Složení a struktura atomu, radioaktivita

STAVBA ATOMU

Vývoj názorů na stavbu hmoty

• Leukippos, Démokrytés (5. – 3. stol. př. n. l.)

– látka se skládá z malých, dále nedělitelných částí

– atom = základ všeho

– řecky atomos = nedělitelný

– určující je stavba látek, ze které lze odvodit vlastnosti látek

• Platón, Aristoteles (4. – 3. stol. př. n. l.)

– rozhodující jsou vlastnosti látky, kterým se podřizuje jejich stavba

Chemické zákony

• Lemonsov, Lavoisier (1748)

– zákon zachování hmotnosti – hmotnost látek vstupujících ro reakce je rovna hmotnosti látek z ní vystupujících

• Mayer, Lemonsov (1842)

– zákon zachování energie – celková energie izolované soustavy je v průběhu reakce konstantní

• John Dalton, Joseph L. Proust

– zákon stálých poměrů slučovacích – hmotnostní poměr prvků v dané sloučenině je vždy stejný a nezávisí na způsobu vzniku této sloučeniny

– H2O              2×16 = 1:8

• John Dalton, Richter (1802)

–zákon násobných poměrů slučovacích – tvoří-li spolu 2 prvky více sloučenin, pak hmotnosti 1. prvku, který se slučuje se stejným množstvím prvku 2., jsou v poměru, který lze vyjádřit malými celými čísly

 – např.: H2O = 1:8   a   H2O2 = 2×32 = 1:16

• Joseph L. Gay-Lussac (1808)

– zákon slučování plynů – plyny se slučují v jednoduchých poměrech objemových

– 2H2 (g) + O2 (g)          2H2O

• Amedeo Avogadro

– avogadrův zákon – jeden mol plynu obsahuje stejný počet částic a zaujímá stejný objem (za normálních podmínek)

– NA = 6,023 x 1023 na mol; VA = 22,4 l

Daltonova atomová teorie (1803)

• prvky jsou složeny z velmi malých, dále nedělitelných částic atomů
• atomy téhož prvku jsou stejné > atomy různých prvků se liší (velikostí, hmotností, …)
• v průběhu chemických reakcí se atomy spojují, oddělují, přeskupují, nemohou však vznikat ani zanikat
• sloučením atomů dvou či více prvků vznikají chemické sloučeniny, ve kterých se slučují jen celistvé počty jednotlivých atomů

Modely atomu

• lord Thompson (1898)

– Thompsonův pudingový model atomu – homogenní koule kladně nabité hmoty, v níž jsou položeny záporně nabité elektrony (hrozinky)

– vyvrácen roku 1909 pokusy s rozptylem α-částic

• Ernest Rutherford (1911)

– planetární model atomu – uprostřed atomu se nachází malé, husté a kladně nabité jádro, okolo kterého obíhají po kulové ploše elektrony (jako planety kolem Slunce)

– vyvráceno, jelikož elektromagnetické vlnění vyzařované elektronem snižuje jeho energii, čímž snižuje poloměr dráhy a elektron by skončil v jádře

• Niels Bohr (1913)

– kvantový model atomu – elektrony se pohybují jen po zcela určitých drahách (kružnicích), na kterých mají určitou energii ( > energetická hladina elektronu)

 – při přechodu z vyšší na nižší dráhu energii vyzáří, a naopak

 – energie se přijímá v určitých násobcích = kvanta

 – platí to pouze pro lehké kovy (H a He)

• Louis de Broglie (1924-1927) + Schrödinger, Heisenberg, Born

– vlnově-mechanický model atomu – částice v atomu mají dvojitou hmotnou (dualistickou) povahu

 – můžeme určit pravděpodobnost výskytu el v určité oblasti kolem jádra

Stavba atomu

ČÁSTICE	HMOTNOST	NÁBOJ	OBJEVENA
elektron	9,1 × 10-31 kg	-1,602 × 10-19 C	1897 Thompson
proton	1,673 × 10-27 kg	+1,602 × 10-19 C	1919 Rutherford
neutron	1,675 × 10-27 kg	0 C	1932 Chadwick

• Proton – kladně nabitá částice

 – nese jeden elementární náboj

 – jejich počet v jádře udává protonové (atomové) číslo Z (ZX)

• Neutron – neutrální částice bez náboje

 – jejich počet v jádře udává neutronové číslo N

• Nuklid – skupina atomů se stejným protonovým (Z) i nukleonovým (A = Z+N) číslem

– izotopy  – různé nuklidy jednoho prvku (například 235U a 238U)

– jádra jednoho chemického prvku mají stejný počet protonů, ale mohou mít rozdílný počet neutronů

– jejich jádra se obvykle liší svou stabilitou

– prvky jsou v přírodě směsí izotopů

– mají stejné chemické, ale odlišné fyzikální vlastnosti

– izobary – nuklidy, které mají stejné nukleonové číslo, ale různé protonové číslo (například 40Ar a 40K)

– izotony – nuklidy, které se shodují v počtu neutronů v jádře (například 15N a 16O)

izotopy	Z1 = Z2	A1 ≠ A2	N1 ≠ N2	126C – 136C
nuklidy	Z1 = Z2	A1 = A2	N1 = N2	126C – 126C
izobary	Z1 ≠ Z2	A1 = A2	N1 ≠ N2	146C – 147N
izotony	Z1 ≠ Z2	A1 ≠ A2	N1 = N2	136C – 147N

Jádro

– tvořeno protony a neutrony (= nukleony), natěsnány v malinkém prostoru

– představuje 99,9% hmotnosti atomu

– jaderné síly – přitažlivé síly mezi nukleony

– dost silné, ale mají malý dosah

– stálost jádra – přitažlivé síly mezi protony a neutrony jsou silnější, než odpudivé síly mezi protony

– stálost přímo závisí na počtu neutronů a protonů (neutronů je stejně nebo nepatrně více než protonů)

– je-li počet protonů nebo neutronů v jádře roven magickému číslu (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), je jádro velmi stabilní

– slupkový model – jeho základem je Schrödingerova rovnice pro nukleony

 – vysvětluje stabilitu jádra

 – podobá se elektronovému obalu – nukleony obsazují jednotlivé energetické hladiny

 – jakmile se hladina zaplní protony, začínají působit odpudivé síly a musí se to kompenzovat neutrony

 – Z > 83 – odpudivé síly mezi protony jsou větší, než přitažlivé a prvky jsou nestabilní a rozpadají se

        

Elektronový obal

• Kvantová čísla a orbitaly

– valenční elektrony – elektrony položené v energeticky nejvyšší vrstvě

– elektrony, které má prvek navíc oproti předchozímu vzácnému plynu

– využívají se v chemické vazbě

– nepočítají se mezi ně plné d a f orbitaly

– slouží k popisu orbitalů

• hlavní číslo „n“ – udává energii elektronu (čím je větší, tím více elektron kmitá) a velikost orbitalu

 – nabývá celých kladných čísel, slupky: K, L, M, N, O, P, Q (n= 1 – 7) – číslo periody

 – maximální počty elektronů v orbitalu: K=2, L=8, M=18, N=32

• vedlejší číslo „l“ – udává tvar orbitalu, podslupky

– s, p, d, f ( l = 0 až n-1)

• magnetické číslo „m“ – popisuje prostorovou orientaci orbitalu

– od -l do +l včetně 0

        l=0      m=0       s

        l=1       m= -1,0,1       p

        l=2       m= -2,-1,0,1,2        d

        l=3      m= -3,-2,-1,0,1,2,3              f

• spinové magnetické číslo „s“ – popisuje chování el

– hodnoty +1/2 a -1/2

– rotace elektronu kolem osy a obíhání kolem jádra

– Znázornění orbitalů

– prostorový tvar (viz obrázek)

– symbol (pro 5B: 1s2 2s2 2p1)

– rámeček (pro 5B: 1s        2s       2p                  )

– Obsazování orbitalů

• Pauliho princip – v jednom orbitalu mohou být maximálně dva elektrony, a to lišící se hodnotou spinového kvantového čísla
• Hundovo pravidlo – v degenerovaných orbitalech vznikají elektronové páry teprve po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem

– všechny nespárované elektrony mají stejný spin

– degenerované orbitaly – orbitaly, kde n1 = n2; l1 = l2; m1 ≠ m2 

• (n+l) pravidlo – orbital s nižším součtem n+l se zaplní dříve

 – jsou-li dvě tyto hodnoty stejné, zaplňuje se dříve orbital s nižší hodnotou n

• Výstavbový princip – orbitaly s nižší energií se zaplňují elektrony dříve, než orbitaly s vyšší energií

• 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d 4f 6p 7s 6d 5f 7p

– Výjimky v obsazování orbitalů

• Cr – 4s1 3d5
• Cu – 4s1 3d10
• Nb – 5s1 4d4
• Mo – 5s1 4d5
• Ru – 5s1 4d7
• Rh – 5s1 4d8
• Pd – 5s0 4d10
• Ag – 5s1 4d10
• Pt – 6s1 5d9
• Au – 6s1 5d10

– nepřechodné prvky- ns + np

– přechodné prvky – ns + (n-1)d

– vnitřně přechodné prvky – ns + (n-2)f

Základní a excitovaný stav atomu

– základní stav – v elektronovém obalu se v každém atomu vyskytuje přesný počet elektronů, který je stejný jako počet protonů v jádře

– dojde-li k odtržení nebo přidání elektronu, stává se z atomu iont

– excitovaný stav – elektrony v elektronovém obalu atomu jsou důsledkem excitace přeneseny do vyšších energetických hladin, než je normální stav

– stav s větším obsahem energie než stav základní a vzniká přijetím energie v okolí

– elektron přechází na zlomek sekundy na vyšší energetickou hodnotu, poté se vrátí do základního stavu a uvolní energii ve formě elektromagnetického záření

– značí se hvězdičkou u značky prvku

– valenční excitované stavy – důležité pro vlastnosti prvků, vliv na vytváření chemických vazeb

– prvek excituje valenční elektrony do prázdných orbitalů valenční vrstvy (její n je stejné jako n valenčních e-); u základních prvků do orbitalů, jejichž hodnota n je totožná s číslem periody daného prvku

– vznik ionu – proces jeho vzniku se nazývá ionizací, obrácený proces, tzn. vytvoření neutrálního atomu z iontu, se označuje jako rekombinace

 – energie potřebná k odstranění jednoho z elektronů ve vnější podslupce atomu se označuje jakoionizační energie (říká nám, jak pevně jsou vnější elektrony k atomu vázány), (nejnižší u I. a II. A skupiny)

 -přidáním elektronu k atomu určitého prvku dojde k uvolnění energie, která se označuje jako elektronová afinita(nejvyšší u VII. a VI. A skupiny)

– ionty vznikají:

• při rozpouštění (např. solí ve vodě), kdy se část molekul rozpouštěné látky rozštěpí na dva (nebo více) iontů, takové roztoky jsou elektricky vodivé
• při ionizaci plynu, kdy rychle letící částice nárazem rozštěpí molekulu na ionty, ionizovaný plyn se pak stává vodivým
• při tření (kladný náboj – sklo, záporný náboj – plast)

RADIOAKTIVITA

– děj způsobený nestabilitou atomových jader

– samovolný rozpad jader těžkých prvků na jádra stabilní, doprovázený neviditelným zářením

– přirozená radioaktivita – schopnost některých atomových jader se samovolně rozpadat a přitom vysílat záření

 – rozhodují o ní jaderné síly, které drží jádro pohromadě a poměr počtu protonů a neutronů

 – umělá radioaktivita – je způsobena vnějším vlivem

  – např. při ostřelování částicemi α se jádra mohou dále samovolně rozpadat

Historie

• Pierre Curie (1880)

– objev piezoelektrického jevu (schopnost krystalu generovat el. napětí při deformaci)

• Wilhelm C. Röntgen (1895)

– experimenty s katodovou trubicí – paprsky X-ray

• Henry Becquerell (1896)

– zkoumal oxid uranu (smolinec), který zabalil do černého papíru na fotografickém filmu, a aniž by ho osvítil, na filmu zůstal světlý flek > příčinou jsou neviditelné paprsky vycházející z uranu (paprsek = radius)

• Marie Curie Skłodowska (1898)

– spolu s manželem izolovali polonium

– 1910 izolovala radium, pojem radioaktivita (neviditelné záření, které se dá magnetickým nebo elektrickým polem rozdělit)

• Paul Ulrich Villard (1900)

– objevil záření γ při studiu uranu

• Irena a Frederic Joliot (1934)

– objevili umělou radioaktivitu a prokázali, že hmotnost p a n je přibližně stejná

        2713Al + 42He → 3015P + 10n

        3015P → 3014Si + 01e

• Otto Hahn a Franz Strassmann (1939)

– ostřelovali částice uranu a pozorovali štěpení atomového jádra

Záření

Záření	Co to je	Čím to zastavíme
α	Proud heliových jader	List papíru, tenká folie
β–	Proud elektronů	Kovová destička, 1m vzduchu
β+	Proud pozitronů	Kovová destička, 1m vzduchu
γ	Proud fotonů	Silné olověné/wolframové desky

Záření α

– proud rychle letících heliových jader

– nastává u jader těžkých prvků, kdy se jádra chtějí zbavit přebytečných protonů a neutronů

– při rozpadu je vzniklý nuklid posunut vzhledem k původnímu jádru o dvě místa vlevo

– dosahuje 10% rychlosti světla

– málo pronikavé

Záření β–

– proud elektronů

– charakteristické pro jádra nuklidů, která mají více neutronů než protonů

– snaží se počet p a n srovnat

– z jádra je vymrštěn elektron!

– vzniklý nuklid je posunut vzhledem k původnímu o jedno místo vpravo

– nebezpečnější a pronikavější než α

– může dosahovat 99% rychlosti světla

.

Rozpad β+

– proud pozitronů (hmotností odpovídají elektronu, ale mají kladný náboj)

– vzniká u uměle připravených prvků

– je charakteristický pro jádra nuklidů, která mají více protonů než neutronů

– vzniklý nuklid je oproti původnímu posunut o jedno místo vlevo

Záření γ

– proud fotonů

– vzniká při radioaktivním rozpadu jader a je produkováno jádry

– většinou je ve vesmíru, zemská atmosféra ho nepropouští na zem

– má velmi krátkou vlnovou délku, kratší než X-ray (rentgenové záření, které je produkováno elektronovým obalem)

– využívá se ke sterilizaci potravin a lékařských nástrojů, a k ozařování zhoubných nádorů v lékařství

– má vysokou energii

– lze ho pohltit silnou vrstvou olova

– je-li jádro atomu po vyzáření α či β záření v excitovaném stavu, dochází k vyzáření fotonu gama záření

         

Rentgenové záření

– podobné záření γ

– hrozí nebezpečí ozáření (ochrana Pb)

– nejvíce ho pohlcují kosti, měkké tkáně méně

Posuvové zákony

– umožňují vypočítat kam a o kolik míst se posune nuklid vzniklý díky radioaktivitě

Elektronový záchyt

– u uměle vytvořených jader, která mají více protonů než neutronů

– proton z jádra zachytí některý elektron z elektronového obalu

11p + 0-1e     10n

AZX + 0-1e      AZ-1Y

– podle toho, z jaké je elektron vrstvy, se hovoří o záchytu K, L, M

– zachycený elektron je nahrazen elektronem z vyšší vrstvy, čímž dochází k jeho deexcitaci a uvolnění kvanta elektromagnetického záření – fotonu

Pravidla rozpadu radioaktivních prvků

– postupně od nestabilního prvku až po stabilní

• Poločas rozpadu

– doba, za kterou se rozpadne přesně polovina přítomných jader radioaktivního nuklidu

– u různých prvků různá

– jde to matematicky spočítat

– ne všechna jádra se rozpadají, u některých dochází ke vzniku gama záření

– jádra s přebytkem protonů, neutronů nebo velkým počtem nukleonů se rozpadají enormně rychle

• Rozpadové řady

– popisuje postupný radioaktivní rozpad nestabilních jader těžkých prvků, i když kromě neptuniové začíná relativně stabilním izotopem

– při rozpadu je vyzařováno α nebo β záření

– prvek, ze kterého přímo vzniká prvek jiný, se nazývá mateřský, jeho přímý prvek rozpadu je prvek dceřiný

Název řady	První prvek	Poslední prvek	Počet nuklidů
Uranová	238U	206Pb	4n + 2
Aktinuranová	235U	207Pb	4n + 3
Thoriová	232Th	208Pb	4n
Neptuniová(umělá)	237Np	209Bi	4n + 1

Jaderné reakce

– na jádro atomu působí záření z přirozeného nebo umělého zdroje

• Štěpná reakce

– řízeně probíhají v jaderných reaktorech (jádra boru pro kontrolovatelnost)

– těžký nuklid se dělí na 2 středně těžké, vzniká u toho několik neutronů

– rozvětvená reakce, uvolňuje se mnoho tepla (nutné chladit)

– uvolněné 2-3 rychlé neutrony ostřelují další jádra

– pokud není počet vznikajících neutronů regulován, dochází k exponenciálnímu nárůstu štěpných reakcí a následnému výbuchu – lavinová reakce (v atomové bombě)

 + E (teplo) + γ

• Termonukleární reakce = jaderné fúze

– lehká jádra se syntetizují za vzniku jádra těžšího

– syntézy probíhají při teplotách 107-108K

– časté na Slunci

        21H + 31H → 42He + 10n + E

– velký zisk energie

• Transmutace

– změna jednoho nuklidu v jiný

– není to chemická, ale jaderná reakce, dochází k bombardování zářením

– tímto způsobem se připravují dosud neobjevené prvky

– Rutheford (1919)  147N + 42α       178O + 11p

– Irena Curie + F.J. Curie (1932) – objevili umělou radioaktivitu

        2713Al + 42α         1530P + 10n

                        1530P            3014Si + 01e (β+)

Využití radioaktivity

• Archeologie – radiouhlíková metoda

 – izotop 14C je radioaktivní (τ=5730 let)

 – při odumření organismu ustane přísun uhlíku, radioaktivní izotop se rozpadá a poměr mezi stabilními izotopy a 14C se zvyšuje

 – v 1g uhlíku živého organismu proběhne za minutu 16 radioaktivních rozpadů, proběhnou-li 4, je kostra stará 11 400 let.

• Radioterapie – léčba ozářením, slouží k léčbě nádorových onemocnění, buď kurativně (prodloužení života) nebo

paliativně (zmenšení bolesti)

– teleterapie – ozařovač je mimo pacienta

– brachyterapie – ozařovač je uvnitř pacienta

– radioaktivní implantáty – způsob ozařování nádoru, dávka je koncentrována v malém objemu, využívá se často při rakovině v oblasti jazyka, dělohy a střeva (přístupné dutiny)

– haronová terapie – využívá protony a lehké ionty, částice předávají maximum své energie v tzv. Braggově píku > lepší pro tkáně, neboť ty před píkem jsou ozářeny méně a ty za píkem vůbec

• Atomové bomby – 6.8.1945 Hirošima (Little Boy) a 9.8.1945 Nagasaki (Fatman)

– kritické množství 23592U je 10 kg, v atomové bombě jsou dvě polokoule s podkritickým množstvím, které jsou od sebe, odpálí se konvenční trhavinou (třeba TNT) proti sobě a vytvoří se nadkritické množství uranu