Atomová fyzika - literatura Literatura: D.Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika (Část 5: Moderní fyzika), I. Úlehla, M. Suk, Z. Trnka: Atomy, jádra, částice, Akademia, Praha, 1990. A. Beiser: Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha, 1975. L. Machala: Cvičení atomové a jaderné fyziky, Vydavatel.UP, Olomouc, 2006. M. Chown: Čarodějná pec, Praha, 2005. T. Hey, P. Walters: Nový kvantový vesmír, ARGO/Dokořán, Praha, 2005. E.V. Špolskij: Atomová fyzika, TVV 1952 Historické mezníky •Leukipos ,Demokritos (*470 př.n.l.) „Může být látka dělena do nekonečna?“ Pojem ATOM. Existují pouze atomy a prázdno. Přechod od předpokladu spojité látky ke strukturované látce. •KTL: •Bernoulli Daniel (1700- 82) – aplikoval Newtonovy pohybové zákony na pohyb atomů plynu a dospěl k měřitelné makroskopické veličině „tlak plynu“ •( •Proust Joseph L. (1754-1826) Zákon stálých poměrů slučovacích: „Poměry hmotností prvků vstupujících do sloučeniny jsou stálé“: 2H2 + O2 = 2H2O. (Hmotn.poměr prvků sloučeniny je nezávislý na přípravě sloučeniny) • •Dalton John (1802) - Zákon násobných poměrů slučovacích: „Tvoří-li prvky více sloučenin, pak jejich hmotnosti jsou vzájemně v poměrech, které lze vyjádřit malými celými čísly. • •Mendělejev Dimitrij Ivanovič (1834-1907) – periodický systém • •Brownův pohyb – objevil Brown Robert (1773-1858) v roce 1827, vysvětlil Einstein Albert (1879-1955) v roce 1905 •Skenovací tunelový mikroskop – 1978, 1986 •Existence diskrétní struktury látky je dnes experimentálně potvrzena. Myšlenkové spekulace Kinetická teorie látek spojuje makroskopicky pozorovaný stav látky s mikroskopickým pohybem částic nejjednodušší látkou je plyn Náhodné nárazy molekul plynu na stěnu se projevují jako tlaková síla F plynu na stěnu. Mění jejich počet i rychlost nárazů na stěny - tlak není konstantní, ale kolísá kolem určité střední hodnoty - jedná se o fluktuaci tlaku. Plyn obsahuje množství molekul - odchylky skutečného tlaku od jeho střední hodnoty jsou malé. Pro střední hodnotu tlaku plynu v nádobě lze odvodit tzv. základní rovnici pro tlak plynu. Chemické zákony, které podporují atomovou teorii: Proust - neměnnost hmotnostních poměrů prvků ve sloučeninách Daltonovy zákony, Daltonova atomová teorie Jevy, pro jejichž vysvětlení je zapotřebí atomové teorie: Brown.p., difuze, efuze, viskozita aj. Oxid hořečnatý Sulfid rtuťnatý •4 Dalton.teorie Hlavní předpoklady Daltonovy teorie •5 •střední kvadratická rychlost Odvození tlaku plynu a vztah pro MB četnostní rozdělení rychlostí Pravděpodobnost, že molekulu nalezneme v krychličce o velikosti dxdydz se souřadnicemi v intervalech [x, x + dx), [y, y + dy) a [z, z + dz) a zároveň s rychlostmi v intervalu [vx, vx + dvx), [vy, vy + dvy), [vz, vz + dvz), je úměrná Boltzmannovu faktoru exp (-Epot +Ekin)/kT Avogadrův zákon •Stejné objemy všech plynů obsahují za stejného tlaku a teploty vždy stejný počet molekul. • •Poměr hustot dvou plynů je tedy za stejné teploty a tlaku stejný jako poměr hmotností jejich molekul. • •Loschmidtova konstanta •Avogadrova konstanta NA představuje je celkový počet atomů v 12 gramech nuklidu uhlíku • Avogadrova konstanta je měřítkem používaným při makroskopickém a mikroskopickém pozorování přírody. Jako taková poskytuje nástroj pro vytváření vztahů mezi ostatními fyzikálními veličinami a konstantami. Loschmidtova k. vyjadřuje koncentraci částic (atomů nebo molekul) ideálního plynu při normálním tlaku a teplotě. 0 °C and 1 atm Molární plynová konstanta se vypočítá jako součin Avogadrovy konstanty N[A] a Boltzmannovy konstanty k. Boltzmannova konstanta vyjadřuje vztah mezi teplotou a energií plynu. Shrnutí Všechny látky se skládají z velmi malých, nedělitelných částic - atomů. Atomy téhož prvku jsou stejné, atomy různých prvků jsou různé a liší se svými vlastnostmi. Během chemické reakce nastává vzájemné spojování, oddělování a přeskupování atomů. Během chemické reakce atomy nevznikají, nezanikají a nemění se na atomy jiného prvku. •Hmota má atómovou a molekulovou stavbu Poměrná atomová hmotnost •Volba referenčního prvku → systém poměrných atomových hmotností •1u @ hmotnosti atomu vodíku • • •amu -chem. aktivita, velké množství sloučenin -přírodní směs nuklidů kyslíku •O •Uhlík •12C6 • •Unifikace od r.1961 • • • • • • • •Koncepce molu - určité množství entit - 1 mol C(12,6) = 12g • • •Hmotnostní číslo atomu – přirodzené číslo blízké k relat. atómovému číslu Arel •A=n+p v jadre •Látkové množství umožňuje vyjadřovat množství látky pomocí počtu částic. Jednotkou je mol. •Jeden mol je látkové množství vzorku, který obsahuje tolik částic (atomů, molekul, iontů - je třeba uvést), kolik atomů je obsaženo ve vzorku nuklidu 12C, jehož hmotnost je přesně 12 g. • •Číselná hodnota hmotnosti 1 molu látky (vyjádřená v gramech) je rovna relativní molek. či atomové hmotnosti této látky. Procvičování: http://www.mojeskola.cz/Vyuka/Php/Learning/Chemie/chemie_krokem1.php Avogadrova konstanta a Elektrolýza Elektrolýza – chemický rozklad látky el. proudem El. proud vzniká pohybom iontů. 1.Množství látky vyloučené na elektrodě závisí jen na množství prošlého náboje 2. 2. 2. Na vyloučení 1 molu jednovalentního prvku je potřeba náboj F=96 485 C (Faradayova konstanta) • • • • •počet iontů • • •hmotnost iontu • •Potřeba znát e – viz Milikan Po změření elementárního náboje elektronu e Millikanem v roce 1913 byla její hodnota vypočítána z Faradayova zákona ze vztahu NA = F/e, kde F je Faradayova konstanta a e elementární elektrický náboj. Podle Faradayova zákona elektrolýzy je k elektrochemické přeměně jednoho molu jednomocných částic zapotřebí náboje 96 487 C. U jednomocných částic tedy náboj připadající na elektrochemickou přeměnu jedné částice odpovídá náboji jednoho elektronu. stm4 Zobrazení atomů stm2 •V roce 1986 obdrželi polovinu Nobelovy ceny za fyziku dva pracovníci curyšských výzkumných laboratoří firmy IBM, pánové •Gerd Binning a Heinrich Rohrer • Mikroskop mapuje povrch vodivého vzorku pomocí změny průběhu potenciálu, resp. proudu při pohybu vodivé sondy nad vzorkem. Přesněji se jedná o závislost množství elektronů (velikosti el. proudu), které tuneluje z materiálu do hrotu sondy a jež je exponenciálně závislé na vzdálenosti. První tunelový mikroskop stm1 stm5 stm3 vzorkovací řádkovací tunelový mikroskop (STM) •Příklady použití rastrového tunelového mikroskopu stm9 •Atomy jódu na povrchu krystalu platiny stm21 Quantum_CorralIBM •Manipulace s atomy Elektronový mikroskop tem light_analogue linse •Optická soustava •Magnetické čočky •De Broglie vlna: elektron se chová jako vlnění •vlnová délka elektronu (200 keV – 6 pm) je kratší jako vlnová délka světla (550 nm) Ernst Ruska •Ernst Ruska •HRTEM - BaTiO3 •TEM - baktetie Historické mezníky •Atom – nejmenší část chemického prvku, je stavebním kamenem molekuly, je elektricky neutrální • rozměr 10-10 m = 0,1 nm = 1 Å • hmotnost 10-27 – 10-25 kg •Narušení představy o nedělitelnosti atomu - Faradayovy zákony vedení proudu v elektrolytech, náboj se přenáší ionty: kladnými – kationty, zápornými – anionty, elementární náboj 1,602·10-19 C •Thomson Joseph John (1856-1940) – objev katodových paprsků, pudinkový model atomu •Millikan Robert Andrews (1868-1953) – změřil elementární náboj, elektron: e ~ 1,602·10-19 C, me ~ 9,11 ·10-31 kg • elektron – první „elementární částice“ • obr5 • •- physics-1906-1 •Sir Joseph John Thomson •(18. prosince 1856 – 30. srpna 1940) •Nobelovu cenu získal v roce 1906 za teoretické a experimentální výzkumy elektrické vodivosti plynů. • • •- •- •+ •Pudinkový model atomu: atom má kulový •Tvar s rovnoměrným objemovým rozložením •Kladného náboje, v němž „plavou“ elektrony Historické mezníky •Přirozená radioaktivita – Bequerel Antoine Henri (1852-1908) a Rutherford Ernest (1871-1937): záření alfa, beta a gama, Marie a Pierre Curieovi abc_decay physics-1901-1 •Wilhelm Conrad Röntgen •(27. března 1845 – 10. února 1923) •Nobelovu cenu získal v roce 1901 za objev paprsků X. • • obr1 obr2