Vývoj představ o stavbě atomu

1. Vývoj představ o stavbě atomu Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je PaedDr. Pavel Kovář Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM

3. Náplň výuky Vývoj představ o stavbě atomu Specifikace slova ATOM Jaké vlastnosti atomu ve své době postačovaly k jeho popisu Antika – atomisté Demokritos Leukipos a Epikúros Představa Daltonova a Mendělejevova Thomsonův pudingový model atomu Ruthefordův planetární model atomu Bohrův kvantově mechanický model atomu Sommerfeldův model atomu Nástin současných představy o stavbě atomového jádra

4. Antická představa o nemožnosti nekonečné dělitelnosti elementu materiálu ústila z čistě logické myšlenky. Tou byla nemožnost dělit materiál na stále menší a menší části. Zavádí se termín ATOMOS = NEDĚLITELNÝ. Raně fyzikální model „ATOMOS“ je základní filozofickou i čistě stavební jednotkou jakékoli látky (atom dřeva, atom pískovce, atom lidského vlasu či okvětního lístku) Tato představa o stavbě látky je připisována Demokritovi, Epikúrovi a Leukipovi

5. Obr. 1 Obr. 2 Obr. 3

6. Thomsonův (pudingový) model atomu Vědecký přínos do současnosti – záporný elektron, elektrické síly v atomu… Ohmův zákon Kirchhoffovy zákony Obr. 4

7. Přednosti: uvnitř atomu působí elektrická síla, tok elektronů vnímáme jako elektrický proud, jsme schopni modelovat pojem elektrický potenciál a elektrické napětí Ohmův zákon a oba Kirchohoffovy zákony vystačí s představou pudingového modelu. Nedostatky: Neřeší problém magnetického pole a nenachází souvislost s polem elektrickým. Model je koncepčně naivní.

8. Ruthefordův (planetární) model atomu Alfa++ částice = jádro helia Modelová představa Elektron = planeta Jádro = Slunce Obr. 5

9. Obr. 6

10. Přednosti: Rutheford svým pokusem s alfa-částicemi a zlatou fólií přesvědčivě dokazuje, že atom má velmi malé, kladné jádro s neuvěřitelně vysokou hustotou, jádro do něhož je prakticky soustředěna veškerá hmotnost atomu. Thomsonův poznatek o záporném náboji elektronu je potvrzen a dráha elektronu se z beztvarého mraku u Thomsonova modelu zpřesnila na jasně definovanou kružnici (pozdějším zdrojem chyb při vysvětlování násobných spektrálních čar v atomu vodíku …) Poprvé je zavedeno kvantování, které popis mikrosvěta ovlivňuje doposud. Nedostatky: Obecná pozice elektronu na orbitu je nemožná, elektron by velmi rychle interagoval s jádrem atomu za doprovodu intenzívního gama záblesku a následného zániku hmoty v té podobě, jak ji známe.Vysvětlení těchto zdánlivých rozporů čekalo na kvantovou teorii, která je poskytla.

11. obr. 7 Absorpční spektrální čáry (tzv. série Fraunhoferových čar). Ani Bohrův model, který přichází s myšlenkou kvantování drah elektronů, nevysvětluje násobnost spektrálních čar. Jejich objasnění uspokojivě nabízí až model Sommerfeldův. Pozn. : H-alfa(Hα) je specifická červená (viditelná) spektrální čára o vlnové délce 656,28 nm vytvářená vodíkem. Vznikne, když vodíkový elektron klesne na třetí z druhé nejnižší energetické hladiny. Pro člověka je obtížné vidět H-alfa v noci, ale vzhledem k množství vodíku ve vesmíru se H-alfa často stává nejjasnější vlnovou délkou viditelného světla ve hvězdné astronomii.

12. Co je to kvantování … jak si je lze představit a) 0,5 litru BZ b) 1 litr BZ c) 0,5 litru BZ d) 1 litr BZ Jde o stejný typ automobilu. Nádrž naplněná daným objemem PHM nutně kvantuje dojezd vozů

13. Bohrův model atomu Obr. 8 n=2 Původní, nižší energetická hladina n=1 + + n=1 Energie Vyšší energetická hladina orbitu elektronu. Tentýž elektron jako na obr. vlevo – pouze po dodávce energetického kvanta Zvenku dodaná energie může mít formu např. dopadu vnějšího záření (RTG záření) Přijme-li atom vnější energii, posouvá se orbit elektronu z nižší hladina na vyšší. Vydá-li atom energii (luminiscence, laser) elektron klesá z vyšší energetické dráhy na nižší.

14. Přednosti: Kvantování drah a energetická kvanta , která přijímá elektronový obal, přechody elektronu na vyšší příp. nižší orbit – ty položily základy moderní atomové fyzice. Bohrův model je pro atom vodíku natolik elegantně vyřešen, že se dodnes vyučuje pro svou srozumitelnost a matematickou krásu. Nedostatky: Bohrův model nevysvětluje existenci dubletů, tripletů či obecně multipletů – tedy násobných spektrálních čar, které vznikají při přechodu elektronu z jednoho orbitu na druhý. Na kruhových drahách kopírujících Bohrův model bychom předpokládali jednu ostrou spektrální čáru. Bohrův model atomu zůstává u popisu jediného atomu – a to atomu vodíku. Kterýkoli složitější atom natolik komplikuje výpočty, že jeho řešení je prakticky nemožné.

15. Sommerfeldův model atomu Základním orbitem pro kvantovou dráhu n=1 zůstává ve shodě s Bohrovým modelem kružnice (resp. koule) Vyšší orbity však tvoří stáčející se elipsy (kvantové číslo l) jimiž je nový model (viz obr. 9) charakteristický. Důležitou roli v popisu tohoto modelu atomu hraje pravděpodobnost výskytu částice v dané oblasti. Podrobnějším popisem se zabýval v roce 1926 rakouský fyzik Erwin Schrödinger Tato představa o atomovém obalu je základem současného pohledu na atom. Nehledáme konkrétní pozici částice, řešíme však pravděpodobnost jejího výskytu. Erwin Schrödinger, Paul Dirac… Obr. 9

16. Kontrolní otázky: • Popiš Thomsonův model atomu. • Uveďte přednosti a vědecký přínos Ruthefordova modelu atomu. • Jaké nedostatky měl Bohrův model atomu? • Načrtni schéma Sommerfeldova popisu atomu a uveď jeho stručnou charakteristiku. • Problémová úloha: • Pomocí internetového vyhledávače zjisti, co to byla tzv. Schrödingerova kočka (úsměvný příměr pohledu statistické fyziky na hmotu)… • 

17. Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní Obr. 2: vlastní Obr. 3: vlastní Obr. 4: vlastní Obr. 5: vlastní Obr. 6: Anonym, [vid 11. 1. 2013], dostupné z: http://www.google.cz/imgres?q=model+atomu&num=10&hl=cs&tbo=d&biw=1366&bih=671&tbm=isch&tbnid=qeibBNMPWoe6ZM:&imgrefurl Obr. 7: Anonym, [vid 11. 1. 2013] dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Fraunhofer_lines.jpg Obr. 8: vlastní Obr. 9: Anonym, [vid 11. 1. 2013] dostupné z: http://www.google.cz/search?num=10&hl=cs&site=imghp&tbm=isch&source=hp&biw=1366&bih=671&q=model+atomu&oq=model+atomu&gs

18. Seznam použité literatury: