Adobe Systems Define footer – presentation title / department 1 2 Hmota a energie ØVše je tvořeno stejnými základními částicemi hmoty (látkou) a stejnými energetickými poli/silami, což též znamená, že základní strukturní prvky organického a anorganického světa jsou totožné. ØŽivá hmota se liší od hmoty neživé především svým mnohem vyšším stupněm uspořádanosti. Ø ØPozn.: Tato přednáška nenahrazuje systematický výklad problémů kvantové fyziky!!☺ 3 Elementární částice hmoty ØElementární (tj. nemající vnitřní strukturu) částice hmoty jsou leptony a kvarky. Jsou označovány i jako základní částice. ØLeptony – elektrony, miony, neutrina a jejich antičástice – lehké částice bez vnitřní struktury ØKvarky (u, c, t, d, s, b) – těžší částice bez vnitřní struktury ØHadrony – těžké částice tvořené kvarky, např. proton (u, u, d), neutron (d, d, u) Ø [USEMAP] 4 Čtyři základní interakce / energie / silová pole gravitační elektromagnetická silná slabá Uvádí se, že při interakční vzdálenosti objektů řádově 10-24 m je přibližný poměr silového působení silné, slabé, elektromagnetické a gravitační interakce dán poměrem 1 : 10-5 : 10-2 : 10-39, při vzdálenosti řádově 10-18 m (1/1000 rozměru jádra atomu) je to 10-7 : ~0 : 10-9 : 10-46. Při vzdálenosti odpovídající rozměrům jádra se blíží k nule i velikost silné interakce. 5 Fotony ØFotony – energetická kvanta elektromagnetického pole, mají nulovou klidovou hmotnost, chovají se ale někdy jako částice s nenulovou klidovou hmotností. ØEnergie (jednoho) fotonu: E = h·f = h·c/l h je Planckova konstanta (6,62·10-34 J·s), f je frekvence, c rychlost světla ve vakuu l vlnová délka 6 Částice a energetická kvanta pole Částice látky a energetická kvanta (fotony) mají schopnost vzájemné transformace (např. elektron a pozitron se při tzv. anihilaci transformují ve dva fotony záření gama – tohoto jevu se využívá v zobrazení pomocí PET – pozitronové emisní tomografie!). 7 Electron diffraction pattern Kvantová mechanika Chování souborů určitého druhu částic lze popsat rovnicemi, které se podobají rovnicím pro popis vlnění. (http://www.matter.org.uk/diffraction/electron/electron_diffraction.htm) Vidíme obrazec vytvořený na fotografické desce souborem elektronů, který prošel krystalovou mřížkou. Obrazec je velmi podobný difrakčním interferenčním obrazcům tvořeným vlnami, např. světlem, po průchodu optickou mřížkou, což je jedním z důkazů vlnových vlastností částic! 8 kag10602_e kag10601_e Kvantová mechanika (nahlednutí) tunelový jev: kag10602_e kag10601_e 9 Kvantová mechanika: Heisenbergovy relace (vztahy) neurčitosti dr·dp ≥ h/4p dEdt ≥ h/4p Poloha r a hybnost p částice nemohou být současně změřeny s na sobě nezávisející přesností (jestliže neurčitost polohy částice – dr – je zmenšena, neurčitost hybnosti částice – dp – automaticky roste), h je Planckova konstanta. To stejné platí pro současné měření změny energie dE a času dt nutného pro tuto změnu. (jde o zjednodušený zápis relací) 10 Schrödingerova rovnice (k obdivování) „jednorozměrná“ S. rovnice Kulové (radiální) souřadnice elektronu v atomu vodíku Y - vlnová funkce S. rovnice pro elektron ve vodíkovém atomu podle http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/hydsch.html 11 Řešení Schrödingerovy rovnice ØŘešení Schrödingerovy rovnice pro elektron ve vodíkovém atomu vede k hodnotám energie orbitálního elektronu. ØŘešení Schrödingerovy rovnice často vede k číselným koeficientům, které určují možné hodnoty energie. Tyto numerické koeficienty se nazývají kvantová čísla. 12 Kvantová čísla ØHlavní n = 1, 2, 3 …. (K, L, M, ….) ØVedlejší – pro každé n l = 0, 1, 2, …. n – 1 (s, p, d, f …) ØMagnetické – pro každé l m = 0, ±1, ±2, …±l ØSpinové magnetické – pro každé m s = ±1/2 Ø ØPauliho vylučovací princip – v jednom elektronovém obalu atomu nemohou být přítomny dva nebo více elektronů se stejnou kombinací kvantových čísel. (Pauliho princip má však obecnější platnost!) 13 Ionizace atomů • • • • • • Příklad ionizace: fotoelektrický jev hf = Ev + ½mv2 Vazebná energie elektronu Ev je energie, která by byla nutná pro uvolnění elektronu z atomu – závisí především na hlavním kvantovém čísle. Sekundární elektron Primární foton excitace ionizace 14 Emisní spektra Dexcitační procesy mezi diskrétními energetickými hladinami atomů v plynném skupenství vedou k emisi fotonů s pouze určitými energiemi, tj. k záření o jisté frekvenci, resp. vlnové délce. Shoda s výpočtem podle S. rovnice je u vodíku dokonalá! štěrbiny hranol Vodíková výbojka Viditelné emisní spektrum vodíku http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch6/bohr.html 15 Spektrum vodíku ještě jednou fialová, modrozelená a červená spektrální čára podle: http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH07/FG07_ 19.JPG 16 Excitační (absorpční) spektra atomů Absorpční čáry ve viditelném spektru slunečního světla. Vlnové délky jsou udány v angströmech (1 Å = 0,1 nm) http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/07.html Přechody mezi diskrétními energetickými stavy atomů!! 17 Excitační (absorpční) spektrum molekul – má pásový charakter Podle: http://www.biochem.usyd.edu.au/~gareth/BCHM2001/pracposters/dyeZ.htm 18 Jádro atomu Protonové (atomové) číslo – Z Nukleonové (hmotnostní) číslo – A Neutronové číslo – N N = A - Z Atomová hmotnostní jednotka u = 1,66·10-27 kg, tj. 1/12 hmotnosti atomu uhlíku C-12 Elektrický náboj jádra Q = Z·1,602·10-19 C Jestliže relativní hmotnost elektronu = 1 Þ relativní hmotnost protonu = 1836 Þ relativní hmotnost neutronu = 1839 19 Hmotnostní defekt jádra = měřítko stability jádra: dm = (Zmp + Nmn) - mj Zdroj: http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH19/FG19_ 05.JPG http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH19/FG19_ 06.JPG Uvažujeme hmotnosti protonu, neutronu a jádra. 20 Nuklidy Ønuklid – jádra se stejnými hodnotami A, Z a energie ØIzotopy - nuklidy se stejným Z ale různým A ØIzobary – nuklidy se stejným A ale různým Z ØIzomery – nuklidy se stejným Z a A, avšak s různou energií (např. Tc99m používané v nukleární medicíně) 21 Izotopové složení rtuti % zastoupení izotopu v přírodě v závislosti na nukleonovém (hmotnostním) čísle Podle: http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH07/FG07_ 08.JPG • • • • • 22 Co je ještě nutné znát? ØRadionuklidy – nuklidy schopné radioaktivní přeměny ØJaderný spin: I jádra atomů mají pohybovou vlastnost zvanou spin. Jestliže je hodnota spinu nenulová, jádra mají magnetický moment, tj. chovají se jako malé magnety. Tuto jejich vlastnost využíváme v NMR – nukleární magnetické resonanční spektroskopii – a u zobrazení pomocí magnetické rezonance (MRI) v radiologii. Adobe Systems 23 Autor: Vojtěch Mornstein Obsahová spolupráce: Carmel J. Caruana Grafika: Lucie Mornsteinová Poslední revize: září 2024 >