hmotnost elektronu

(qe = – e = – 1,602 × 10– 19 C; me = 9,110 × 10– 31 kg). → elektron – první objevená elementární částice)

Atom je elektricky neutrální Þ musí v něm být částice se stejným kladným nábojem.

Podle Thomsona – atom – kladně nabitá koule, v níž jsou rozptýleny elektrony

 

Rutherfordův

– na základě pokusu, kdy Rutherford ostřeloval zlatou fólii částicemi a, usoudil, že Thomsonův model atomu nesedí (podle něj se částice a, které procházejí středem atomu, nevychylují, a ty, které procházejí mimo střed (většina), se vychylují jen nepatrně). Většina částic a prošla fólií bez větší odchylky, zatímco některé se znatelně odchýlily od původního směru kladným nábojem atomového jádra Þ většina hmoty atomu je uspořádána v jádru, které má kladný náboj.

planetární model atomu – předpokládal, že elektrony se pohybují kolem kladně nabitého atomového jádra po kružnicích. Tzn. chovají se jako planety, které krouží kolem Slunce.

Rutherford ještě předpokládal existenci částic v jádře, které nemají náboj a mají hmotnost přibližně stejnou jako protony ® neutrony

Chyba Rutherfordova modelu – elektron by kroužil kolem protonu po stále nižších drahách, až by nakonec došlo k jejich splynutí a zániku atomu.

 

Bohrův

– postuláty:

1.    Elektron se může bez vyzařování energie pohybovat kolem jádra jen po určitých dráhách – orbitách.

2.    Elektron vyzařuje nebo přijímá energii pouze při přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého, energeticky odlišného (při přeskoku jedné energetické hladiny na druhou).

E = E1 – E2 = h × f  (f – frekvence záření, h – Planckova konstanta, h = 6,63 × 10-34 J×s)

Energie atomu kvantovánakvantový model atomu

Bohrovy postuláty sice nesouhlasí s klasickou fyzikou, ale odpovídají výsledkům experimentů a vysvětlují existenci stabilních atomů.

Mezi elektrony a jádrem (® elektrické síly) a mezi nukleony v jádře (® jaderné síly) působí přitažlivé síly. Obě soustavy charakterizujeme vazebnou energií Ev – práce potřebná k odtržení elektronů nebo k rozštěpení jádra). Udáváme ji v elektronvoltech (eV). Tuto energii získá částice s elementárním náboje urychlená napětím jednoho voltu

(1 eV = 1,602 × 10– 19 J).

Je-li Ev        – kladná ® stabilní soustava Þ pro rozložení se musí energie dodat, podle relativistické energie je součet klidových hmotností částí větší než klidová hmotnost soustavy.

              – záporná ® nestabilní soustava Þ při rozpadu se uvolňuje energie, součet hmotností částí je menší

kvantování energie atomu Þ čárové (diskrétní) spektrum prvků a látek – charakteristické Þ spektrální analýza.

Spektrum může být spojité (všechny vlnové délky světla), pásové (všechny vlnové délky světla v určitých intervalech), čárové (pouze jednotlivé vlnové délky)

Pro spektrální analýzu se používá emisní (spektrum, které je vyzařováno atomy) nebo absorpční (ve spojitém spektru chybí určité vlnové délky – využívá se předpokladu, že atomy pohlcují stejné látky, jaké by vyzářily – Kirchhofův zákon) spektrum.

První podrobně zkoumané spektrum bylo spektrum vodíku. Ve viditelné oblasti má čtyři výrazné spektrální čáry. Světlo se ve spektrech řadí do určitých skupin – spektrálních sérií (čáry jsou nejprve ostře ohraničené, daleko od sebe. Postupně jsou blíže k sobě a jsou hustší až k hraně série).

První objevená spektrální série vodíku byla objevena ve viditelném světle → nazvána po objeviteli Balmerova série. Pro frekvence světla spektrálních čar platí vztah

,

kde n je přirozené číslo od 3 do nekonečna. R je Rydbergova konstanta. R = 3,29 × 1015 Hz

Jednotlivé čáry Balmerovy série mají vlnové délky: (n = 3 Þ l = 656,3 nm; n = 4 Þ                   l = 486,1 nm; n = 5 Þ l = 436,1 nm; n = 6 Þ l = 410,2 nm; n → ¥ Þ l = 364,6 nm)

Později byly objeveny další série. Pro všechny platí:

m a n jsou přirozená čísla, m < n;

Série pro určitá m: (m = 1 → Lymanova – v UV záření; m = 2 → Balmerova – ve viditelném světle; m = 3 → Pascheova – v IR záření; m = 4 → Bracketova; m = 5 → Pfundova)

m a n jsou jednotlivé slupky elektronového obalu. n i m jsou hlavní kvantová čísla.

Atom vyzáří energii E = h × f elektromagnetické záření o frekvenci f při přechodu z vyšší hladiny n na nižší hladinu m

En je energie dané elektronové slupky. Čím větší je n, tím větší je i En. Pro n → ¥ je En = 0; v takovém případě je vazba elektronu v atomu tak slabá, že dochází k ionizaci (vytržení elektronu z atomu vodíku) elektron se stane volným a jeho energie přestane být kvantována, může pak získat jakoukoli kinetickou energii.

Jednotlivé stavy vodíku mají energii:

(E1 = – 13,6 eV; E2 = – 3,40 eV; E3 = – 1,51 eV; E4 = – 0,85 eV; E5 = – 0,544 eV; E6 = – 0,377 eV)

 

Stav, kdy n = 1 je základní stav vodíku E1 = – 13,6 eV – je to záporně vzatá energie atomu vodíku. Energii 13,6 eV musíme atomu dodat, aby se ionizoval. Stavy s vyšší energií jsou excitované stavy vodíku.

 

 

Kvantově mechanický model atomu

Vyřešil řadu nedostatků Bohrova modelu – ten nedokázal vysvětlit štěpení spektrálních čar – tato teorie vycházela ze zákonů klasické fyziky s omezujícími podmínkami – postuláty.

Elektron však má mechanické i vlnové vlastnosti Þ korpuskulárně vlnový dualismus (záleží na pokusu, kterým se zjišťuje chování částice – fotony se chovají jako částice se nulovou klidovou hmotností – jsou kvanta světelné energie, elektrony vykazují vlnové vlastnosti – např. elektronové mikroskopy). Kvantovým stavům elektronu lze přiřadit stojaté elektronové vlny v trojrozměrném prostoru. Každé z kvantovým čísel n, l, m charakterizuje trojrozměrnou vlnu.

Není možné určit přesný popis dráhy elektronu v atomu, proto se musíme omezit na pravděpodobnostní popis dráhy.

Tento model je převážně matematický, jehož názornost je značně omezena. Stav částice, popř. systému částic je vyjádřena pomocí veličiny vlnové funkce y a je možné je vypočítat pro zvláštní stavy podle Schrödingerovy rovnice.

Oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu elektronu – orbital.

Orbital a vlastnosti vlnové funkce charakterizují kvantová čísla:

 

kvantové číslo

Název

možné hodnoty

význam

n

hlavní

n = 1, 2, 3, …

určuje energii a velikost orbitalu

l

vedlejší

l = 0, 1, 2, …, n – 1

určuje tvar orbitalu

m

magnetické

m = 0, ±1, ±2, …, ±l

určuje orientaci orbitalu v prostoru

s

spinové

s = ± ½

určuje moment hybnosti elektronu

 

Danému kvantovému číslu n odpovídá n2 kvantových stavů s různými hodnotami l a m.

Slupka elektronového obalu – v ní jsou jen elektrony se stejným kvantovým číslem n. V každé slupce je 2 × n2 elektronů. Slupky jsou označeny písmeny (pro n = 1 ® K, 2 ® L, …, 7 ® Q). Hlavním kvantovým číslům odpovídají řádky – periody Mendělejevovy soustavy prvků.

Vedlejší kvantová čísla jsou vyjádřena také písmeny – pro 0 ® s, pro 1 ® p, pro 2 ® d, pro 3 ® f, pro 4 ® g (prvek s tak vysokým protonovým číslem ještě nebyl objeven – první, jehož elektrony by vstupovaly do orbitalů g by měl protonové číslo 121)

Pro elektrony stejně jako pro protony či neutrony platí Pauliho vylučovací princip:

V daném atomu nemohou existovat dva elektrony ve stejném kvantovém stavu, tj. se stejnými kvantovými čísly n, l, m, s.

Částice, pro které Pauliho vylučovací princip platí, se nazývají fermiony. Ty, pro které neplatí – bosony (např. fotony).

Pro vyplňování orbitalů elektrony platí ještě Hundovo pravidlo:

V každém orbitalu daném magnetickým kvantovým číslem vznikají elektronové páry až po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem. Všechny nespárované elektrony mají stejný spin. → elektrony nejprve po jednom vstoupí do orbitalů se stejným n a l a s, ale různým m. Teprve potom vstoupí do těchto orbitalů i s druhým spinem.

 

Výstavbový princip:

Orbitaly s energií nižší se zaplňují elektrony dříve než orbitaly s energií vyšší.

→ rozhodující je součet kvantových čísel n a l a pak velikost n

       – dříve se zaplní orbital, u něhož je součet n + l menší

– jsou-li dva nebo více orbitalů se stejným součtem n + l, pak se první zaplní ten, jehož n je menší

Pořadí vyplňování orbitalů (první řádek – kvantová čísla orbitalu – n-l, druhý – písmena pro l):

1-0, 2-0, 2-1, 3-0, 3-1, 4-0, 3-2, 4-1, 5-0, 4-2, 5-1, 6-0, 4-3, 5-2, 6-1, 7-0, 5-3, 6-2

1s,   2s,   2p,  3s,   3p, 4s,   3d, 4p, 5s,   4d, 5p, 6s,   4f,   5d, 6p, 7s,   5f,   6d

 

Valenční (optické) elektrony – elektrony v orbitalech s a p v nejvyšší slupce – určují chemické a optické vlastnosti atomů. Jejich maximální počet je 8 → elektronový oktet Þ oxidační čísla → – IV … VIII (buď doplnění do prázdných orbitalů – záporná ox. č. nebo odtažení elektronů z orbitalů – kladná ox. č.)

 

Seřazení prvků v periodické soustavě prvků podle:

1.    Počet elektronů je roven protonovému číslu prvku v periodické soustavě.

2.    Stav každého elektronu v atomu je určen čtyřmi kvantovými čísly.

3.    Energetické hladiny atomu v základním stavu se obsazují postupně, každý další elektron obsadí dosud volnou hladinu s nejmenší energií.

4.    Musí být splněn Pauliho princip.

 

Vzájemné působení záření a atomů:

1.    Absorpce – látka pohlcuje fotony a elektrony přecházejí na vyšší energetické hladiny.

2.    Spontánní (samovolná) emise – elektrony samovolně přecházejí na nižší energetické hladiny a vyzařují fotony (kvanta záření o energii E = Em – En = h × f)

3.    Stimulovaná (vynucená) emise – nastává u vzbuzených (excitovaných) atomů vnějším působením. Tuto emisi může vyvolat jen foton o stejné frekvenci, jakou má foton, který emisí vzniká.

Excitované energetické hladiny, v nichž atom setrvá déle, než je perioda záření (10– 8 s) – metastabilní. Po nahromadění takovýchto atomů Þ postupná nahodilá spontánní emise záření → dojde k luminiscenci (světlušky, obrazovky, zářivky, hodinky, reklamy)

Luminiscence – spontánní záření pevných a kapalných látek (luminoforů) představující přebytek nad tepelným zářením, trvá-li toto záření déle, než je perioda světelných kmitů            (T = 10– 10 s)

fotoluminiscence – látky nabuzeny světlem – hodinky

katodoluminiscence – nabuzení elektrony – obrazovka

– elektroluminiscence – nabuzení v elektrickém poli – reklamní panely, nouzové osvětlení

radioluminiscence – jaderné záření

– termoluminiscence – tyto luminofory jsou např. na etiketě piva Radegast – emitují záření jen při určité teplotě

 

Rentgenovo záření

– katoda, antikatoda, anoda

– elektrony se nesou k antikatodě, nabijí se, přejdou na vyšší dráhu – návrat ® vyzáření energie – fosforescence

 

 

LASER

– pracuje na principu stimulované emise

monochromatický zdroj pracující s velmi vysokou energií

– některé schopny dělit materiály ® laserový skalpel (např. oční mikrochirurgie, neurochirurgie, plastická chirurgie, …)

– strojírenství ® obrábění

– CD přehrávače; přenos informací; osvětlovací technika; tisk; holografie

 

Zpět na začátek

Zpět na obsah

Zpět na hlavní stránku