Stavba atomu, radioaktivita
Vývoj názoru na stavbu hmoty
Již v 5. st. př. n. 1. zastávali řečtí filozofové Leukippos a Demokritos názor, že všechny látky se skládají z malých a nedělitelných částic – atomů (od řeckého atomos = nedělitelný). Tento názor nebyl dlouhou dobu uznáván. Až počátkem 19. st. byla J. Daltonem vypracována tzv. Atomová teorie, která říkala, že nejmenší částicí je atom skládající se z ještě menších částic, které se nedají chemicky oddělit.
Struktura atomu
Výzkumy provedenými počátkem 20. st. se ukázalo, že atomy chemických prvků se skládají z kladně nabitého jádra, v němž je soustředěna většina hmotnosti atomu, a ze záporně nabitého obalu.
Jádro atomu
Jádro atomu je tvořeno protony, částicemi s jednotkovým kladným nábojem, a neutrony, které jsou bez náboje.
Celkový počet protonů v jádře atomu bývá označován jako protonové číslo a značí se písmenem Z (zapisuje se pomocí dolního indexu před značkou prvku, např. 6C, 7N... Počet neutronů v jádře vyjadřuje neutronové číslo, které se značí písmenem N a u značky ky prvků se neuvádí.
Protony a neutrony se souhrnně nazývají nukleony (z lat. nucleus = jádro) a jejich počet v jádře vyjadřuje nukleonové číslo A (zapisuje se před značkou prvku pomocí horního
indexu, např. 12C, 32S...) a platí: A = Z + N
Množina atomů mající stejné protonové a neutronové číslo se nazývá nuklid. Nuklid je např. soubor atomů kyslíku 1680, jiným nuklidem je soubor atomů 1780 nebo 402oCa aj.
Elektronový obal atomu
R. 1911 vytvořil E. Rutherford nový planetární model, podle kterého kolem jádra obíhají elektrony v určitých drahách. Dánský fyzik N. Bohr tuto teorii rozšířilo teorii kvantování. Tyto teorie zastaraly po objevení dualistické povahy elektronu, která se projevuje v tom, že elektron kromě svých korpuskulárních vlastností (hmotnost, el, náboj) má vlastnosti vinění. Obal atomu je tvořen. částicemi – elektrony, které mají jednotkový záporný náboj a jejich klidová hmotnost je přibližně 1840krát menší než hmotnost protonu.
Stavba elektronového obalu atomu podmiňuje chemické vlastnosti každého prvku.
Orbital je definován jako část prostoru v okolí jádra atomu, ve kterém se elektron vyskytuje s 95% pravděpodobností.
• Kvantová čísla
Kvantová čísla jsou 4 a slouží k popisu elektronu v obalu.
Pauliho princip výlučnosti: neexistují dva elektrony, které by měly všechna kvantová čísla stejná.
a) Hlavní kvantové číslo n –rozhoduje o energii elektronu a rovněž o jeho vzdálenosti od jádra (hadina, ve které se elektom nachází). Nabývá vždy kladných celočíselných hodnot. Někdy se čísla nahrazují velkými písmeny (1 K, 2 L, M ...). 49m více je elektron vzdálen od jádra, tím větší má
energii a tím je hodnota n větší.
b) Vedlejší kvantové číslo 1– společně s hlavním kvantovým číslem určuje
energii elektronu a rozhoduje o tvaru (typu) orbitalu. Nabývá hodnot od 0 až w ui
po n- l.
c) Magnetické kvantové číslo mi – udává orientaci orbitalů v prostoru (jeJICh vzájemnou polohu). Nabývá hodnot od –1 přes nulu do +1.
d) Spinové kvantové číslo ms (s) – charakterizuje spin (vnitřní hybnost) elektronu. Nabývá hodnot +1/2 a –1/2.
• Tvary a prostorová orientace orbitalů
a) Orbital, jehož 1 = 0, se označuje jako orbital s. Má tvar koule, jejíž poloměr se s rostoucí hodnotou n zvyšuje. Každá hladina el. obalu obsahuje pouze jeden orbital s. m = 0, s = ±1/2
c) Pro 1 = 1 je charakteristické, že v každé hladině el. obalu najdeme 3 orbitaly typu p, které mají stejnou energii, ale liší se prostorovou orientací. Označují se jako degenerované, tzn. mají stejnou hodnotu hlavního a vedlejšího čísla (tedy stejnou energii) a liší se v čísle magnetickém. m = -1, 0, 1 n = 2
c) Hodnotě 1= 2 odpovídá pět hodnot magnet. Čísla a také pět různých orbitalů
typu d, které jsou také degenerované. m= -2, -1, 0. 1, 2 n=3 3
d) Pro 1 = 3 existuje sedm degenerovaných orbitalů typu f. m=-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3 n=4
• Zápis elektronu a orbitalů
a) Zápis orbitalů pomocí rámečků – všechny orbitaly se znázorňují pomocí stejně velkých rámečků. Jednotlivé elektrony se znázorňují pomocí
b) Zápis orbitalů pomocí hlavního a vedlejšího kvantového čísla — hlavní kvantové číslo n se zapisuje velkou arabskou číslicí a za ní se malým písmenem (s, p, d, f) vyznačí typ orbitalů, určený vedlejším kvantovým čísleni. Počet el. se v orbitalech zapisuje pomocí exponentu.
hlavní kvantové počet
číslo 2elektronú
• Výstavbový princip a jiná pravidla
Pravidla, která popisujeí, jakým způsobem je el. obal zaplňován elektrony:
a) Pauliho princip výlučnosti — v jednom orbitalu mohou být maximálně dva elektrony, lišící se hodnotou spinového čísla.
b) Hundovo pravidlo — v degenerovaných orbitalech vznikají el. páry teprve po zapinění každého orbitallu jedním elektronem. Všechny nespárované elektrony mají stejný spin.
c) Orbitaly s energií nižší se zaplňují dříve než orbitaly s energií vyšší
d) Pravidlo n + 1— energie orbitalů se zvyšuje s rostoucí hodntou součtu hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Jestliže mají dva různé orbitaly stejný součet n + 1 (např. pro 3s a 2p je součet 3), potom je rozhodující hodnota hlavního kvantového čísla. Orbital, který má n nižší. má nižší energii a zapiní se dříve (2p)
Př. 3s a 3p
3s...3+0=3 3p ... 3 + 1 = 4 dříve se zapiní 3s.
Na základě pravidla n + 1 zapisujeme jednotlivé orbitaly v pořadí, v j akém budou postupně zaplňovány orbitaly.
Is 2s 2p 3s 3p 4s M 4p 5s 4d 5p 6s 4f ...
př.
9F: 1 s'2 S2 2 P5
2s
F:
9
Odvození počtu orbitalů a elektronů ve vrstvách el. obalu: počet orbitalů v každé vrstvě je dán
2
ri . Maximální počet elektronů ve vrstvě určuje 2n2.
Radioaktivita
V přírodě se vykytují prvky, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně se přeměňují. Jejich přeměnou vznikají jádra jiných prvků a uvolňuje se neviditelné záření — radioaktivita. Přirozená radioaktivita — vlastnost nestabilních nuklidů vyskytujících se v přírodě Umělá radioaktivita -- rozpad uměle připravených nuklidů, které se přírodě nevyskytují. O tom, zda bude daný nuklid stabilní nebo ne, rozhoduje poměr počtu neutronů k počtu protonů. U prvků s protonovým číslem Z20 jsou nejstabilnější ta jádra, u nichž je podíl N:Z=1.
N:Z = 1,5 ... nuklidy prvků mají stabilní jádra
N:Z > 1,5 ... nuklidy prvků jsou nestabilní a může docházet k rozpadu jader a vzniku jader nových prvků.
• Jaderné (radioaktivní) záření
Rozpad nestabilních jader bývá provázen uvolňováním (eliminací) některých částic z prostoru jádra.Existují 3 základní druhy jaderného záření:
a) Záření (a) - je tvořeno částicemi alfa. Jsou to kladně nabitá jádra He složená ze dvou protonů a dvou neutronů (42He). Toto záření má velmi malý dosah a zachytí ho i papír nebo tenká AI-fólie.
b) Záření ((3) – se dělí na (3+ a P_. Záření (3- je tvořeno proudem záporně nabitých elektronů 0-1c. Má větší pronikavost než záření a. Záření (3+ je tovřeno kladně nabitými pozitrony o +le.
c) Záření (x) - elektromagnetické vinění s velmi krátkou vinovou délkou a vysokou energií. Podobá se rentgenovému záření a jeho využití je obdobné. Je ncipronikavej§í.
• Radioaktivní rozpady
a) Rozpad (přeměna) cc – je typický pro přeměny jader těžkých kovů. Z jádra je vymrštěna částice 42He a vzniká jádro prvku, který má nukleonové číslo A o čtyři jednotky menší než původní jádro (vzniklý neklid je v period. tabulce posunut o dvě místa doleva)
AX A
-> -4 y + 2He
zZ-2
226Ra86 + 4
8, 2Hc
b) Rozpad (přemena)p-- charakteristický pro jádra nuklldú,která vybočují
3 LI N z -- - -
ILIL. Z
poclen, ncutron I
,`
proton a elektron. Proton zůstává v jádře a elektron jádro opustí. Jádro vzniklé rozpadem má o jeden proton víc (posun v period. tabulce o jedno doprava) 1n zip +e
o 1 -1
Záření o. a (3 bývá provázeno zářením yx. Nově vzniklé jádro se tak zbavuje přebytečné energie.
c) Rozpad (přeměna) (3'+ – jádra některých uměle při připravených nuklidů mají relativní nadbytek protonů. Proto může dojít k přeměně některého protonu na neutron nebo pozitron. Pozitron opouští jádro a velmi rychle zaniká rekombinací s elektronem za vzniku protonů. (Posun o jedno místo doleva)
lp >ln+O 0 +é1
Elektronový záchyt: přebytek protonů může být odstraněni tak, že proton, který je součástí jádra, zachytí některý elektron z obalu. Podle toho, v jaké vrstvě se elektron naházel, hovoříme o záchytu K, záchytu L ... (posun o jedno doleva)
oe + 1 >~ 1 n
1 1 P ?0
>-
A elektron. záchyt A
x y
z Z-1
• Poločas rozpadu z- 112
Přeměna jednoho jádra proběhne velmi rychle, ale tento děj nenastává u všech jader současně. Zavedla se proto veličina poločas rozpadu, což je doba, za kterou se rozpadne polovina přítomných jader radioaktivního neklidu. Po uplynutí lOti poločasů rozpadne radioaktivní látka prakticky „vymřelá" a zůstává v soustavě méně než 1/1000 původních atomů. Nejdelší poločasy rozpadu mají:
23290 92 Th(13,9 miliard let) 3
22 1 U(4,5 miliard let) 1195 u (710 milionů let)
