Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

1. CH03. Stavba atomu – ATOMOVÉ JÁDROMgr. Aleš Chupáč, RNDr. YvonaPufferováGymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o. Soubor prezentací: CHEMIE PRO I. ROČNÍK GYMNÁZIA Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. • Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“

2. Demokritos a Leukipos (atomisté, Staré Řecko, 5. st. př.n.l.) hmota se skládá z  dále nedělitelných částeček = atomů (řec. atomos = nedělitelný) všichni vzdělaní Řekové však nepřijali tuto teorii Aristoteles, tehdy uznávaný největší filozof ji zavrhl, a tak upadla v zapomenutí až do zač. 19. století Vývoj názorů na stavbu atomu obr. č. 1 Demokritos

3. John Dalton • Atomová teorie = každý z prvků se skládá z nesmírně malých, dále nedělitelných, stejných atomů • (je tolik prvků kolik je různých atomů) obr. č. 2 John Dalton (1766-1844) - anglický chemik

4. JosephJohn Thomson • (1856 – 1940) – anglický fyzik • na základě katodové emise, vyvrátil atomovou teorii • objev elektronu • protože atom je elektroneutrální, musí v něm mimo záporně nabitých elektronů být částice se stejně velkým nábojem kladným obr. č. 3 J.J. Thomson

5. Thomsonův „pudinkový model“ • Thomsonův pudingový (statický) model atomu = atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony. - - - - - - - + - kladně nabitá hmota - + - - elektron s záporným nábojem - - - - obr. č. 4 Thomsonův model atomu

6. Ernest Rutherford obr. č. 5 E. Rutherford (1871 – 1937) - anglický fyzik Thomsonovu teorii vyvrátil na základě rozptylu radioaktivního záření α při průchodu tenkou zlatou fólií obr. č. 6 Rutherfordův model

7. Rutherfordův planetární model • atom přirovnává ke sluneční soustavě • atom skládá z kladně nabitého jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony v kruhových drahách obdobně jako planety obíhají Slunce • nedostatek = kroužící elektron by ztrácel energii a zanikl by dopadem na jádro obr. č. 7 Ruthefordův model atomu

8. JamesChadwick • (1891 - 1974) - anglický fyzik • potvrdil Rutherfordův předpoklad, že v jádře existují i elektricky neutrální částice s hmotností přibližně rovnou hmotnosti protonu • za objev neutronu dostal Nobelovu cenu obr. č. 8 J. Chadwick

9. ÚKOL ÚKOL 1. S využitím webové stránky http://www-hep2.fzu.cz/adventure/adventure_home.htmlpřipravte základní informace o historii poznání elementárních částic atomu. ÚKOL 2. Připravte krátkou charakteristiku o kvarcích.

10. NielsBohr (1885 –1962) - dánský fyzik 1913) • Bohrův model atomu • vysvětlil nedostatek Rutherfordova modelu pomocí kvantové teorie (zakladatel Max Planc, z r. 1900) • emise či absorpce záření je nespojitá = skoková k emisi elektromagnetického záření dochází ve formě malých dále nedělitelných částí – kvant obr. č. 9 N. Bohr obr. č. 10 Bohrův model

11. Bohrův model atomu(I. kvantově mechanický model atomu): • elektrony obíhají atomové jádro jen na některých dovolených drahách • elektrony při pohybu nevyzařují energii (vyzařování energie není spojité) • energie může být vyzářena, resp. přijata, pouze při přechodu elektronu z jedné dráhy na druhou obr. č. 11 Bohrův model

12. NielsBohr definoval 3 principy (postuláty): • elektrony se pohybují po stacionárních drahách (kružnicích) = orbitech • pohyb elektronů na těchto drahách není spojen s vyzařováním elmag. záření, tzn. elektron v atomu může existovat jen ve stavech s určitou energií • přemístění elektronu z jedné dráhy na druhou je spojeno s vyzářením n. pohlcením této energie ve formě kvant (fotonů)

13. Arnold Sommerfeld • (1868 -1951) • německý fyzik • průkopník rozvoje atomové a kvantové fyziky obr. č. 12 A. Sommerfeld

14. Arnold Sommerfeld • II. kvantově mechanický model = zpřesňuje první model – elektrony se pohybují po drahách kruhových i eliptických, které jsou různě orientovány v prostoru obr. č. 13 II. Kvantově mechanický model atomu

15. Kvantově mechanický model atomu • 2 principy: • dualismus částic -elektron má mechanické i vlnové vlastnostikorpuskulárně vlnový dualismus(fr. fyzik Louis-Victor de Broglie, 1924) . • princip neurčitosti (německý fyzik Werner Heisenberg, 1927).Není možné určit přesný popis dráhy elektronu v atomu, jen pravděpodobný výskyt. • Stav částice je vyjádřena pomocí veličiny vlnové funkce  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.

16. Pozitron • pozitron = kladný elektron • v r. 1932 objeven v kosmickém záření • byla tím potvrzena Diracova myšlenka, že ke každé částici existuje antičástice s opačným znaménkem náboje a s zrcadlově symetrickými vlastnostmi

17. Atom • částice chemické látky, která se skládá z jádra a obalu obr. č. 14 Atom

18. Model atomu Atom Modelatomu helia Obal - obal jádro Elektron + Neutron Proton + Náboje jednotlivých částic + Proton - kladný - Neutron – bez náboje Jádro - Elektron - záporný obr. č. 15 Stavba atom

19. Jádro • tvořeno protony s kladným nábojem (p+) a neutrony bez náboje (n°) = nukleony • je zde soustředěna většina hmotnosti atomu (99,9 % ) • velikost: 10–15 m (velikost atomu 10–10 m) • v jádře působí jaderné síly, které jsou pouze přitažlivé a působí mezi nukleony bez ohledu na jejich elektrický náboj obr. č. 16 Jádro atomu

20. Složení jádra obr. č. 17 Proton • protony • klidová hmotnost m = 1,67310-27 kg • náboj Q = +1,60210-19 C • neutrony • klidová hmotnost m = 1,67510-27 kg • náboj Q = 0 C proton: dva kvarky u a jeden kvark d. obr. č. 18 Neutron neutron: dva kvarky d a jeden kvark u.

21. Obecné označení prvku Nukleonové číslo udává počet nukleonů v jádře atomu prvku X. Protonové (atomové) číslo udává počet protonů v jádře atomu prvku X. A X Z Popis atomu • Atom libovolného prvku je možno popsat pomocí nukleonového a protonového čísla: Počet neutronů v jádře atomu stejného prvku může být různý; (izotopy daného prvku). Počet protonů v jádře atomu stejného prvku je vždy stejný; u elektroneutrálního atomu udává Z i počet elektronů.

22. Popis složení jádra • Protonové čísloZ – udává počet protonů, jednoznačně určuje druh atomu; zápis: 11Na (dolní index) • Nukleonové (hmotnostní) čísloA (A = Z+N) – udává počet protonů a neutronů; zápis: 23Na (horní index) • Neutronové čísloN (N=A-Z) – udává počet neutronů (u značky se neuvádí)

23. Dělení atomů podle Z a A • Prvek – látka složená s atomů se stejným protonovým číslem • atomy stejných prvků (mají stejná protonová čísla): • nuklidy = mají stejné i nukleonové číslo ( ) • izotopy = mají různé nukleonové číslo ( nebo 1735Cl, 1737Cl) • mají stejné chemické, ale různé fyzikální vlastnosti (např. hmotnost, teplota varu..)

24. Izotopy • jsou atomy se stejným protonovým číslem, ale odlišným nukleonovým číslem - liší se počtem neutronů • izotopy vodíku 12H0 11H0 13H0 + - - + + - lehký vodík deuterium tritium obr. č. 19 Izotopy vodíku

25. Dělení atomů podle Z a A • Prvek – látka složená s atomů se stejným protonovým číslem • atomy různých prvků (mají různá protonová čísla): • izobary = mají stejné nukleonové číslo ( ) • izotony = mají stejné neutronové číslo ( )

26. PAMATUJTE SI Počet protonů v jádře je shodný s počtem elektronů v obalu  atom je elektroneutrální ! obr. č. 20 Atom

27. Kladný a záporný ion Kation = více kladně nabitých částic (protonů) než záporně nabitých částic (elektronů) Anion = méně kladně nabitých částic (protonů) než záporně nabitých částic (elektronů) - - + + + + - 24He+I 24He-I - + - obr. č. 21 Ionty

28. Stabilita jádra • vazebná energie jádra = energie uvolněná při vzniku jádra (= hodnota energie, kterou je nutno dodat k jeho rozštěpení) • čím více se energie uvolní při vzniku jádra, tím je stabilnější • nejvíce energie uvolní jádro Fe (za extrémních podmínek ve středu Země)…je nejstabilnější

29. Stabilita jádra • důležitým faktorem, který rozhoduje, zda bude nuklid stabilní či ne je poměr N/Z • stabilní jsou prvky s poměrem N:Z = 1 (pro Z ≤ 20) a N:Z = 1 – 1,5 (pro Z  20) • málo stabilní prvky: • lehké prvky (He, C, O) …termonukleární reakce; • těžké prvky…rozpadají se na lehčí…jaderné reakce, …radioaktivita

30. ÚKOL Vyhledejte informace o vědci: Marie Curie – Sklodowská * základní životopisné údaje, * které objevy proslavily tuto vědkyni, * znáte knihu „Tvrdohlavá Marie“ … popisuje její život, určitě stojí za to …

31. Přirozená radioaktivita • Radius = paprsek, activus = činný • radioaktivita je schopnost nestabilního atomového jádra přeměnit se na jiné stabilnější atomové jádro za současného uvolnění radioaktivního záření obr. č. 22 Radioaktivita

32. AntoineHenri Becquerel • objevil v r. 1896 přirozenou radioaktivitu (fr. fyzik) • pozoroval záření uranu v jáchymovském smolinci (tento jev nazvali radioaktivitou až manželé Curieovi v r. 1898) obr. č. 23 A.H.Becquerel

33. Marie Curie-Sklodowská(1867-1934) • Profesorka na Sorbonně • Nobelovy ceny: 1903 za fyziku zkoumání radiačních jevů 1911 za chemii za objev radia a polonia obr. č. 24 Marie Curie-Sklodowská

34. Emitované záření je trojího druhu • záření  proud letících atomových jader helia ( ) • záření  proud rychle letících elektronů (e-) nebo pozitronů (e+ - antihmota k elektronu) • záření  elektromagnetické vlnění obr. č. 25 Typy záření

35. Typy záření obr. č. 26 Záření v magnetickém poli

36. Záření  záření  • proud letících atomových jader helia ( ) • velká kinetická energie • silné ionizační účinky • malá pronikavost, vychylují se v elektrickém i magnetickém poli obr. č. 27 Záření 

37. Záření  záření  • proud rychle letících elektronů (e-) nebo pozitronů (e+ - antihmota k elektronu) • stokrát pronikavější než  záření • vychyluje se v elektrickém i magnetickém poli obr. č. 28 Záření 

38. Záření  záření  • elektromagnetické vlnění (nevychyluje se) • nejpronikavější • má silné ionizační účinky • důsledku fotoefektu uvolňuje z látek nabité částice • neexistuje samostatně, ale doprovází vždy záření  a  obr. č. 29 Záření 

39. Pronikavost záření obr. č. 30 Pronikavost záření

40. Radioaktivní přeměny Nestabilní jádro se přemění na jiné a na jádro helia. Zářiče alfa jsou např. 235U, 238U, 234U, 241Am, 222Rn, 226Ra V jádře atomu se přemění neutron na proton za současného vyzáření elektronu a antineutrina. Zářičem beta minus je např. tritium, 40K, 234Th, 210Pb. Zářičem beta plus (vyzáření pozitronu -antielektronu) je např. 52Mn, 11C. Nestabilní, excitované jádro přechází do stavu s nižší energií vyzářením fotonu - kvanta elektromagnetické energie. Částice gama je elektromagnetické vlnění s velmi krátkou vlnovou délkou. obr. č. 31 Radioaktivní přeměny

41. 4 druhy radioaktivních přeměn animace Jaderné rovnice • přeměna  - nastává u velmi těžkých jader • přeměna + - nastává u jader, kde je více protonů než neutronů • přeměna- - nastává u jader, kde je více neutronů než protonů

42. 4 druhy radioaktivních přeměn • záchyt elektronů – nastává u jader, které mají více protonů než neutronů – na prázdné místo po elektronu přejde elektron z vyšší slupky (o vyšší energii) a přebytek energie se vyzáří ve formě Roentgenova záření (silně pronikavé, vzniká tedy v elektronovém obalu)

43. 4 druhy radioaktivních přeměn • přeměna  - radioaktivní rozpad je doprovázen zářením γ tehdy, když produkt rozpadu není ve svém základním stavu a přebytek energie vyzáří zářením (záření γ vzniká v jádře)

44. Umělá radioaktivita • existuje u radionuklidů připravených uměle jadernými reakcemi • objevili ji r. 1934 manželé Frédéric a IréneJoliot-Curieovi při ostřelování hliníku částicemi  vznikající nuklid fosforu v přírodě neexistuje, je zářičem + s poločasem rozpadu T=130s • radioaktivní fosfor se dále rozpadá za vzniku křemíku

45. Irène Curie a FrédéricJoliot • objevili v r. 1934 umělou radioaktivitu obr. č. 32 Irène Curie a FrédéricJoliot

46. Zákon radioaktivního rozpadu • pro všechny druhy radioaktivního rozpadu platí zákon radioaktivního rozpadu: • N0…počáteční počet atomů radionuklidu • N…počet atomů radionuklidu v čase t • λ…přeměnová (rozpadová) konstanta

47. Měření radioaktivity • nejčastěji tzv. poločas rozpadu: • doba, za kterou se z výchozího počtu atomů přemění právě polovina (čas potřebný k rozpadu poloviny původního počtu radioaktivních jader) • Po…3·10-7s, 222Rn…4 dny; Ra…1590 let, 235U…7.1·108 let, 14C…5730 let

48. Poločas rozpadu obr. č. 33 Poločas rozpadu

49. Rozpadové řady • rozpadem atomového jádra nemusí vzniknout stabilní prvek, ale zase radioaktivní, jenž se dále rozpadá – tak se vytváří tzv. rozpadové řady • uranová 238U → 206Pb (přírodní) • aktinouranová235U → 207Pb (přírodní) • thoriová232Th → 208Pb (přírodní) • neptuniová237Np → 209Bi (umělá)

50. obr. č. 34 Rozpadové řady