„Cel fizyki: ująć przyrodę jako różne przejawy tego samego zespołu

Atom
Aleksander Gendarz
„Cel fizyki: ująć przyrodę jako różne
przejawy tego samego zespołu praw.” Richard Feynman
Geneza słowa atom
 Słowo atom pochodzi z greckiego
ἄτομος − átomos (od α-, „nie-” +
τέμνω − temno, „ciąć”),
oznaczającego coś, czego nie da się
przeciąć ani podzielić.
Teoria naukowa atomu
 W 1789 roku Antonie Lavoisier odkrył prawo
zachowania masy i zdefiniował pierwiastek
chemiczny jako podstawową substancję, która nie
może już być rozdzielona metodami chemicznymi.
 1803 roku John Dalton skorzystał z koncepcji
atomów do wytłumaczenia, czemu pierwiastki
wchodzą w reakcje w stosunkach ilościowych
dających się przedstawić w postaci niewielkich liczb
naturalnych i czemu jedne gazy łatwiej się
rozpuszczają w wodzie niż inne. Postawienie tych
hipotez uczyniło Daltona twórcą współczesnej teorii
atomów .
Wewnętrzna struktura
 W 1897 roku J. J. Thomson odkrył
elektrony i doszedł do wniosku, że
znajdują się one w każdym atomie.
 Stworzył pierwszy model atomu (slajd
5), w którym ujemnie naładowane
elektrony unoszą się w jednorodnej,
dodatnio naładowanej kuli.
Model atomu J. J. Thomsona –
„Ciasto z rodzynkami”
Wewnętrzna struktura
 Model ten obalili w 1909 roku Hans Geiger ,
Ernest Marsden i Ernest Rutherford, gdy
bombardując folię cząstkami alfa odkryli, że
niewielka część cząstek alfa jest odbijana,
co było sprzeczne z przewidywaniami w
modelu Thomsona.
 Na podstawie tych wyników Rutherford
stworzył nowy model atomu, w którym
dodatni ładunek i większość masy atomu są
skupione w niewielkim jądrze w jego
centrum, a ujemnie naładowane elektrony
krążą wokół jądra.
Model atomu Rutherforda
Wewnętrzna struktura
 W 1913 roku fizyk Niels Bohr zaproponował
wyjaśnienie występowania linii spektralnych
w widmach emisyjnych pierwiastków przez
wprowadzenie hipotezy istnienia zestawu
dopuszczalnych orbit, na których mogą
krążyć elektrony wokół jądra atomowego.
 W jego modelu każdy elektron musiał
zaabsorbować lub wyemitować foton o
określonej energii, żeby przeskoczyć
między orbitami
Model atomu Bohra
Wewnętrzna struktura
 W 1924 roku Luis de Broglie zaproponował, że
wszystkie cząstki mogą zachowywać się jak fale.
 W 1926 roku Erwin Schrödinger rozwinął ten pomysł,
przedstawiając matematyczny model atomu, w którym
ruch elektronów został opisany funkcjami fal stojących.
Konsekwencją opisywania cząstek jako fali było to, że
matematycznie niemożliwe stało się jednoczesne
określenie ich położenia i pędu, co zostało
sformułowane jako zasada nieoznaczoności przez
Wernera Heisenberga w 1926 roku. Zgodnie z nią,
zwiększając precyzję pomiaru położenia, zmniejsza się
jednocześnie precyzję pomiaru pędu i vice versa.
 Umożliwiło to rozwiązanie problemów, które
napotykały wcześniejsze modele przy wyjaśnianiu linii
spektralnych atomów cięższych od wodoru. Obecnie
przyjmuje się go za obowiązujący
Spektrometr mas
 Wynalezienie spektrometru mas umożliwiło dokładne
zmierzenie bezwzględnych mas atomowych.
 Urządzenie to wykorzystuje pole magnetyczne do
odchylenia trajektorii jonów, a stopień odchylenia
zależy od stosunku ładunku jonu do jego masy.
 Francis William Aston jako pierwszy udowodnił przy
jego użyciu, że izotopy mają różne masy i że różnice
w ich masach są wielokrotnościami tej samej masy.
 W 1932 roku fizyk James Chadwick wyjaśnił te
różnice odkrywając neutron – elektrycznie obojętną
cząstkę podobną do protonu. Izotopy okazały się
atomami o tej samej liczbie protonów, ale
różniącymi się liczbą neutronów w jądrze.
Składniki atomu – cząstki
subatomowe





Mimo że słowo atom pierwotnie oznaczało cząstkę, której
nie da się podzielić na mniejsze, współcześnie nazywa się
nim strukturę zbudowaną z mniejszych cząstek:
elektronów, protonów, neutronów.
Elektron jest najmniej masywną z tych trzech cząstek, z
masą 9,11×10−31 kg. Posiada ujemny ładunek i rozmiary
zbyt małe, aby dało się je określić przy użyciu
współczesnych metod.
Protony posiadają dodatni ładunek i masę około 1836 razy
większą od elektronów: 1,6726×10−27 kg.
Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego i są około
1839 razy cięższe od elektronu, z masą 1,6929×10−27 kg.
Masa protonów i neutronów wewnątrz jądra jest
pomniejszona o energię wiązania. Neutrony i protony mają
podobne średnice, rzędu 2,5×10−15 m jednak z powodu ich
wewnętrznej struktury trudno zdefiniować, co jest ich
„powierzchnią
Składniki atomu – cząstki
subatomowe
 Według Modelu Standardowego protony i neutrony są
zbudowane z kwarków.
 Kwarki stanowią jedną z podstawowych grup cząstek
tworzących materię (drugą są leptony). Istnieje sześć
typów kwarków, każdy posiada ułamkowy ładunek
elektryczny.
 Protony są zbudowane z dwóch kwarków górnych (o
ładunku +2/3) i jednego kwarku dolnego (o ładunku
−1/3).
 Neutrony są zbudowane z jednego kwarka górnego i
dwóch dolnych.
 Ta różnica odpowiada za różnicę w masach i ładunku
tych dwóch cząstek. Kwarki są powiązane ze sobą silnym
oddziaływaniem jądrowym, którego nośnikiem są gluony.
Gluony są bozonami chechowania – podstawowymi
cząstkami przenoszącymi oddziaływania fizyczne.
Właściwości - masa


Protony i neutrony odpowiadają za ponad 99,9% masy
atomu, a ich masa jest w przybliżeniu taka sama. Dlatego
sumaryczna liczba protonów i neutronów nazywana jest
liczbą masową. Masa spoczynkowa atomów wyrażana jest w
jednostkach atomowych (u), zdefiniowanych jako 1/12
masy atomu węgla-12, czyli około 1,66×10−27 kg. W tych
jednostkach masa każdego atomu jest w przybliżeniu równa
jego liczbie masowej.
Dlatego, że w chemii używa się makroskopowych ilości
atomów, chemicy używają dodatkowej jednostki: mola.
Jeden mol to około 6,022x1023 cząstek. Liczba ta została
dobrana w ten sposób, żeby mol atomów o liczbie masowej
1 miał masę zbliżoną do 1 grama. Ze względu na to, że
dokładny pomiar liczby atomów w 1 gramie wodoru-1 jest
problematyczny, za podstawę skali względnej masy
atomowej przyjęto założenie, że 1 mol to taka liczba
atomów, jaka znajduje się w 12 gramach izotopu węgla-12.
Właściwości - wielkość i kształt


Atomy nie mają dokładnie określonych granic, ich rozmiary są
określane w sposób umowny, na podstawie odległości od atomów,
z którymi tworzą wiązania chemiczne. Odpowiada to zwykle
średniej odległości, na jakiej znajdują się elektrony na najdalszej
powłoce. W układzie okresowym średnice atomów wewnątrz każdej
grupy rosną wraz z liczbą obsadzonych powłok, jednak maleją
wewnątrz okresu wraz ze zwiększeniem liczby protonów (ponieważ
jądro przyciąga elektrony mocnej i rozmiary powłok maleją).
Dlatego najmniejszą średnicę ma hel – około 62 pm, a największą
cez − około 520 pm.
Przyjmuje się, że w pustej przestrzeni atomy w stanie
podstawowym mają kształt kuli. Pod wpływem pól elektrycznych te
kształty mogą się jednak zmieniać. Stopień odkształcenia zależy od
siły pola i typu zewnętrznej powłoki elektronowej atomu. Ponieważ
rozmiary atomów są tysiące razy mniejsze od długości fali światła
widzianego (400–700 nm), nie można dostrzec pojedynczych
atomów za pomocą mikroskopu optycznego. Wizualizację
pojedynczych atomów umożliwia skaningowy mikroskop tunelowy.
Właściwości - rozpady
radioaktywne




Najbardziej powszechne typy rozpadów radioaktywnych to:
Rozpad alfa – polegający na emisji cząstki alfa, czyli jądra helu,
składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów. W jego
wyniku liczba masowa jądra maleje o 4.
Rozpad beta – wywoływany przez oddziaływanie słabe, polegający
na przekształceniu neutronu znajdującego się w jądrze w proton
albo protonu w neutron. W pierwszym przypadku emitowany jest
elektron i antyneutrio (rozpad β−), w drugim przypadku pozyton i
neutrio (rozpad β+). Elektron i pozyton nazywane są cząstkami
beta. Taki rozpad zwiększa (β−) albo zmniejsza (β+) liczbę
atomową jądra, nie zmieniając jego liczby masowej. Rozpad β+
zachodzi tylko w sztucznie wytworzonych jądrach z nadmiarem
protonów, np. 137N.
Emisja gamma – polegająca na emisji promieniowania gamma w
wyniku przejścia nukleonu na niższy poziom energetyczny w
jądrze. Taki rozpad nie zmienia liczby atomowej ani masowej
jądra. Zwykle następuje po rozpadzie alfa albo beta, po którym
jądro pozostało w stanie wzbudzonym.
Stany skupienia atomów
 Grupy atomów mogą znajdować się w
różnych stanach skupienia, w zależności od
warunków takich jak temperatura i
ciśnienie.
 Zmieniając te warunki, można wywoływać
przejścia między stanem stałym, ciekłym,
gazowym i plazmą.
 W temperaturach bliskich zera
bezwzględnego niektóre atomy mogą
tworzyć kondensat Bosego-Einsteina, w
którym wszystkie zachowują się jak jeden
superatom.
Dziękuję za uwagę
Aleksander Gendarz