cała lekcja do pobrania

Budowa atomu
Jak to się stało, że nie możemy (do dzisiaj) dostrzec atomów gołym (ani nawet uzbrojonym w najlepszy
mikroskop) okiem, udało się wymyślić, jak jest zbudowany? Oczywiście nie interesują nas rozważania
starożytnych i średniowiecznych filozofów, ale odkrycia współczesnych fizyków, ich konkretne badania i
wnioski.
Pierwsze przesłanki dał naukowcom Mendelejew, który w połowie XIX wieku odkrył prawa okresowości
pierwiastków i poukładał je, zgodnie z ich własnościami w tablicę. Wtedy też fizycy zdali sobie sprawę, że
atomy nie mogą być tą najmniejszą i najprostszą formą materii (jak powszechnie uważano) lecz muszą być
zbudowane z jeszcze prostszych cegiełek, które nadają im określone własności chemiczne i fizyczne.
Pod koniec XIX wieku John Thomson odkrył elektron. Istnienie jądra atomowego zostało stwierdzone
w 1911 roku, kiedy to Ernest Rutherford bombardował cząstkami alfa folię ze złota i wykrył, że większość z
nich przechodzi przez materię bez problemu, a tylko niektóre z nich odchylają się lub nawet odbijają. Na tej
podstawie wysnuł wniosek, że cała masa (i dodatni ładunek) atomu skupiona jest w jednym miejscu. Proton
został odkryty w 1914 roku przez Ernesta Marsdena. Na odkrycie neutronu trzeba było czekać do 1932 roku,
kiedy to wyniki swoich prac opublikował James Chadwick. Gdy już wydawało się, że to może być koniec,
pojawiły się kolejne badania i odkrycia nowych „cegiełek”, z których składa się nasz świat.
Widma promieniowania ciał
Rozgrzane ciała stałe promieniują różnymi kolorami. To zjawisko znane było już od wielu lat i
wykorzystywane do np. określania temperatury stali w hutach. Gazy natomiast, pobudzone do świecenia (po
rozgrzaniu lub przez wyładowania elektryczne) emitują światło, które po rozszczepieniu na pryzmacie daje nam
nie obraz ciągły (jak w przypadku ciał stałych) lecz pojedyncze,
kolorowe prążki. Przy czym każdy gaz ma swoje
charakterystyczne
linie.
Rysunek
obok
przedstawia
charakterystyki widmowe wybranych gazów.
Na podstawie swoich badań, w 1885 roku Johann Balmer
wymyślił wzór opisujący linie widmowe dla wodoru (R - stała
Rydberga R=1,0974·107m-1, λ- długość fali.). Najpierw odkryto
serię prążków w zakresie światła widzialnego (seria Balmera), kilka
lat później kolejne serie dla wodoru. Ich nazwy pochodzą od
nazwisk odkrywców:
1
1 
1
seria Lymana
 R 2  2  - nadfiolet, n=2,3,4…

n 
1
1
1 
 1
seria Balmera
 R 2  2  - światło widzialne, n=3,4,5…

n 
2
1
1 
1
seria Paschena
 R 2  2  - podczerwień, n=4,5,6…

n 
3
i kolejne leżące w dalekiej podczerwieni, z kolejnymi numerami w mianowniku.
Znając charakterystykę widmową, można bardzo dokładnie wyznaczyć zawartość danego pierwiastka w
substancji. W ten sposób astronomowie potrafią wyznaczyć skład chemiczny zewnętrznych warstwo bliskiego
słońca i bardzo odległych gwiazd. Za pomocą łuku elektrycznego można pobudzić do świecenia nie tylko
atomy gazów, ale także substancji stałych i w ten sposób badać ich zawartość.
Model Bohra budowy atomu
Na początku XX wieku fizycy wiedzieli już, że atomy składają się z jądra i otaczających go elektronów.
Wyobrażano sobie, że są one rozmieszczone jak „rodzynki w cieście”. Znane były też rozważania Maxa
Plancka i Alberta Einsteina na temat kwantowej natury promieniowania.
Z wzorów Balmera wynika, że atom gazu może emitować promieniowanie tylko o ściśle określonej
długości fali, co wiąże się z konkretną wartością energii. W 1913 roku Nils Bohr ogłosił swoją teorię, w której
opisał swój model budowy atomu wodoru. Swoje rozważania oparł o serie widmowe. Bohr powiązał je z
krążącymi wokół jądra elektronami i wymyślił, że mogą one krążyć tylko po określonych orbitach, a każdy
przeskok elektronu z orbity na inną skutkuje promieniowaniem lub pochłanianiem porcji energii (stąd
właśnie prążki w konkretnych kolorach). Są to tzw. postulaty Bohra dotyczące budowy atomu wodoru. Zgodnie
z tymi postulatami energia, moment pędu i promień orbity elektronu są skwantowane, czyli przyjmują
konkretne wartości. Bohr wyliczył również promienie orbit i energie elektronów na orbitach.
Budowa atomu w ujęciu mechaniki kwantowej
W 1925 roku Erwin Schrödinger zaproponował nowy model budowy atomu wodoru. Wykorzystał teorię
o falowej naturze materii postulując, że poruszający się po orbicie elektron tworzy stojącą falę materii.
Równania przez niego wyprowadzone (wyższa matematyka) również pokazują, że elektron może poruszać się
wokół jądra w ściśle określonych obszarach – nie orbitach, ale raczej pasmach. Biorąc pod uwagę teorię
nieoznaczoności Heisenberga mówimy raczej o prawdopodobieństwie znalezienia się elektronu w określonym
miejscu. Analizując bardziej szczegółowo równanie Schrödingera można wyciągnąć dodatkowe wnioski o
kwantowej naturze elektronu w atomie wodoru. Opisując stan elektronu mówimy o liczbach kwantowych:
główna - n - mówi o energii elektronu na orbicie (numerujemy 1,2,3,4… mówimy powłoka K, L, M, N, O, P)
orbitalna - l - opisuje moment pędu elektronu (0,1,2, 3, 4, 5, 6; podpowłoka s, p, d, f, g, h, i)
magnetyczna - ml – opisuje zmiany stanu elektronu w zewnętrznym polu magnetycznym (-3,-2,-1,0,1,2,3)
spinowa - ms – (tzw. spin) określa wirowanie elektronu wokół własnej osi (-1/2 i +1/2)
Atomy wieloelektronowe
Jeżeli atom zawiera wiele elektronów to
nie możemy ich rozróżnić (jak np. dwie różne
piłki tenisowe na korcie). Nie możemy opisać
ich położenia i prędkości w dowolnym
momencie
ogranicza
nas
zasada
nieoznaczoności. Nie oznacza to jednak, że
elektrony mogą przyjmować dowolne stany
spośród
przedstawionych
wyżej
liczb
kwantowych. Gdyby tak było, mogło by się
okazać, że większość z nich znajduje się na orbicie najmniejszej, bo wtedy energie są minimalne lub na
najwyższych, po dostarczeniu im energii. W rzeczywistości atomy (mimo różnej liczby elektronów na orbitach)
mają bardzo podobne rozmiary. Aby wyjaśnić ten fakt Wolfgang Pauli zaproponował w 1925 roku, że w
stanie kwantowym opisanym czterema liczbami kwantowymi może znajdować się w danej chwili tylko
jeden elektron. Jest to tzw. zakaz Pauliego.
Atom helu na przykład ma dwa elektrony i jeśli trzy liczby kwantowe są identyczne, to elektrony muszą
różnić się przynajmniej spinem. Z obliczeń wynika również, że stany energetyczne poszczególnych powłok i
podpowłok zachodzą na siebie i z tego powodu elektrony nie obsadzają ich kolejno w poszczególnych atomach.
Taki sposób obsadzania poszczególnych powłok i podpowłok ma duży wpływ na własności chemiczne
substancji. Każda grupa pierwiastków (pionowa kolumna w układzie okresowym) ma podobne
rozmieszczenie elektronów na najbardziej zewnętrznych orbitach.
Tabele przedstawiają możliwe
stany energetyczne i ilości
elektronów na poszczególnych
powłokach zgodnie z zakazem
Pauliego.
Struktura wewnętrzna ciał stałych
Własności fizyczne i chemiczne zależą od budowy
wewnętrznej atomu. Jeżeli przyjrzymy się dokładniej, to
okaże się, że wiele cech zależnych jest od zewnętrznych
poziomów energetycznych, które w sieciach krystalicznych
tworzą pasma energetyczne.
Przewodniki. Jeżeli te zewnętrzne pasma (walencyjne) będą wypełnione niesparowanymi elektronami
(nie wypełnione do końca powłoki), to sieć zawierała będzie nadmiar wolnych elektronów, które umożliwiają
przewodzenie prądu elektrycznego (np. aluminium, miedź, srebro, złotu itp.). Jeżeli sieć krystaliczną utworzą
atomy różnych pierwiastków (nawet o niewypełnionych do końca powłokach), które wzajemnie uzupełnią
swoje powłoki zewnętrzne, to taka sieć nie będzie przewodziła prądu (np. NaCl).
Kolory. Dlaczego ciała stałe (w większości) są nieprzeźroczyste? Światło jest strumieniem fotonów.
Większość ciała stałych posiada swobodne elektrony, które pochłaniają te kwanty promieniowania
(zwiększając swoją energię). Nic nie przedostaje się na drugą stronę, więc ciało jest nieprzeźroczyste. Kryształ
jest przeźroczysty dla światła, jeżeli pasmo pochłanianej energii nie obejmuje wszystkich fotonów. Szkło
przepuszcza prawie cały zakres światła widzialnego lecz pochłania część promieniowania ultrafioletowego lub
podczerwonego w zależności od zanieczyszczeń. Czasem może zdarzyć się, że pasmo pochłaniania obejmuje
tylko część wartości energii niesionych przez fotony – kryształ rubinu pochłania cały zakres promieniowania z
wyjątkiem światła czerwonego.
Laser
Słowo laser powstało od pierwszych
liter angielskiego określenia: „wzmocnienie
światła
przez
wymuszoną
emisję
promieniowania”. Już w 1919 roku Einstein
stwierdził, że elektron w atomie przechodzi
na wyższy poziom w wyniku pochłonięcia
odpowiedniej dawki energii (fotonów).
Znajduje się wtedy w stanie wzbudzonym
(nietrwałym) i po chwili powraca na swój
podstawowy poziom emitując kwant
energii.
Jak jednak sprawić, aby duża liczba elektronów w atomach tzw. ośrodka czynnego lasera została
wzbudzona i żeby taki stan mógł utrzymywać się przez dowolnie długi okres? W warunkach laboratoryjnych
udało się tego dokonać dopiero w roku 1954. W laserze ośrodek czynny otoczony jest dwoma lustrami (jedno z
nich jest półprzepuszczalne), które odbijają światło wyemitowane przez wzbudzone początkowo atomy. Aby
laser działał sprawnie, wzbudzone atomy muszą emitować energię, która potrafi wzbudzić kolejne atomy i
dodatkowo wyemitować kwanty energii, która zostanie przepuszczona przez jedno z luster. Dzieje się tak, gdyż
ustawione w odpowiedni sposób lustra, wielokrotnie odbijają fotony krążące w ośrodku. Ponieważ fotony
przepuszczane są tylko w jednym kierunku i mają jednakową energię, dlatego światło lasera jest bardzo silną i
skoncentrowaną monochromatyczną (jednokolorową) wiązką.
Zastosowanie laserów
Poligrafia począwszy od naświetlania filmów, poprzez różnego rodzaju drukarskie maszyny offsetowe, aż
po zwyczajne urządzenia ksero i drukarki laserowe. Znakowanie produktów przez wypalanie cienkiej warstwy
na materiale lub odbarwienie. Magazynowanie danych cyfrowych. Laserowe przesyłanie energii – prowadzi się
badania nad prototypami takich urządzeń. Laserowe cięcie, spawanie, drążenie i hartowanie metali. Dalmierze
laserowe, mierniki wysokości i szybkości lotu (lotnictwo), laserowe wskaźniki celu (wojsko). Laserowe łącza
telefoniczne i internetowe, telekomunikacja. Medycyna laserowa: cięcie i odparowanie tkanek podczas
operacji, oświetlanie pola operacji. Laserowe efekty wizualne, wskaźniki do prezentacji. Pomiary geodezyjne,
poziomice laserowe.
Zadanie
Oblicz długość fal odpowiadającą linii widmowej w serii Balmera dla n=3
Podsumowanie
Każdy pobudzony do świecenia atom emituje promieniowanie o charakterystycznym układzie linii widmowych. Analiza linii
widmowych pozwala wykryć obecność i jego ilość pierwiastka w badanym materiale. W atomie wodoru energia elektronu jest
skwantowana i zależna od orbity, po której krąży. Gdy elektron przechodzi z orbity niższej na wyższą następuje absorpcja
(pochłanianie) promieniowania, gdy z wyższej na niższą następuje emisja (wypromieniowanie) energii. Atomy mogą pochłaniać tylko
takie porcje energii, które potem mogą wypromieniować. Obsadzanie poziomów energetycznych w atomach odbywa się zgodnie z
zakazem Pauliego. Własności fizyczne i chemiczne pierwiastków zależą od rozmieszczenia elektronów na powłokach. W sieciach
krystalicznych pojedyncze poziomy energetyczne zachodzą na siebie tworząc pasma energetyczne zajmowane przez dużą liczbę
elektronów. Światło lasera jest wymuszone, monochromatyczne i rozchodzi się wzdłuż linii prostej.